穿戴式医疗设备（精选10篇）
穿戴式医疗设备 篇1
0.引言
可穿戴设备是直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备,其通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。早在2014年CES消费电子展会上,智能可穿戴设备便成了主角,其占了整个展会的半壁江山,几乎渗透入所有消费电子品中,这其中,不只是诸如三星等的国外企业,很多中国企业,包括中兴、华为、百度等都纷纷展出了自己的智能可穿戴产品。随着技术的进步以及用户需求的变迁,智能可穿戴设备从概念正在逐步转化为潮流, 其形态与应用热点也在不断的变化。
可穿戴式生物医疗仪器是可穿戴设备领域的一支生力军,因其可实现对人体非介入的检测和远程诊疗从而被寄予厚望。基于穿戴式生物医疗仪器在社会上引起的广泛关注,笔者认为有必要对这一领域的中国专利申请进行梳理和分析,从而帮助企业和个人对这一领域目前的技术发展水平、发展脉络以及研发热点等有更客观的了解。
笔者首先进行了较为概括的检索,发现穿戴式生物医疗仪器相关的专利申请已达千余项,这其中包括一部分外观专利申请,而在其他两种专利申请中,有相当数量是仅仅通过计步、测量体温或者是测量脉搏来体现其生物医疗功能的。考虑时间成本的因素,笔者将重点放在了涉及血压、 血糖以及血氧饱和度的测量的可穿戴设备上,因为有关这几个参数的测量涉及更为复杂的检测技术,对可穿戴式设备提出更高的要求,相应地, 其也能更切实地实现诊疗功能,从而更有可能满足社会的需求。
1.可穿戴式生物医疗仪器国内专利技术分析
1.1专利申请量趋势
从图1所示出的时间演进来看,该领域的专利申请大致经历了三个阶段。
2003年之前,十余年的时间里仅有几项专利申请,该阶段实际上并没有真正的产品在中国问世,申请人基本上都是国外来华企业(例如 :因尼德姆德 · 科姆公司,CN1309546A),从专利申请的内容来看,主要集中在概念的提出。
2003年到2011年期间,随着无线通讯技术的迅猛发展,可穿戴医疗技术逐渐进入人们视野, 陆续有申请人着眼于这一概念的可实施性,尝试着进行各个方面的技术实践和技术改进(例如 : 香港中文大学,CN1692874A ;四川东林科技有限公司,201675927U)。
2012年之后,由于可穿戴技术在全球刮起的风暴,有更多的申请人试水这一领域的医疗用途 (例如 :浙江大学,CN103315722A,南京专创知识产权服务有限公司,CN104510453A ;郭雨知, CN203914874U),专利申请量也呈直线上升趋势。
1.2申请人的构成
在医疗器械领域,国外来华的申请人往往会占申请人总量的一半或者更多。但是,由图2能够很直观地看出,在可穿戴生物医疗设备领域,中国的专利申请主要来自于国内申请人。实际上,国外来华申请人的专利申请也多集中在早期。扩展检索的结果显示,国外申请人的研发重点不再集中于这一领域的概念层面,而是更多放在了与这一领域相关的具体技术上,包括检测技术的新发现,通讯技术的壁垒攻关等(例如:三星, CN104052528A ,在智能穿戴设备中与多个终端进行通信的装置和方法)。
图3和图4显示出了国内申请人的性质构成和区 域分布。 可以看出, 国内申请 人在这一领域中的构成比较平均,企业占的比重略大(例如 :成都博约创信科技有限责任公司, CN203555728U ;苏州锟恩电子科技有限公司, CN104095623A),这也说明,由于这一领域存在巨大商机,企业更有动力也更有必要在这一领域获得专利权。就地区分布来看,申请人更多地集中在广东、北京、江苏、四川、上海、浙江这几个省份,这与这些省份在电子产品方面的研发水平是基本一致的。
图5显示了在可穿戴生物医疗设备领域专利申请的构成,其中发明专利申请占到了60%(例如 :广西科技大学,CN104042202A ;许建平, CN104434053A),这一方面说明这一领域的技术含量比较高,另一方面也说明了申请人对这一领域的重视程度。还有一个可能的原因在于,这一领域常常涉及数据处理的方法、通讯方法,其有关技术一般只能通过发明专利来寻求保护。
另外,据统计,这一领域的发明专利申请中, 已经授权的占18%(例如 :史密斯医疗ASD公司,CN101330865A,CN101330865B), 由于这一领域的专利申请主要集中在2013年和2014年, 所以,有40% 的专利申请正处于在审状态(例如: 普天信息技术研究院有限公司,CN103876715A), 如图6所示,因此可以判断在这一领域,发明专利申请的授权率应当高于这一数值。
图6中显示了可穿戴生物医疗设备领域的专利申请的历史状态。其中,除40% 的专利申请还处于在审状态之外,42% 的专利申请处于授权专利维持状态(例如 :世意法(北京)半导体研发有限责任公司,CN202168825U ;中国人民解放军第三军医大学野战外科研究所,CN102499694A), 占已经结案的专利申请的70%,这一方面与该领域的专利申请多集中于近几年,专利权维持的时间较短成本较低有关。另一方面也在一定程度上说明在这一领域,申请人对于专利保护的重视程度较高,也间接说明了专利产业化的可能性较高。
1.3技术构成
一个基本的可穿戴生物医疗设备至少要具备生理信号检测、信号特征提取以及数据传输等基本功能模块,其关键技术涉及多个交叉学科,这也决定了在这一领域,专利申请的技术点和发明点会更分散,更复杂。
图7显示了在这一领域专利申请的技术点分布。其中,有超过三分之一的专利申请涉及载体结构的改进,包括作为检测、通讯等模块的载体的手环、腕带等的结构、材料方面的改进,以及行使检测功能的传感器与载体的连接方式的改进等。通过浏览,发现有关这一方面的专利申请大多为实用新型(例如 :白英,CN202044257U)), 发明专利申请较少且鲜有获得授权的(例如 :中国人民解放军空军航空医学研究所,CN1507833A, 视撤)。笔者认为,这主要是由于目前较为公知的可穿戴设备的形式不外乎腕环、指套、衣物以及饰品,并且将这些形式的载体设计为舒适的以及将功能部件结合在这些载体上的手段也都相对公知,因此,在这方面做出改进相对容易,相关专利申请的技术含量相对较低。
除了载体结构,申请人关注的技术点还在于电路结构、通讯方式和数据处理方面(例如 :北京格瑞图科技有限公司,CN103876714A ;杨阳, CN103236030A),这可能是基于在电子产品高度发展的情况,电子元器件资源异常丰富,通讯方式和数据处理手段也比较多样,因此,申请人更容易发现这些方面的改进需求,也更容易获得对应的技术手段。但是,也正是由于这种需求和技术手段的显而易见性,使得这几个方面获得高质量专利的可能性不大。
可穿戴生物医疗设备真正与其医疗应用相关的技术点在于如何进行生理信息的采集和数据特征的提取。然而,关于这一点,相关的专利申请仅占到7%(例如 :江西科技师范学院, CN101301202A)。事实上,由于检测血压、血糖等生理参数的传统检测方式要么是需要较为复杂的操作,要么需要有创采集,所以无法直接应用于可穿戴医疗设备,这就对检测手段本身提出了新的要求。目前存在采用光电手段检测血压血糖的技术,但直接应用于可穿戴设备仍存在检测精度和稳定性方面的不足。在医疗领域,一个精度不高数据不稳定的检测设备是不可取的,甚至是危险的。检测方式的不足会直接影响可穿戴医疗设备的产业化进程。因此,笔者认为,检测手段的改进、检测精度的提高是可穿戴医疗设备研发的一个难点,但它同时又是制约这一领域发展的一个关键点。
