基于多传感器的“守护者”智慧穿戴

岳秉杰，刘高锋，李俊贤

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601）

当下，我国微传感器行业高速发展，数字技术和互联技术在人们的生活中被广泛运用。一方面，信息革命促使社会生产方式发生变革，居民得以享受富足的物质生活；另一方面，信息革命通过加快居民生活节奏、提高线上办公率、娱乐吸引等方式大量侵占了居民的精力和时间，对居民的健康造成了巨大的威胁[1-2]。智能穿戴恰是互联网技术发展的产物，是指将芯片、传感器等硬件应用于日常穿戴物品中，同时通过网络和云端控制实现数据交换的设备。目前，智慧穿戴已经被广泛运用于体育运动、医疗辅助以及信息娱乐等领域，为设备使用者提供移动支付、身份认证、社交、健康检测以及运动检测等功能。国际数据公司（IDC）发布的数据显示，2023年第二季度我国可穿戴设备市场出货量为3 350万台，同比增长17.3%，可以看出，我国的智能穿戴市场潜力巨大，居民对于智能穿戴的需求也在日益上升。但是，目前市面上的穿戴设备五花八门，存在缺乏交互、功能重叠以及功能缺失等问题。因此，本研究在已有研究的基础上尝试设计出一款由纳米材料、纳米传感器以及通信设备组成的智能穿戴系统，以期给居民的健康生活带来更多的便利[3]。

1 系统组成

“守护者”智能穿戴是由智慧鞋、智慧衣、Companion精灵（戒指）外加一个专属App实现的一个全方位的健康守护系统，通过智慧鞋、智慧衣实现真正的“健康守护者”健康锻炼，同时配合Companion精灵（戒指）、“守护者”App构建实时健康数据监测系统，对用户身体异常情况进行预警，必要时进行报警救助，系统框架如图1所示。

图1 “守护者”智慧穿戴的组成

2 各模块功能

2.1 智慧鞋

在鞋底安装多个传感器对应人体多个穴位，“守护者”App联合互联网大数据赋予智慧鞋“智慧”，使其知晓人体足底穴位，使用各种按摩手法进行专业的按摩[4]。另外，智慧鞋还配备了压力型传感器，可以根据用户的脚型进行自我“微调”，实现完美贴合。研发者事先预设了不同的压力值，分别对应跑步鞋、漫步鞋、篮球鞋、登山鞋、雨鞋等不同的应用模式。使用者可以通过“守护者”App对智慧鞋的应用模式进行切换，满足其在不同场景下的用鞋需求。智慧鞋可以对扭伤、筋膜炎等提供恢复支持，并且在用户高坠、滑倒等情况下联合智慧衣和“守护者”App进行预警。

2.2 智慧衣

智慧衣由亲肤性纳米材料和各种信息采集传感器组成。亲肤性纳米材料拥有轻薄、恒温、防风、防雨等特点；信息采集传感器可以采集使用者的体温、心跳、血压、血糖、脉搏等信息并反馈给“守护者”App[5]，其与智慧鞋联动可以对使用者的身体健康情况实行全方位监测并由“守护者”App形成综合健康数据，为用户提供指导和预警。另外，智慧衣可以对皮肤疾病进行辅助治疗（亲肤穿），使皮肤保持干爽有利于恢复。其还可以对人体进行体温监测，当体温高于37.2 ℃时，智慧衣的颜色会发生改变，从而引起用户警觉，同时联合“守护者”App给用户进行身体异常提醒，如果用户在使用之前设置同时通知使用者所选现实中的“守护者”并进行授权，智慧衣会同时通知此人并告知使用者的异常原因、具体地址。智慧衣在使用者遭遇高坠、撞击、高温、低温、摔倒等情况时都会联合智慧鞋对人体健康进行评估，并及时进行预警、求助。

