基于多傳感器的“守護者”智慧穿戴

岳秉杰，劉高鋒，李俊賢

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601）

當下，我國微傳感器行業高速發展，數字技術和互聯技術在人們的生活中被廣泛運用。一方面，信息革命促使社會生產方式發生變革，居民得以享受富足的物質生活；另一方面，信息革命通過加快居民生活節奏、提高線上辦公率、娛樂吸引等方式大量侵占了居民的精力和時間，對居民的健康造成了巨大的威脅[1-2]。智能穿戴恰是互聯網技術發展的產物，是指將芯片、傳感器等硬件應用于日常穿戴物品中，同時通過網絡和云端控制實現數據交換的設備。目前，智慧穿戴已經被廣泛運用于體育運動、醫療輔助以及信息娛樂等領域，為設備使用者提供移動支付、身份認證、社交、健康檢測以及運動檢測等功能。國際數據公司（IDC）發布的數據顯示，2023年第二季度我國可穿戴設備市場出貨量為3 350萬臺，同比增長17.3%，可以看出，我國的智能穿戴市場潛力巨大，居民對于智能穿戴的需求也在日益上升。但是，目前市面上的穿戴設備五花八門，存在缺乏交互、功能重疊以及功能缺失等問題。因此，本研究在已有研究的基礎上嘗試設計出一款由納米材料、納米傳感器以及通信設備組成的智能穿戴系統，以期給居民的健康生活帶來更多的便利[3]。

1 系統組成

“守護者”智能穿戴是由智慧鞋、智慧衣、Companion精靈（戒指）外加一個專屬App實現的一個全方位的健康守護系統，通過智慧鞋、智慧衣實現真正的“健康守護者”健康鍛煉，同時配合Companion精靈（戒指）、“守護者”App構建實時健康數據監測系統，對用戶身體異常情況進行預警，必要時進行報警救助，系統框架如圖1所示。

圖1 “守護者”智慧穿戴的組成

2 各模塊功能

2.1 智慧鞋

在鞋底安裝多個傳感器對應人體多個穴位，“守護者”App聯合互聯網大數據賦予智慧鞋“智慧”，使其知曉人體足底穴位，使用各種按摩手法進行專業的按摩[4]。另外，智慧鞋還配備了壓力型傳感器，可以根據用戶的腳型進行自我“微調”，實現完美貼合。研發者事先預設了不同的壓力值，分別對應跑步鞋、漫步鞋、籃球鞋、登山鞋、雨鞋等不同的應用模式。使用者可以通過“守護者”App對智慧鞋的應用模式進行切換，滿足其在不同場景下的用鞋需求。智慧鞋可以對扭傷、筋膜炎等提供恢復支持，并且在用戶高墜、滑倒等情況下聯合智慧衣和“守護者”App進行預警。

2.2 智慧衣

智慧衣由親膚性納米材料和各種信息采集傳感器組成。親膚性納米材料擁有輕薄、恒溫、防風、防雨等特點；信息采集傳感器可以采集使用者的體溫、心跳、血壓、血糖、脈搏等信息并反饋給“守護者”App[5]，其與智慧鞋聯動可以對使用者的身體健康情況實行全方位監測并由“守護者”App形成綜合健康數據，為用戶提供指導和預警。另外，智慧衣可以對皮膚疾病進行輔助治療（親膚穿），使皮膚保持干爽有利于恢復。其還可以對人體進行體溫監測，當體溫高于37.2 ℃時，智慧衣的顏色會發生改變，從而引起用戶警覺，同時聯合“守護者”App給用戶進行身體異常提醒，如果用戶在使用之前設置同時通知使用者所選現實中的“守護者”并進行授權，智慧衣會同時通知此人并告知使用者的異常原因、具體地址。智慧衣在使用者遭遇高墜、撞擊、高溫、低溫、摔倒等情況時都會聯合智慧鞋對人體健康進行評估，并及時進行預警、求助。