还有一小部分专利申请致力于推动可穿戴设备的多功能化,例如,在一个小小的可穿戴设备上集成多项生理信息的检测功能(例如 :杨凯晶,CN202801577U)。这方面的专利申请大多属于个人申请,其在如何实现多功能集成的问题上往往语焉不详。实际上,血压、血糖和血氧饱和度等参数的检测需要利用到不同的检测手段,这种功能的集成不是只有一个简单的构想就能实现和完善的。在电子产品日趋多功能化的大形势下,如何真正做到生理检测在可穿戴设备上的集成化, 可以作为有志于此的申请人研究的一个重点。
笔者还对可穿戴医疗设备的其他技术构成进行了统计。如图8所示,在这一领域,血压的检测显然受到更多关注(例如 :西藏民族学院,CN202891909U ;河南科技大学第一附属医院,CN104013395A ),而有关血糖检测的专利申请较少,这可能与血糖无损检测技术的发展水平有关。 而图9显示出有关可穿戴医疗设备的载体形式的相关数据,包括手表、手环、腕带在内的腕部载体形式比重最大,其次是整合有检测模块的衣服。 另外,约有三分之一的专利申请由于其关注点与载体形式无关从而并未明确限定可穿戴医疗设备的具体形态。
2. 小结与讨论
通过上述统计和分析可以看出,在可穿戴医疗设备领域,专利申请数量在近两年大幅度增长。 其中国内申请占了绝大多数,申请人中企业所占比重大于院校和个人,发明专利申请的数量多于实用新型专利申请的数量。这在一定程度上说明了在近几年的可穿戴设备热潮中,国内企业对于这一领域的新功能和新应用的关注和重视。
另外,在这一领域的专利申请中,有关载体结构、电路结构以及通讯方式这几方面的改进占大多数,而真正致力于可穿戴医疗设备的准确度和稳定性的专利申请很少。这在某种程度上说明, 目前国内专利申请中有关可穿戴医疗设备的发明创造仍旧主要集中于非医疗功能的方面,而如何提高可穿戴医疗设备的医疗检测精度问题,必定成为今后这一领域进行研究和寻求专利保护的重点。
通过统计笔者发现,在可穿戴生物医疗设备领域,申请人较为分散,图10显示出了排名靠前的几位申请人及其专利申请情况。这其中主要是院校和个人,仅有的几家企业的专利申请量也均没有超过5项。图10显示出的情况似乎与目前可穿戴设备的井喷式发展不相吻合,首先,为大众所知的领头企业未见踪影 ;同时,专利申请如此分散令人费解。
笔者就此疑问进行了分析,认为原因可能在于以下两点 :其一,笔者的检索和统计围绕生物医疗目的的可穿戴设备展开,而在这方面,真正进入生产和销售的产品凤毛麟角,其专利申请的情况与已经高度产业化的普通可穿戴智能设备有差异是正常的 ;其二,可穿戴智能设备的知名企业无一例外都是从一般意义上的智能可穿戴设备进军该领域的,其最初的着眼点都集中在无线通讯技术上,即使有在后来将功用扩展到医疗领域的,一般也都是直接借用了现有的生理信息诊断技术,所以,这些企业在生物医疗目的的可穿戴设备方面专利申请较少是可以理解的。
基于以上的可能性分析,笔者针对各大领头企业进行了检索。
中兴公司,其相关专利申请的重点放在远程信息的传送方法上,对具有智能腕表略有涉及(例如 :CN204241857U),但未发现有涉及生物医疗功能的相关专利。华为公司,亦有数十件专利与穿戴式设备相关(例如 :103713740A),但主要关注其通信功能,对生物医疗方面的内容没有涉及。百度公司也有十数件涉及穿戴式设备的专利申请(例如 :CN103529468A),其主要关注的也是通信功能,只对远程生理参数处理略有涉及。 九安公司多年来致力于血压计的研发,但有关穿戴式医疗设备,只有几项相关的外观专利。盛大旗下的果壳公司,其专利主要涉及电子书和手机, 以及与之关联的具有控制和解锁功能的戒指(例如 :CN103326867A),深圳映趣公司则多为外观专利,其实用新型专利主要涉及通信功能的腕表 (例如 :CN203399159U)。
相比于可穿戴医疗设备目前一片大好的市场前景,以及各个突出企业在这一领域所造出的浩大声势,这样的检索结果似乎让人意外。然而, 即使是一个简单的手环,其作为高科技产品所涉及的技术也要囊括多个方面,而如果要应用于医疗,会对结构、检测、数据处理等方面提出更高的要求。因此,很难将整个可穿戴设备的相关技术作为一个整体限定在一项专利申请中。像华为、 中兴这样的善于专利布局的企业,其通过对各方面的相关技术分别进行专利保护从而构建出一个专利池的可能性很大。所以,上述检索结果也是可以理解的。但是,由于在生理信息检测和相关数据处理方面专利申请的缺失,这些企业在进军可穿戴医疗设备时的专利保护难免会受到牵制, 因此,国内企业的专利布局还应当在这一方面做出更多的努力。
笔者在检索中也发现,国外来华企业显然更为重视专利的保护,以三星公司为例,其在可穿戴设备方面的专利申请就有50余项(例如 : CN104484037A,CN103240728A),并且由于其早就开始在医疗诊断领域进行专利布局(例如 : CN101264011, CN101879059A), 因此, 构架专利池对穿戴式生物医疗设备形成有力支撑将易如 反掌。
在科技高速发展的今天,电子产品日趋复杂和多功能化,有能力的企业的产品领域也越来越呈现出扩大化和多样化,这不但要求企业要具备强有力的研发水平,更要有过硬的前瞻性,准确地寻找发展方向,迅速进行专利布局,始终站在历史发展的前列。
可意念操控的可穿戴式设备 篇2
产品介绍：EMOTIV INSIGHT是一款轻巧的多频段无线耳机，戴上它可以随时同步检测你的脑部活动，并理解基本的神经指令，仅凭“意念”就可以对目标实施控制。例如：你可以用“意念”控制一台车的前进、倒退或转弯，甚至是遥控一台直升飞机上升或下降。据悉，EMOTIV INSIGHT 是目前唯一一款使用5个EEG（脑电波）探测器和2个标准传感器的可穿戴设备。可捕获动作、听力、视觉三部分区域的脑电波。此外，EMOTIV INSIGHT还计划在 Android、iOS、Mac OS、Linux 和 Windows 平台上运行相应的应用程序。
编辑点评：随着“意念”操控产品的日趋成熟及相关应用的出现，未来人们可以实现解放双手，高效工作。甚至一些不能用双手的残疾人，也可以用“意念”进行娱乐或工作了。
投影与触屏合二为一
产品介绍：Displair是一款可以在潮湿空气中打出一块触屏的投影仪。用户在Displair上的操作基本上就跟普通触屏一样——用双手滑动、缩放、双击，从Google Earth到玩愤怒的小鸟都不在话下，Displair对操作的检测灵敏度极佳。投影所用的潮湿空气是由Displair自带模块产生的，不过这台设备的使用也有一个限制：房间内的光线要适度，因为投影打出的画面很容易被光线干扰，在室外肯定是用不成了。据悉，Displair售价高达到2万美元，Displair公司表示他们主要的面向的客户不是个人，而是机场、博物馆、商场等商业场所。
编辑点评：触摸功能和投影设备我们并不稀奇，但是当这两者合为一体的时候着实是让人眼前一亮。可是目前来看，它除了“炫”，实用性还是差了点。
体感套装或将颠覆游戏业
产品介绍：PrioVR属于穿戴式设备，穿上它后，便可以让全身自由地在游戏中实现虚拟现实：当你摆动身体的时候，游戏里的人物也在摆动；甚至当你转动视野的时候，四周的景色视野也在转换。据悉，PrioVR将一组高性能惯性传感器内置在可穿戴的无线Hub架构上，免去了微软Kinect中的摄像头、光学系统、视距以及特殊的封闭场景。据悉，PrioVR直接从玩家身体移动感应，避免了端到端的延时，它改进的光学系统比Kinect要提高8倍，性能媲美那些花费数万美元的高端惯性动作捕捉系统。
编辑点评：在PrioVR之前没有一个让玩家真正无缝沉浸到虚拟世界中的技术，可以说PrioVR是颠覆性的创新，它的出现可能会再一次颠覆虚拟现实和游戏产业。