2.3 Companion精灵（戒指）

Companion精灵是一枚材质轻巧、便于佩戴的戒指，除了与“守护者”App联动实现心率监测、睡眠质量监测的常规功能，还有以下4个优点：（1）可以保障使用者心理健康，拥有强大的场景记录与分析功能，可以在用户允许的情况下对用户信息以及生活习惯进行整合分析，再根据数据平台搭载的芯片和数据库对用户的心理情况进行评估，得到心理健康数据[6]；（2）拥有更先进的通信设备，一方面可以通过配对实现对于不同动作以及感知的同步传输（如震动、拍一拍等），优化用户交互体验，另一方面还配备了卫星通话、太阳能充电等极限功能，可以在极端情况下为使用者提供求生支持；（3）拥有个性化的预警以及报警模式（老人、猛烈摔打、损毁等），使用者可以设置最高优先级的敏感词，这类敏感词应具有隐蔽性和迷惑性，当使用者遭遇绑架、抢劫、谋杀等危险事件时，只需说出提前设置的敏感词，Companion精灵（戒指）就会自动在后台给使用者家属发送使用者的位置信息、求救信号并报警；（4）Companion精灵（戒指）装备了NFC功能。在日常使用中，Companion（精灵）会在固定时间段对用户的声纹、指纹等信息进行采集，判定解锁成功后可以满足使用者对于移动支付、门禁卡、公交卡等各类功能的需求。

2.4 “守护者”App

“守护者”App配备了市场上同类产品中最先进的算法及模型，负责处理由智慧鞋、智慧衣以及Companion精灵（戒指）提供的信息，并将其处理成用户可以理解的形式。此外，“守护者”App还有如下功能：（1）“守护者”App涵盖了市场上绝大多数健身健康类软件所拥有的功能，可以满足使用者对于健身运动指导、日常养生知识的需要。（2）“守护者”App的信息库还将与社区医院实现互通，为分级诊疗提供技术支持。（3）“守护者”App可以与智慧鞋、智慧衣以及Companion精灵（戒指）实现联动，为用户的日常使用提供更大的便利。

总而言之，“守护者”App相当于“守护者”智能穿戴系统的大脑，是产品的核心，是为各个产品赋能以及支持它们实现精彩联动的关键力量，也是让产品区别于其他智能穿戴产品的最独特之处。

3 智能穿戴的发展前景

近年来，世界范围内智能穿戴设备行业都呈现出繁荣发展的景象，尤其在保健领域得到了迅猛发展。目前，可佩戴设备的发展主要呈现出以下趋势。

（1）未来，除了医疗健康领域，人工智能技术还能在其他领域发挥至关重要的作用。人工智能技术已经深入人们生活的各个层面，无论是便利的智能家居还是精确的智能医疗，都在不断提升人们的生活品质。尤其在医疗健康领域，人工智能技术正在逐步推动整个行业的革新[7]。这种技术有助于医生更准确地诊断疾病、预防疾病的风险以及开发全新的治疗方案。随着人工智能技术在医疗健康领域的广泛应用，医疗服务有望实现全面的互联网化[1]。

（2）将可穿戴设备与物联网设备进行联动的方案正在被越来越多的设备制造商采纳。这种发展趋势反映在行业的数据上。2023年数据显示，中国可穿戴设备的市场规模将达到2 300亿元，比前一年增长18.6%。智能手表市场规模预计达到900亿元，同比增长20.0%；智能耳机市场规模预计将增长到800亿元，同比增长15.0%；智能手环市场规模预计达到400亿元，同比增长25.0%；其他可穿戴设备市场规模则预计达到200亿元，同比增长30.0%。在这个趋势中，物联网设备与可穿戴设备的联动将更加紧密，为消费者带来更加便捷且丰富的体验。

（3）光学传感技术为可穿戴设备带来了许多可能性，然而，这些设备的电池寿命往往限制了其功能的发挥。事实上，电池续航能力已经成为制约智能穿戴设备发展的主要瓶颈之一，一旦设备电池电量消耗殆尽，用户就必须将其取下进行充电，这对用户体验带来了极大的影响。为了解决这个问题，产业界正在积极研发各类新型电池和充电技术，包括高能量密度电池、固态超薄电池、可弯曲电池以及无线充电技术等[8]。这些新型电池和充电技术的目标就是为可穿戴设备提供更强的续航能力，同时也在努力降低充电过程对用户体验的影响。

4 结论

智能穿戴设备为人们的生活带来了极大的便利，拥有广阔的市场。无论是在健身、健康管理，还是在日常生活的安全保障中，其都发挥了重要作用。然而，人们还需进一步提高其性能，优化其功能，以满足更多的需求，例如提高电池的续航能力、提升数据的准确性、增强交互性、丰富产品的功能等。

“守护者”智能穿戴的研究主要基于纳米传感器，切中人们对于健康生活的追求，以开发全新的运动方式和健康管理系统为目标，帮助改善青年人群的亚健康状态，辅助监护独居老年群体，有效防止意外摔伤、突发疾病的发生。随着科技的发展，智能穿戴设备的未来一定会更加精彩。未来，智能穿戴设备将更加智能化、人性化，更加贴合人们的生活需求，为生活带来更多的可能性。