2.3 Companion精靈（戒指）

Companion精靈是一枚材質輕巧、便于佩戴的戒指，除了與“守護者”App聯動實現心率監測、睡眠質量監測的常規功能，還有以下4個優點：（1）可以保障使用者心理健康，擁有強大的場景記錄與分析功能，可以在用戶允許的情況下對用戶信息以及生活習慣進行整合分析，再根據數據平臺搭載的芯片和數據庫對用戶的心理情況進行評估，得到心理健康數據[6]；（2）擁有更先進的通信設備，一方面可以通過配對實現對于不同動作以及感知的同步傳輸（如震動、拍一拍等），優化用戶交互體驗，另一方面還配備了衛星通話、太陽能充電等極限功能，可以在極端情況下為使用者提供求生支持；（3）擁有個性化的預警以及報警模式（老人、猛烈摔打、損毀等），使用者可以設置最高優先級的敏感詞，這類敏感詞應具有隱蔽性和迷惑性，當使用者遭遇綁架、搶劫、謀殺等危險事件時，只需說出提前設置的敏感詞，Companion精靈（戒指）就會自動在后臺給使用者家屬發送使用者的位置信息、求救信號并報警；（4）Companion精靈（戒指）裝備了NFC功能。在日常使用中，Companion（精靈）會在固定時間段對用戶的聲紋、指紋等信息進行采集，判定解鎖成功后可以滿足使用者對于移動支付、門禁卡、公交卡等各類功能的需求。

2.4 “守護者”App

“守護者”App配備了市場上同類產品中最先進的算法及模型，負責處理由智慧鞋、智慧衣以及Companion精靈（戒指）提供的信息，并將其處理成用戶可以理解的形式。此外，“守護者”App還有如下功能：（1）“守護者”App涵蓋了市場上絕大多數健身健康類軟件所擁有的功能，可以滿足使用者對于健身運動指導、日常養生知識的需要。（2）“守護者”App的信息庫還將與社區醫院實現互通，為分級診療提供技術支持。（3）“守護者”App可以與智慧鞋、智慧衣以及Companion精靈（戒指）實現聯動，為用戶的日常使用提供更大的便利。

總而言之，“守護者”App相當于“守護者”智能穿戴系統的大腦，是產品的核心，是為各個產品賦能以及支持它們實現精彩聯動的關鍵力量，也是讓產品區別于其他智能穿戴產品的最獨特之處。

3 智能穿戴的發展前景

近年來，世界范圍內智能穿戴設備行業都呈現出繁榮發展的景象，尤其在保健領域得到了迅猛發展。目前，可佩戴設備的發展主要呈現出以下趨勢。

（1）未來，除了醫療健康領域，人工智能技術還能在其他領域發揮至關重要的作用。人工智能技術已經深入人們生活的各個層面，無論是便利的智能家居還是精確的智能醫療，都在不斷提升人們的生活品質。尤其在醫療健康領域，人工智能技術正在逐步推動整個行業的革新[7]。這種技術有助于醫生更準確地診斷疾病、預防疾病的風險以及開發全新的治療方案。隨著人工智能技術在醫療健康領域的廣泛應用，醫療服務有望實現全面的互聯網化[1]。

（2）將可穿戴設備與物聯網設備進行聯動的方案正在被越來越多的設備制造商采納。這種發展趨勢反映在行業的數據上。2023年數據顯示，中國可穿戴設備的市場規模將達到2 300億元，比前一年增長18.6%。智能手表市場規模預計達到900億元，同比增長20.0%；智能耳機市場規模預計將增長到800億元，同比增長15.0%；智能手環市場規模預計達到400億元，同比增長25.0%；其他可穿戴設備市場規模則預計達到200億元，同比增長30.0%。在這個趨勢中，物聯網設備與可穿戴設備的聯動將更加緊密，為消費者帶來更加便捷且豐富的體驗。

（3）光學傳感技術為可穿戴設備帶來了許多可能性，然而，這些設備的電池壽命往往限制了其功能的發揮。事實上，電池續航能力已經成為制約智能穿戴設備發展的主要瓶頸之一，一旦設備電池電量消耗殆盡，用戶就必須將其取下進行充電，這對用戶體驗帶來了極大的影響。為了解決這個問題，產業界正在積極研發各類新型電池和充電技術，包括高能量密度電池、固態超薄電池、可彎曲電池以及無線充電技術等[8]。這些新型電池和充電技術的目標就是為可穿戴設備提供更強的續航能力，同時也在努力降低充電過程對用戶體驗的影響。

4 結論

智能穿戴設備為人們的生活帶來了極大的便利，擁有廣闊的市場。無論是在健身、健康管理，還是在日常生活的安全保障中，其都發揮了重要作用。然而，人們還需進一步提高其性能，優化其功能，以滿足更多的需求，例如提高電池的續航能力、提升數據的準確性、增強交互性、豐富產品的功能等。

“守護者”智能穿戴的研究主要基于納米傳感器，切中人們對于健康生活的追求，以開發全新的運動方式和健康管理系統為目標，幫助改善青年人群的亞健康狀態，輔助監護獨居老年群體，有效防止意外摔傷、突發疾病的發生。隨著科技的發展，智能穿戴設備的未來一定會更加精彩。未來，智能穿戴設備將更加智能化、人性化，更加貼合人們的生活需求，為生活帶來更多的可能性。