可以翻译25种语言的便携装置
产品介绍：SIGMO是一个知晓25多种语言的便携翻译机，它能够帮助用户打破语言交流障碍。用户首先需要设置母语及需要被翻译的外语，之后按着右侧上面的按钮、对着产品说话，手释放后，SIGMO会把用户的话转换成目标语言“说”出来。相反，当按着右侧下面按钮的时候，产品会把对方的话翻译成自己熟悉的母语。据悉，SIGMO通过蓝牙连接到智能手机，兼容iOS和Android两大平台。而在线翻译服务是使用互联网实现的，比如说Google翻译。这款产品能待机300个小时左右，在通话模式下可维持8小时左右。
编辑点评：便携翻译机的优势非常明显，当然，它也是有缺点的，比如：它的存在会让大家学外语的动力大打折扣。
“取色神器”让你成为调色专家
产品介绍：生活中我们偶尔会看到一些非常喜欢的颜色，但是多数情况下都不知道它是由哪几种颜色调配出来的。这时，一款名为Nix的智能手机配件就派上用场了，用户只需要打开它，对准并贴近目标，然后点击手机应用里面的“Capture”按钮，短短的几秒内，用户即可在手机应用上获得相应的颜色和编码。值得一提的是，这款应用还提供了导购服务。当用户刚扫完一种颜色，如果用户想购买同色的物料（比如说油漆），只需点击一下屏幕上的搜索按钮，应用便会在地图上标出相应的购买地点。据悉，目前这款产品的应用目前兼容iOS和Anroid设备，该团队希望他们的产品Nix最终成为一个简单易用的科学级取色仪器。
编辑点评：对于设计师、艺术家和画家等人来说，他们可以借助这个配件调出更精准色彩，使作品更为逼真。即使是不懂艺术的普通人，借助于Nix也可以成为调色专家。
穿戴式医疗设备 篇3
对心血管疾病的早期诊断和检测一直是医学界的研究的热点问题。1957年Holter动态心电图的发明, 给心脏病疾病患者带来了福音。在传统的心电监测设备中, 通常使用线缆来传输数据, 线缆连接到专用的处理设备进行处理, 患者需佩戴全套设备才可以接受监测治疗。这些设备, 在一定程度上提高了患者突发心脏病的检出率。但是其体积与复杂度, 限制了其在心脏病早期诊断的应用。随着现代电子技术的发展与成熟, 类似于心电信号的小信号的检测传感器集成度提高, 为便携式的心电监测带来了更多的可能。本文采用美国神念公司的BMD101芯片作为心电信号采集传感器, 并且通过n RF51822蓝牙芯片技术将数据上传到Android或Windows上位机进行数据处理和心电图显示。可穿戴技术的采用, 使得系统的体积大大减小, 同时拥有友好的人机界面, 符合现阶段关于可穿戴设备的要求。同时在设计时充分考虑低功耗需求, 在软件和硬件层面联合降低功率。
一、系统的组成与原理
可穿戴式心电监测终端的总体结构如图1所示。分为传感器模块, 蓝牙处理器模块, 和上位机部分。人体心电信号通过两片电极片采集后, 经过低通滤波器消去运动或皮肤震颤产生的高频干扰进入BMD101芯片。在芯片内部采集的模拟心电信号经过芯片内部的模拟前端, 滤波, 放大, 模数转换后进入数字处理阶段。在数字处理中, 将工频干扰消除, 并经过带通滤波器, 通过心率算法将心率算出后, 原始的心电数据和心率将通过串口输出。n RF51822芯片内部集成了MCU和蓝牙模块。采集的心电数据被串口读取后, 经过处理后在OLED上显示出来, 同时也会通过蓝牙发送出去。在电脑或安卓手机的接收端接收了蓝牙信号后, 可将蓝牙转为串口读出, 将数据再次滤波处理并显示出来。
二、硬件设计
2.1传感器部分
弱电传感器应包含, 前置滤波, 高增益放大, 陷波滤波等部分。本文采用的BMD101是美国神念公司专为心电生物信号采集开发的片上系统, 集成了模拟前端和数字后端, 功能强大。其模拟前端集成高增益的线性低噪声放大器和高精度模数转换器, 极低的系统噪声和可控的增益使其可以采集微伏到毫伏级的生物信号。内置50Hz或60Hz陷波滤波器可对心电监测的最大干扰源工频干扰进行过滤。而芯片的封装仅为3X3mm。且无需外围电路, 特别适用于可穿戴式的设计。但由于是小信号处理, 需对模拟地和数字低进行严格的区分以减小干扰。在电源部分加入PI型滤波以减小电源的纹波干扰。同时由于是穿戴式设计, 佩戴者运动产生的高频信号对信号的采集有较大的干扰, 可在电极到传感器间加入截至频率100Hz左右的低通滤波器。电源部分电路和前端低通滤波器如图2所示。
2.2蓝牙处理器模块
蓝牙透传具有低功耗, 传输速度快的特性。n RF51822是Nordic公司生产的一款功能强大、高灵活性的多协议的超低功耗的片上系统 (Soc) , 包含一个32位ARM Cortex-M0CPU。非常适用于Bluetooth低功耗和2.4GHz超
低功耗无线应用。BMD101芯片串口发出的心电信号进过n RF51822芯片读取后, 根据神念官方提供的数据包解包方式进行解包。提取出心率数据, 和512Hz的心电采样数据。处理后通过SPI接口在OLED显示器上显示出来。同时串口数据通过蓝牙转发出去。n RF51822内部集成的DC-DC转换器和ADC可以控制和检测锂电池电压。可以将电池的实时电压情况反馈出来。在上位机中只需要将检测设备作为蓝牙串口读取即可。
三、软件设计
3.1下位机程序设计
下位机程序主要完成心电数据包解包, 电源电压采样, OLED显示, 蓝牙转发。为了实现OLED显示和电源电压采样使用了两个定时器。定时器1按照刷新频率刷新显示心电波形, 定时器2按照采样频率对电池的电压采样。心电数据解包按照给出的操作手册, 一步一步进行解包提取。其程序流程图如图3所示。
3.2上位机程序设计
上位机程序在Microsoft Visual Studio集成开发环境下编程。其内部集成的丰富的函数库和开发例程提供了友好的开发环境。在官方操作手册帮助下, 根据其提供的API接口即可方便的访问USB串口。无需编写复杂的硬件驱动。使得开发难度大大降低。在IDE中调用Think Gear串口数据解析器API可对心电数据包进行解析。将解析出的原始数据通过Bresenham算法以描绘直线的方法绘制出来即为ECG波形。根据简洁易用的原则, 设计了一款友好的的人机交互界面。功能涵盖有串口选择, 实时心率显示, ECG波形绘制, ECG数据存储。
Andriod手机的上位机程序在android studio下开发完成。在Think Gear SDK的帮助下, 可以方便的对心电数据包进行读取和解析, 同时将串口得到的数据用Surface View绘制ECG波形图。Surface View可以直接从内存或者DMA等硬件接口取得图像数据, 因此大大减小了系统设计难度。上位机效果图如图4和图5所示。
本方案基于的BMD101和n RF51822均为低功耗高集成度soc。所需的外围芯片很少, 终端结合电池和电极片仅为10g。其采用80m AH锂电池以512Hz采样率可连续工作5天以上。硬件电路的周全考虑, 将可能的噪声降至最低, 佩戴者可以在大多数情况下得到实时的心电监测。系统结构简单实用, 抗干扰能力强, 可以适应于各种复杂情况监测。
参考文献
[1]杨凯, 丛林, 胡文东, 徐文涛, 惠铎铎, 宋博.基于BMD101的嵌入式无线心电监测系统[J].电子技术应用.2014 (01)
[2]余冠成, 赵晓东, 俞乾, 张云鹏, 陈骁, 王守岩.超低功耗智能移动心电监测设备[J].传感器与微系统.2015 (03)
[3]Neuro Sky.BMD101Product Brochure-1_1[DB/OL]. (2012-05-29][2013-07-4].www.neurosky.com.cn.
[4]Neuro Sky, BMD101 Integration Reference Design/Schematic[2012-06-14].www.neurosky.com.cn
[5]岳蜀华, 王美涵, 郭飞, 孟兆辉, 白净.可穿戴式无线心电监测仪的研究现状[J].生物医学工程与临床.2006 (04)
穿戴式医疗设备 篇4
从目前曝光的谷歌眼镜开发者版来看，其所具备的功能无非是连接互联网、收发邮件、拍照、查看谷歌地图等等，诸如此类功能在智能手机、平板电脑上早已实现。但可穿戴式设备不同于便携式设备的意义在于，它是与人的身体紧密融合在一起的，直接延伸和加强人的能力，也就是说它是一件增强现实型信息处理设备，就像是将科幻片中的人类科技梦想搬进了现实。
很多粉丝对谷歌眼镜给予厚望，不过同时也不乏质疑的声音。一些体验过谷歌眼镜的玩家表示，谷歌眼镜还缺少可以展现其技术潜力的杀手级应用，自身重量、电池续航能力、散热等方面也不尽如人意。谷歌眼镜不支持任何3G频率，外出时需要借助手机上网，因此现在还无需担心其会对智能手机行业造成任何冲击。
如果要谈谷歌眼镜对智能手机等终端产品行业的影响还为时尚早的话，谷歌眼镜对上游关键零部件产业的影响却非常值得关注。根据最新的报道，谷歌眼镜拥有分辨率640×360的头盔式显示系统、500万像素的摄像头、骨传导音频传感器，支持Wifi和蓝牙网络。从谷歌眼镜的配置来看，未来微投影显示、骨传导耳机、语音识别等等都可能因可穿戴式设备而得到大的发展。可穿戴式设备将有力促进视听技术和计算技术的变革，上游产业有望从中获益。
今年年初，有报道称Google已经申请了“具备骨传导扬声器的可穿戴式电脑装置”的专利。这项技术能够将声音通过佩戴者的头骨传导至听觉神经，在这个过程中，不需要使用到耳朵，因此使用者既能清晰地听到系统声音，同时耳朵也不至于被堵塞，仍可听到外部声音。近年来，骨传导技术发展很快，骨传导蓝牙耳机、骨传导助听器等逐渐兴起，未来谷歌眼镜无疑为骨传导技术开辟了一个崭新的市场。
头盔式显示系统是谷歌眼镜的核心，这从谷歌将其命名为Project Glass（投影眼镜）就可以看出来。在LCD、DLP和LCOS三大投影技术阵营中，LCOS是最适用于头盔微显示的技术。有关报道显示，谷歌已收购了台湾芯片制造商奇景光电旗下的液晶显示器部门立景光电6.3%的股权，以帮助后者扩大硅芯片和模块的生产规模。立景光电是全球领先的LCOS设计和制造商，其开发的头戴型显示器成为谷歌眼镜的主要配件。在成熟的LCD、DLP技术的打压下，LCOS一直没能成为投影机的主流技术，发展得不温不火。谷歌眼镜这种头戴式显示设备的兴起，或许将为LCOS产业提供千载难逢的打翻身仗的机会。
当电子产品不断做得更加精巧时，如何进行人机交互就成为一个大问题。电容式触控屏技术实现了用手指操控，无需实体键盘，从而节省出宝贵的屏幕空间。如果说苹果iWatch还勉强可以继续采用触控方式的话，完全没有触控面板的谷歌眼镜的大量操作将只能依赖语音识别技术。Nuance作为Siri背后的技术支持商，在全球市场迅速扩张，市场份额已达75%。而中文语音市场上，则是科大讯飞莫属，此外还有中科信利、捷通华声等一批有实力的语音技术引擎商。虽然以Siri为代表的语音输入功能已经在智能手机上实现，但对于手机而言，语音识别依然只是带有娱乐性质的辅助输入法。而对于可穿戴式设备，语音识别将是主要输入技术，对识别灵敏度、准确性以及智能程度的要求显然不可相提并论。因此，未来语音识别产业也将因可穿戴式设备迎来突破式发展。
微投影显示、骨传导耳机、语音识别这些上游产业对可穿戴式设备的重要性不言而喻。就如同苹果在开发iphone的同时就着手电容触控屏等关键零部件的布局一样，Google也非常重视对上游产业的掌控。从谷歌入股立景光电、迅速申请相关专利等中可以看到，谷歌不仅在技术和产品理念上领先，在专利布局、供应链的掌控、商业运作上也牢牢占据优势地位。一旦可穿戴式设备市场兴起，谷歌可以轻易地将其他竞争者甩在身后。
穿戴式医疗设备 篇5
据了解, 咕咚手环能支持运动提醒, 还可通过记录睡眠, 在最理想的时刻将佩戴者唤醒。用户可将该手环穿戴在手腕上, 24小时监测每天活动量及睡眠情况。此款手环还与百度云结合, 用户可以把运动手环中所记录的数据实时汇总到百度云端, 随时记录察看。
作为咕咚手环的开发方, 咕咚网并无大规模的硬件基础, 而是通过借助百度云的大数据量处理、高并发支撑、及安全存储、可伸缩等特性, 对这一智能穿戴式设备进行研发。
据透露, 咕咚手环6月初起将在咕咚网官方商城和天猫旗舰店发售。用户可以在咕咚网上进行数据承载、展示, 并可在社交网站上进行分享。当处于运动模式时, 该手环能24小时记录佩戴者的活动情况, 以里程、步数和卡路里为单位, 令佩戴者明晰一整天内, 运动了多少距离, 消耗了多少卡路里, 为热衷减肥和运动的用户提供了实时监测服务。
切换至睡眠模式时, 除了能监测睡眠质量, 手环还将根据使用者睡眠深浅状态, 在应该叫醒的时间段中的浅睡状态下通过震动来唤醒佩戴者。
知情人士透露, 未来咕咚网与百度云合作还将深入, 蓝牙体重秤、蓝牙自行车码表等一系列手机智能配件将会陆续推出, 而这些配件都需要移动APP的支持以及云存储服务支持。业界人士分析, 智能穿戴式设备是传统硬件、新交互技术 (语音、手势识别、眼球识别、骨传导等技术) 与云应用服务的结合体, 基础架构、产品能力往往会迁移到云端, 利用云服务、多屏云端同步来实现。
NFC在安防领域的应用:数码钥匙
近距离无线通信 (NFC) 是一项适用于门禁系统的技术, 这种近距离无线通信标准能够在几厘米的距离内实现设备间的数据交换。NFC还完全符合管理非接触式智能卡的ISO标准, 这是其成为理想平台的一大显著特点。通过使用配备NFC技术的手机携带便携式身份凭证卡, 然后以无线方式由读卡器读取, 用户只需在读卡器前出示手机即可开门。据研究机构IHSi Suppli预测, 2015年, 制造商将出厂约5.5亿部支持NFC的手机。
NFC虚拟凭证卡的最简单模式就是复制现行卡片内的门禁原则。手机将身份信息传递给读卡器, 后者又传送给现有的门禁系统, 最后打开门。这样, 无需使用钥匙或智能卡, 就可提供更安全、更便携的方式来配置、监控和修改凭证卡安全参数, 不仅消除了凭证卡被复制的风险, 而且还可在必要时临时分发凭证卡, 若丢失或被盗也可取消凭证卡。
新一代智能卡技术的发展, 使得企业能够通过将门禁和电脑桌面登录整合到单一的身份识别平台, 来保护设施、人员和资产。这种集成多应用的门禁解决方案不仅可用于传统的证卡和读卡器, 还将用于移动设备 (包括手机) 。这些手机使用无线近距离通信 (NFC) 技术来接收及出示以往寄存在非接触式智能卡的虚拟凭证卡, 实现开门、电子支付和安全读取数据等应用。
NFC移动访问设备具有智能特性, 能够验证个人身份信息和其他相关访问规则, 从而降低了未来对门禁读卡器 (及门锁的智能性和连接功能的要求。此外, NFC手机将通过使用加密的安全通信发送认证信息至读卡器, 实现门禁的控出准入。这个过程中, 读卡器只是需要解读用于开门的加密命令。—读卡器或锁具未来可免连接到控制面板或服务器, 显著降低读卡器或锁具的部署成本。
穿戴式多媒体系统 篇6
多媒体通信系统在人们的生活中正在扮演着越来越重要的角色,而笔记本式计算机、智能手机等多媒体终端产品的功能也随人们应用需求的提高而日趋强大。现在很多新型的智能手机集影音播放、语音通信、网络浏览等诸多功能于一身,还可用于拍照、摄像或视频监控等,应用前景十分广泛。
但是传统的手持式电脑或手机等多媒体系统也有其自身的局限性,那就是这些多媒体系统都假定产品的使用均是用双手操作的常规工作和生活环境。对于一些特殊的环境,如太空舱中的失重环境,战场侦查、交通指挥或高空攀爬等特定环境,无法腾出手来进行繁琐的多媒体设备操作。另外,在载人飞船或空间站环境,或地面高速运动的火车、地铁、汽车上,受震动或晃动的影响,人长期观看一个较小的屏,其视觉会产生不适。虽然有人提出并设计了穿戴式计算机系统[1,2,3],但要么未能提供有效的音视频采集处理等多媒体通信功能,要么应用于医疗领域,都难以满足多媒体通信领域的应用要求。
基于以上原因,笔者等人设计并开发了一款穿戴式多媒体信息系统。该系统通过将多媒体信息采集、显示、处理、操控、通信等设备或部件进行穿戴式的设计和集成,针对性地解决失重、移动等环境下多媒体终端设备的固定、携带、人机交互等问题,为此类环境下多媒体通信和娱乐提供了有效的解决方案。具体来说,穿戴式多媒体系统以头戴式帽子(多媒体头盔)和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。使用者在穿戴该套服装后,就可利用该服装携带的设备进行可视电话、视频会议、影视播放、网络浏览、远程监控、游戏、电子图书阅览等操作。
与传统的笔记本式计算机或智能手机多媒体终端相比,穿戴式多媒体系统至少具有以下优势:
1)系统采用可穿戴式服装多媒体结构,突破传统多媒体终端结构形式(笔记本式计算机或手机),有利于解放用户双手,并充分利用人体工效学原理,克服震动对视觉以及失重对握力等的影响,改善人机交互环境。
2)系统采用WiFi或3G无线接入,克服了用户使用多媒体设备时线缆对活动空间的限制。同时,整个系统也不受设备空闲/繁忙的限制,不受使用地点和场所的限制,随时随地可用于通信、上网和多媒体娱乐。
3)开发了高度集成的嵌入式多媒体平台和软件。系统使用基于SoC的单芯片加上Android开源软件的嵌入式平台方案,提高了系统的集成度和稳定性,降低了功耗,减少了硬件成本。
2 穿戴式多媒体系统组成
穿戴式多媒体系统由穿戴式多媒体外设、多媒体服务器主机(或多媒体网关)和电源模块,以及连接它们的服装式线缆网络(简称为服装通信网络)组成(如图1所示)。
多媒体外设包括眼镜式微投影液晶显示器、头戴式摄像头、耳机/传声器(麦克)、腕式遥控器等,实现音视频信号的采集、显示,以及控制信号的输入。
多媒体服务器采用嵌入式设计,利用高性能的多媒体SoC芯片,集成存储器、WiFi或3G无线网络接口、SD卡接口、音视频等多媒体采集模块,以及时钟、电源等模块,封装于专门设计的可固定于服装口袋内的结构内。多媒体主机作为穿戴式多媒体系统的大脑,主要负责音视频信号的编解码等处理,以及V2IP等多媒体通信功能,因此也可称为服装多媒体网关。
遥控器集成触摸板/屏和键盘、2.4 GHz无线收发器等,直接与多媒体服务器通信,为用户提供易于操作和携带的人机接口设备。电源系统由一个专用电池盒供电,集成可充电的锂电池模块,提供直流5 V,12 V等双电源输出,负责整个系统的电源供给。
服装通信网络通过埋设在服装内的通信、电源等线缆及连接器等,将多媒体外设(如眼镜式显示器等)与多媒体服务器、电源等连接起来;通信线缆网络的设计,以确保设备放置便捷牢靠、线缆连接集约简洁为原则。穿戴式多媒体与局域网、骨干网等外部网络的接入,则可通过多媒体服务器的WiFi模块,实现高速接入。
穿戴式多媒体系统主机采用嵌入式SoC和Android SDK开发平台[4],实现的功能包括可视通信(带有语音电话、可视电话)和视频会议、视频拍照和摄像、网络浏览和流媒体点播、本地存储卡音乐或影视播放、游戏等。
系统支持G711a/u,H.264等音视频编解码标准,最大支持VGA(640×480@30帧/s)分辨率的全双工实时音视频通信,以及SIP,RTSP,UDP/IP,TCP/IP等通信与网络协议,具备IEEE802.11a/g WiFi网络接口。
3 穿戴式多媒体系统软硬件平台
穿戴式多媒体系统核心处理平台包括硬件平台和软件平台两部分。硬件平台采用了目前市场上Freescale的一款性能先进、集成度高、接口丰富的多媒体SoC芯片i.MX27,该芯片包含一个主频400 MHz的ARM926EJ-S嵌入式处理器[5]、一个视频处理单元VPU,以及丰富的接口资源,如存储接口、数据传输和控制接口、系统调试和安全接口等。基于该处理器的软硬件系统协同工作,用以实现音视频的采集、编码、解码、显示等多媒体信息处理,以及网络收发传输、协议实现、外设管理等主控功能,该芯片配备外围的音视频数据采集模块、音视频编解码模块、无线WiFi传输模块、以太网接口模块、SD存储模块、电源模块、时钟模块等,可进行音视频数据的输入、编解码、存储、输出,终端系统的命令融合、操作控制以及网络数据的传输。系统硬件原理框图如图2所示。
如图2所示,该系统硬件平台主要包括中央处理模块、媒体处理模块、存储模块、外围接口模块、电源管理模块等。
中央处理模块是整个硬件系统的核心,基于Freescale的i.MX27多媒体处理器开发设计;媒体处理模块主要完成音视频的采集和播放,以及视频的前置和后置的处理;存储模块用于存放运行的程序和数据,以及系统的Bootloader、内核镜像和文件系统等;外围接口模块包括以太网接口、串口、USB键盘等,用于网络传输、与PC机通信等;电源管理模块则负责为系统稳定的供电。
媒体处理模块完成音视频的采集解码与编码输出。来自头戴式摄像头的视频通过AV IN接口送入视频采集解码芯片TVP5150,解码后的视频信号送入中央处理模块i.MX27进行压缩编码传输等处理;CH7024芯片负责将i.MX27解码输出的视频数据进行编码,通过AV OUT接口输出到眼镜式显示器等外设,进行视频的呈现。来自传声器的音频则通过WM8974进行编解码处理。
用户人机操作采用无线键盘鼠标或触摸屏。系统主机还支持SD卡数据存储。与网络通信的接口为无线WiFi或10 M/100 M以太网。此外电源模块提供整个终端系统中各模块需要的直流电平。
系统软件平台在SoC提供的DDK基础上,开发基于Linux和Android的嵌入式多媒体应用软件(如图3所示),以满足该多媒体终端可视电话、会议、上网和媒体播放等功能。软件的开发在Eclipse IDE中用Java语言开发,Android平台提供了大量的应用接口以及丰富的SDK开发包,具有开发速度快、便于理解和移植的特点。
基于Linux+Android操作系统,在图3所示的软件平台上,采用多线程等技术,设计开发和集成了可视电话[4]、可视会议、视频播放器、音乐播放器、网络浏览器等丰富的功能软件,为用户提供多媒体通信与娱乐等服务。具体包括:
1)可视电话:基于SIP协议,实现两人端到端的IP可视电话,在VGA(640×480)@25帧/s下实现全双工的音视频通信,具备电话薄等主要功能,其软件架构与主程序流程图如图4、图5所示[4]。
2)视频会议:支持基于MCU(通信服务器)的多点会议,可实现多人的IP可视会议。
3)媒体播放:实现提供本地音乐、电影、电视等多媒体节目的播放功能。
4)流媒体点播:提供流媒体点播服务,支持HTTP,RTSP等流媒体传输协议,支持mp4等格式的视频和mp3等格式音频的在线点播。
5)Internet浏览:提供网络浏览器,支持Internet等网络浏览及下载等服务。
6)其他功能软件。
4 服装多媒体网络及其外设选择
如前文所述,穿戴式多媒体系统是以头盔式帽子和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。具体来说,穿戴式多媒体服装系统可划分为头戴部分、服装部分以及它们之间的缆线连接(如图6所示)。头戴部分在头盔上集成了摄像头、耳麦和眼镜式液晶显示器,是整个系统的输入输出设备。服装部分在夹克上集成了多媒体终端盒、电源盒和遥控器,负责视音频信号的处理,控制指令的发送、处理以及网络数据的传输。整个系统通过内部缆线连接,进行数据通信。
头戴式摄像头是穿戴式多媒体服装系统的视频输入设备,用来采集用户视频信息。采集的视频信号通过缆线传输到多媒体终端盒,进行进一步的信号处理和显示。系统根据结构设计需求对头戴式摄像头选型,使其满足看前方、看自己等空间上灵活设置的要求。头戴式耳麦是穿戴式多媒体服装系统的音频输入输出设备,负责采集用户语音信息以及播放音频信号。头戴式耳麦在选型上轻便、小巧,易于经常佩戴和摘取。眼镜式液晶显示器是系统的音视频输出端,显示由多媒体终端盒输出的视频信号,包括影片、控制交互菜单以及视频等信息。该显示器是美国VUZIX公司推出的一款眼镜式微投影液晶显示器,具有高清的LCD显示效果(45 in(1 in=2.54 cm)以上),并集成耳机。其显示效果相当于距用户3 m处1.7 m宽的屏幕的显示质量。
系统服装网络将优质、柔韧的电缆缝制在衣服上,方便设备的通信连接和穿戴式集成。通过在线缆的节点设置小巧可靠的连接器(放置在口袋内),一方面将头戴式摄像头、眼镜式显示器等集成在头部的外设线缆,集成为连接器的公头;另一方面,将多媒体主机、电源盒之间的连接线,集成连接到连接器母头上。连接器母头放置在上衣口袋内,用于衔接头部外设与连接线缆的插拔连接,便于设备拆卸。在服装口袋内、设备外套上采用了特定的粘接和固定措施。遥控器属于无线设备,不需要线缆连接,因此只需要设计一个口袋,在不用时穿戴。多媒体盒和电源盒属于常用设备,固定安装在手容易接触到的位置,方便用户的操作,并留有线缆连接插口。
5 应用及结束语
穿戴式多媒体系统在载人航天等方面具有广阔的应用前景。系统自主开发实现的可视电话、视频会议、多媒体娱乐和网络浏览点播功能可以在不同层面解决宇航员的工作和休闲需求。在解放宇航员双手的基础上,可视电话实现宇航员终端之间或宇航员终端与地面终端之间的通信,包括单纯语音通信以及视频通信;视频会议使多宇航员之间或多个宇航员和地面终端之间的联络成为可能,而流媒体点播、网络浏览和影音播放等功能可以让宇航员在工作之余适时地娱乐,放松神经,缓解压力。
同样,系统可转为警用,为交通警察、安防队员和侦查兵等特种行业提供穿戴式多媒体信息设备和服务。这类特殊职业人群可在装备穿戴式多媒体系统前提下,无需双手作业完成通信、侦查、信息交互等任务,并可针对各自工作特点提供对应的个性化服务。
摘要：介绍了一种可穿戴式多媒体系统。和常用的手持式电脑或手机相比,穿戴式多媒体利用人体工效学原理设计的头戴式耳麦、眼镜式显示器和摄像头部件、腕表式触控屏、服装网络及多媒体通信网关,可有效克服由于失重或手持不便等应用场合的限制,适合在失重环境、野战环境或手工作业条件下应用。
关键词：穿戴式,多媒体系统,SoC,Android平台,可视电话
参考文献
[1]刘宏伟,杨孝宗,曲峰,等.可穿戴计算机多媒体任务处理技术研究[J].计算机工程与应用,2003,39(2):34-36.
[2]刘骊.基于可穿戴计算平台的医疗监护系统研究与开发[D].西安:西北大学,2008.
[3]彼得森三世.可穿戴的计算机和服装系统:中国,CN01142503.2[P].2001-11-27.
[4]邵长彬.嵌入式V2IP设计及监控视频多流传输研究[D].上海:上海交通大学,2011.
穿戴式智能计步器设计 篇7
关键词：计步器,仰卧起坐陪练器,MSP430F149,MPU6050,卡路里消耗
随着人们生活水平的提高和对健康情况的重视,步行作为一种最常见且有效的锻炼方式被广泛使用。计步器作为一种常用的锻炼设备也有了飞速的发展。从最开始的2D机械计步器,然后发展到以加速度传感器为核心的电子计步器,到现在更为集成化的智能手环,计步器的精度大幅提高,体积大幅缩小,用户体验也逐渐优化[1,2,3]。
本文旨在在前人设计经验的基础上开发一套精度较高且便携的智能计步器系统。同时采用Android智能手机作为计步器系统上位机,提升用户体验。用户可通过Android智能手机实时获得运动信息。特别地,系统融入了仰卧起坐陪练器功能,实现了系统功能多样化,充分利用了软硬件资源[4,5]。
1 系统总体设计
1. 1 系统工作原理
本智能陪练器融合了仰卧起坐陪练和计步两种功能,由下位机和安卓智能手机组成。下位机主要包括单片机最小系统、加速度传感器、蓝牙模块和锂电池供电模块。在下位机端,MCU上电后系统处于功能选择模式,默认为计步器模式。功能切换是利用上位机进行的,上位机通过蓝牙模块发送功能切换指令,由下位机的蓝牙模块接收指令,通过单片机识别指令,进行功能切换[6,7,8]。
下位机工作时,首先用加速度传感器进行数据采集,然后在MCU中进行数据处理。MCU首先对采集数据进行滤波,然后根据不同的锻炼功能采用相应的运动姿态识别算法。单片机根据算法进行数据计算,获得实时的运动效果数据。最后由蓝牙模块将处理后的数据发送至手机客户端,在手机上显示并存储运动数据[9,10,11]。
1. 2 系统总体结构框图
系统采用模块化设计,主要包括锂电池供电模块、传感器模块、蓝牙模块和安卓上位机。
如图1 所示,MSP430 作为核心处理器,第一个作用是接收加速度传感器的数据并进行处理; 第二个作用是与安卓上位机进行数据传输与交互,其间的数据交互通过蓝牙模块实现。值得注意的是,蓝牙模块并不是直接与Android上位机进行数据传输的,而是通过与Android智能机本身的蓝牙模块进行数据传输的[12]。
MSP430 发送的数据是经过单片机算法处理后的结果,上位机反映这些结果并将这些结果显示在Android界面中; 而Android发送给430 的数据主要是指锻炼功能切换指令。锂电池模块充当电源作用,本设计的工作电压为3. 3 ~ 3. 7 V。
2 硬件设计
2. 1 MCU方案
设计采用TI公司的16 位超低功耗单片机MSP430F149 作为主控芯片。430 在设计中接收加速度传感器数据,处理数据并将数据传输到蓝牙模块实现与Android上位机通信的功能。
2. 2 加速度传感器模块方案
系统使用MPU6050 加速度传感器采集人体运动信息。MPU6050 具备三轴加速度传感器和三轴陀螺仪。内部具备16 位ADC,输出量为数字信号。同时功耗较低[13]。
2. 3 蓝牙模块方案
蓝牙模块作为上下位机通信的桥梁。单片机通过下位机蓝牙模块与Android智能手机的蓝牙模块进行数据传输。
设计采用HC - 06 串口蓝牙模块作为下位机蓝牙模块。该蓝牙模块具有体积小、功耗低、外围电路简单的优势。同时,模块具备内置天线,用户无需自行调试天线。该蓝牙模块采用HCI接口设计,即蓝牙模块与单片机的连接只需要利用单片机的一个串口即可[14]。
2. 4 锂电池供电方案
系统采用锂电池进行供电。系统的额定电压为3. 3 V。蓝牙模块,加速度传感器以及MSP430 均为低电压供电。锂电池选用自带充电保护电路的3. 7 V锂电池,容量为2 100 m Ah。在充电时,只需将5 V电源直接连接锂电池的正负极即可。经过电池实测,系统运行正常。
2. 5 PCB设计
本设计采用双层电路板。成品电路板如图2 所示。在进行PCB设计时,着重考虑如下几点: ( 1) 在PCB设计时,考虑到本设计并不使用单片机片内ADC,因此模拟地和数字地不加区别,设计时定为同一电位; ( 2) 为调试的方便,PCB另外加入JTAG口,在成品阶段可移去JTAG口减小体积; ( 3) 设计使用的无极性电容和电阻全部使用0805 封装,目的也是为了减小系统体积; ( 4) 值得注意的是,由于蓝牙模块属于高速电路,因此在设计PCB时将蓝牙模块尽量靠边排布,并尽可能远离电源。为了达到更稳定的效果,采用了双层铺地。PCB实物图如图3 所示; ( 5) 为了方便系统调试,设计除了可单锂电池供电,还另外引出5 V和3. 3 V两个电源端; ( 6) 考虑调试和维护的需要,核心芯片封装设计为直插式,方便布线。
3 软件设计
3. 1 姿态判别算法设计
3. 1. 1 仰卧起坐姿态检测原理
MPU6050 传感器模块可佩戴于腰腹处,根据其与人体的关系,传感器模块的轴方向如图3 所示。检测当前三轴的加速度从而确定人体的姿态。假设传感器的Y轴与人体脊椎平行,而Z轴正方向为人体正前方,则在人体平躺时,Az= 1g,Ay= 0g,其中g为重力加速度; 相对的,当人体竖起时,Az= 0g,Ay= 1g。假设人体与水平夹角为X度,用角度分量分析,则Az=gcos X,Ay= gsin X; 反之,通过对应轴上的加速度也可确定X。以上即为依靠加速度判定人体姿态的原理[15,16]。
3. 1. 2 仰卧起坐能量消耗判据
运动消耗的热量可通过式( 1) 计算
其中,m为练习者质量; a为运动加速度; t为运动时间。在MCU进行处理时,可选定自由选定 Δt,进行累加运算以得出锻炼者消耗的卡路里。通过式( 1) 计算得到仰卧起坐过程中人体消耗热量的估算值,练习者以此为参考来衡量运动效果。
3. 1. 3 计步器步数判别原理
在人体平稳行走过程中,人体垂直加速度和前向加速度有着较为明显的周期性规律。在本设计中,系统充当计步器时不规定放置角度,则检测步数时就不能以单轴数据作为判据。根据三轴耦合关系,A = Ax+Ay+ Az作为一个判据,当A随着步态出现明显周期性变化时,即可用A作为步态判据。
3. 1. 4 原始数据滤波算法
在实际使用情况下,加速度传感器输出数据的波形会出现抖动和毛刺,解决办法就是滤波。本设计考虑的滤波算法是滑动均值滤波算法。滑动均值滤波算法是对近N次采样数据做一个平均处理,因运算的数据总是近N次数据,因此可认为其是实时的。从直观上,取均值的算法可有效削弱尖峰和毛刺的影响。不仅如此,滑动均值滤波法是一种不损失采样点的数字滤波算法。滑动均值滤波算法实现软件滤波,MSP430能满足其运算要求,参与运算的数据是最新的N个采样数据,因此具有较好的实时性能。值得注意的是,对于长度为N的选择不能过长也不能过短,过短则起不到较好的滤波作用; 若过长,则有较大的延时,实时性变差,波形幅值过于平坦。文中经过实际测试发现N的取值在5 ~ 8 时,滤波效果较好。
3. 2 Android上位机程序设计
本设计自定义了一个圆形进度条控件作为核心显示控件,圆形进度条动态地显示用户完成任务的进度。在实现自定义控件时,需要用到Canvas控件。要在画布上绘制出一定尺寸的圆环,以及字母和数字。而进度的表示则是通过圆环的填充进行,在完成一定程度的锻炼后,会以一种与原本有区别的颜色覆盖相应的圆环区域,达到显示进度的效果。制作好的UI界面,如图4 所示。
3. 3 客户端运行流程
安卓客户端软件运行流程,如图5 所示。在打开APP后,软件首先会检测本地蓝牙设备,若智能手机的蓝牙正常启动,那软件会自动打开蓝牙,若本地蓝牙设备有故障,则APP会弹出无法检测到蓝牙的提示。如果检测蓝牙失败,用户可重启APP尝试重新检测。
在蓝牙打开后,点击APP界面中的连接按钮,稍后会弹出一个检测到的外部蓝牙设备的列表。在设计中连接HC - 06 这个下位机蓝牙模块,若运行正常,APP会提示用户连接成功。
在连接成功后,默认启动计步器功能,用户佩戴下位机步行时,APP会同步实时显示步数。
在需要进行仰卧起坐锻炼时,点击切换按键,下位机会进入仰卧起坐模式。这时用户进行仰卧起坐运动时,仰卧起坐的运动数据同样会显示在上位机上。用户可按下保存按键,以保存本次运动结果。
4 实验测试与数据分析
系统供电电压为3. 3 V,PCB中额外具有5 V电源端,这样做的好处是: ( 1) 方便使用5 V电源进行调试;( 2) 作为锂电池模块的充电端,在需要充电时,将锂电池接5 V电源端即可。PCB的下端是蓝牙模块,使用表贴封装; 右上方为MPU6050 模块,采用直插式封装;MSP430F149 采用转接板封装。左下方是复位按键和JTAG口,整个下位机系统的尺寸约为8 cm × 7 cm。
MSP430 系统采用JTAG进行仿真与程序的烧录。进行上位机与下位机联合测试,在用户手持移动终端,而将下位机系统佩戴于身上或者置于口袋内时,蓝牙模块将测试结果发送到手机。
计步器功能的实验测试: 佩戴下位机系统步行,实测效果如表1 所示。
仰卧起坐功能的测试: 仰卧起坐是一种规范动作,其计数精度主要取决于被试者的动作是否规范。将下位机固定在腰间,在动作规范的前提下,一组测试结果如表2 所示。
从原理上讲,仰卧起坐动作的准确度应为100% ,但由于传感器摆放位置的差异,被试者动作过快可能会导致波形偏离阈值,而引起漏计。另外,若采样率较低,则这样的误差会更频繁发生。
通过表1 和表2,观察到仰卧起坐的记录精度比较好,然而计步器的效果相对并不理想。本文判断计步器系统的误差主要来源于计步算法的误差,步行实际波形的复杂性,系统可能会出现多记或漏记的情况。
在进行多次的修改后,发现改进后的动态阈值法还是峰谷值判别法,均不能使精度达到理想值。通过查阅器件手册发现,问题出在传感器的采样率上。20 Hz的采样率完全满足采样定理,但对于步行这种不确定的,较为复杂的波形信号,在细节的体现上会显得不足。对这样的信号即使采取小波分析也难以达到理想效果。通过实验比较,发现在115 200 bit·s- 1的情况下,传感器能够以100 Hz的采样率进行数据采集。重新计算并配置了430 的UART1 串口,使其波特率从9 600 bit·s- 1变为115 200 bit·s- 1。同时通过上位机修改了传感器的采样率,使得采样率达到100 Hz。
在不修改计步算法程序的前提下,进行了另一组测试,测试结果如表3 所示。
计步精度有了明显提升,能较准确地记录步数。
功率测试: 对串联电流表进行实验观测,得到电流平均为60 m A。实测在2 100 m Ah锂电池供电下,可稳定运行超过12 h。在整个系统中最耗费电流的是蓝牙模块,在技术不断发展的当今,蓝牙模块也会逐渐向低功耗化发展,功耗将进一步降低。
5 结束语
穿戴式医疗设备 篇8
来自市场研究公司IDC的数据显示, 2014年可穿戴设备的出货量将超过1900万部, 到2018年出货量将达到1.119亿部, 年复合增长率达到78.4%。在发展趋势以及市场容量的双重作用下, 三星、索尼、谷歌、苹果、果壳、咕咚、海尔、小米等众多中外企业纷纷进军可穿戴设备领域, 一时间智能手环、手表、眼镜等可穿戴设备纷纷涌现。
就在整个业界以及部分市场机构对可穿戴设备发展前景表示乐观的同时, 部分业界人士却表达了担忧。当前市场机构统计的基本上是企业的出货量, 而非面向消费者的销量, 这其中很可能存在着市场容量被虚夸的情况, 可穿戴设备真正要走向普及还必须经过市场检验。
对此, 美国媒体《赫芬顿邮报》撰文称, 当前可穿戴设备的确存在着电池续航不足、尺寸厚重、不够时尚、功能局限等普及障碍。综合来看, 这种障碍主要集中在两个层面:一是技术尚待进一步完善, 需要解决功耗、设备互联通信等难题;二是用户体验不足, 需要增加用户体验产品的触点以增强用户认知。
针对这些阻碍可穿戴设备普及的问题, 相关企业已经展开了积极探索, 像三星、索尼等企业都已经在体验店中展出了相关可穿戴设备。但对大多数企业来讲, 布局体验店的成本相对较高, 况且很多可穿戴设备企业都是初创企业, 相对单一的产品线也不可能大规模布局体验店。正是因为这些原因, 当前行业性展会成为可穿戴设备真正走进用户的重要平台。
当前中国已经全球最大的消费电子市场, 随着海尔、百度、360等企业不断强化在可穿戴设备领域的战略布局, 中国可穿戴设备市场也迎来了新的发展机遇, 这吸引着全球可穿戴设备企业纷纷谋求拓展中国市场。
亚太地区专业的消费电子类展会中国国际消费电子博览会 (简称SINO-CES) 主办方表示, 在中国市场的吸引下, 全球可穿戴设备企业均积极进军中国, 并对参与展会表现出极高的热情。为此, 2014年SINOCES专门开设了移动互联及可穿戴设备展区, 届时谷歌眼镜、智能健康手环、智能手杖、智能手表、意念猫耳等产品都将悉数亮相。同时, 为了增强这一展区的体验性, 组委会还专门组织了定时的模特走秀, 更方便人们感受到智慧生活带来的颠覆变化。
在确定参展的产品中, 最受人关注的便是当前业界最热的谷歌眼镜以及意念猫耳等创新产品。谷歌眼镜作为可穿戴设备的开创者, 一直引领着整个产业的创新趋势, 集合了导航、相机、蓝牙耳机等多种功能于一身, 实时信息可以通过显示屏显现, 只要眨眨眼就能完成拍照上传、查询路况等操作。意念猫耳则是一款可感知人情绪的设备, 通过运用Neuro Sky (神念科技) 的脑电波技术, 它可以体现出佩戴者的心情, 并随着人类情绪起伏做出相对应的表示性动作。
穿戴式医疗设备 篇9
尝鲜与虚荣并存的消费心理
作为一个新兴的IT硬件品类，有望成为智能穿戴设备代表的智能手表对于喜欢追求新奇事物、偏爱科技的年轻人士的确具有很大吸引力，尝鲜成为推动这类消费者购买智能手表的主要原因。不过如同科技公司不愿意花费太多资源在“试错”环节一样，大多数消费者同样不愿意为尝鲜花费太多资金，为满足这样消费心理的需求，智能手表制造厂商往往得降低产品售价，以谋求扩大销量和市场份额，但低售价意味着低毛利率，这对于新兴产品领域而言可行性并不高。
除开尝鲜，虚荣恐怕将成为绝大多数智能手表消费者不太愿意承认的消费心理。在这方面，笔者更愿意将虚荣心分为男人和女人两方面来讲。手表本身对于男人而言，往往象征着生活品位和地位，但又有多少男人能有机会戴着劳力士、百达翡丽？相比拥有名表，拥有一块智能手表的成本和门槛明显低很多，且被赋予高科技和智能光环之后，智能手表往往能凭借其初上市的新鲜感，让拥有者成为亲友中间关注的焦点。女性消费者对于智能手表的虚荣心反而会弱于男性消费者，相比应用功能和品牌，女性消费者往往看重智能手表的外观设计，其更希望拥有一个带有科技气息的新奇配饰，这对于一些初创品牌而言或许是不错的机会，毕竟工业设计在难度和门槛方面低于技术门槛。
消费者对智能手表真的有非买不可的需求吗？答案恐怕并不是智能手表从业者希望见到的。除开查看时间，智能手表本身能为用户提供的从多媒体音乐、通话到文本数据查看，很多时候在应用功能上会被大多数人理解为智能手机的简化，当前智能手表的确在信息传递上都是以简讯的形式通知用户，其后仍然需要用户掏出手机查阅详细信息。如果始终都要掏出智能手机查看，那何不直接用手机查看？抬起手腕的动作并不比掏出手机简单多少，智能手表本身在应用方向上有着平台化的趋势，难以避免地要同智能手机形成竞争关系，如此一来智能手表走平台化发展的路线会首先受到来自智能手机的压力。
放弃平台化应用，走专用、单一功能，智能手环更适合这样的应用定位，专注单一应用虽然能帮助产品快速找到市场消费者，但用户黏性低、恶性价格竞争、同质化严重等问题又会随之而来。当智能手表本身平台化功能还有所欠缺时，其更多将以智能手机配件的身份出现在消费者的实际应用需求中，以此满足消费者实际应用需求。
穿戴式医疗设备 篇10
2012年6月, Google Glass首次亮相, 一石激起千层浪。在智能手机和平板电脑的大战中, Google Glass以眼镜的形式问世, 算得上是另辟蹊径。同时, 它的发布也宣告了可穿戴设备的黄金时代终于到来:世界各地的开发者纷纷投身其中, 为它开发应用;商业大佬们更是斥巨资加紧研发可穿戴设备唯恐错过商机。毕竟, 以1500美元的高价仍能为顾客所接受, 给了市场很大的鼓励。
除开这些开发者、投资者, 还有一个行业也开始蠢蠢欲动——广告业。印度一家名为Tecsol Software的公司针对可穿戴设备推出了广告引擎服务。千禧媒体公司 (Millennial Media Inc) 和吉普公司 (Kiip Inc) 都已加入寻找可行的穿戴式广告技术, 欲将这种可穿戴设备打造成新一代的营销平台。
正如移动广告工具开发商In Mobi副总裁兼营收与运营主管阿图尔·萨蒂贾 (Atul Satija) 所说:“任何带屏幕的设备都有着令人关注的商机。”即使小到手表表盘这样的方寸之地, 也逃不过广告主们注意。
1 可穿戴设备中的广告设想
1.1“精准”是吸引广告主的首要原因
提到广告投放, 有一个词是永远绕不过去的:“精准”。就像没有人愿意做无用功, 每一个广告主也都希望自己的广告投放给真正有可能购买自己产品的人。也因此, 当人们习惯了每日早餐后一份报纸的时候, 报纸的版面一直是抢手货;而当手机开始流行, 短信广告也风光一时;直到现在, 新媒体时代, 网路广告占据广告预算的很大一部分。精明的广告主最擅长计算投入与产出的成本, 这使得他们必须时刻关注自己的受众在关注的东西, 时刻了解他们的受众在接收的信息, 恨不得能够时刻监视自己受众的生活, 以求投放最能吸引他们的广告。
而智能化可穿戴装备恰恰具备以上的这些需求。可穿戴设备时刻跟踪用户信息, 记录用户的身体状态 (心速、脉搏、血脂等) 、地理位置 (GPS) 、甚至是正在进行的动作 (身体感应定位或者人机交互) 。如此一来, 广告主就可以根据受众的具体情况投放广告:向正处于运动状态的用户推送一条运动饮料的广告, 或者向心律不齐的用户推荐一位医生或者心脏病的特效药……这种广告的精确程度是现有的广告传播媒介所不能具有的, 可穿戴设备所展现的营销机遇主要在于其拥有富有价值的独特数据, 同时可进行提取加工分析, 并据此提供更加细致的客户信息, 让广告主、营销者有了更新更好的方式来将信息精确推到消费者面前。与当前广告方式最大的不同, 在于智能穿戴时代的广告更精准、更隐秘, 这对移动营销具有重大意义。[1]
1.2 受众态度转变:不仅对广告说yes, 还要please
从目前的情况来看, 可穿戴设备并不会止步于智能手表或者眼镜, 可穿戴技术的未来, 是隐形化、是变没有。这种隐性化是非常彻底的“消失”, 智能芯片会直接植入我们的身体, 与我们自然地融为一体, 不要说小屏幕, 我们连它在哪里都不知道。而此时, 我们的广告该在哪里投放?事实上, 彼时, 将不再是我们向受众推送广告而是受众向我们要广告。也就是他们不仅要对广告说Yes, 甚至是要主动的说Please。而且, 这种索取广告的过程, 将通过语音甚至是脑电波来实现。当你饿的时候, 你脑海中一个“想吃饭”的想法, 就可以带来各个餐馆的地址电话, 只等你一声令下, 他们就会以某种信息传递方式到达业主的订单中。这个时候, 广告在可穿戴设备中的投放, 就达到了一种神乎其神的效果, 广告主也能够变被动为主动, 只为想自己寻求广告信息的客户发布信息, 大大地提高广告投放的回报比。
当然这种想法只是一个美好的设想, 真正的可穿戴设备是否会向这个方向发展还是未知数, 但是, 跟随其发展时刻做出适合自己的广告投放方案, 将利益最大化, 是每个广告主希望看到的结果。
1.3“大而不当”和”细而不周”
我们前面提到, 可移动设备在大小上可以称得上是“方寸之地”, 甚至会越来越小, 直到“消失”。那么, 在其完全隐形之前, 我们的投放应该把握怎样的尺度呢?毕竟我们相信如果粗暴地用广告挤满了用户本来就不甚宽敞的手表屏幕或者眼前, 这个广告商绝对会招来反感。在这一方面, 谷歌眼镜虽已经有相关的广告投放专利, 但也还不敢轻易有所动作, 甚至曾当面否认不会考虑在谷歌眼镜上投放广告。他们的发言人称:谷歌不会将谷歌眼镜上应用软件中所产生的用户数据传输给任何广告主或者代理商, 这说明谷歌关于在智能穿戴设备上投放广告这一行为非常慎重, 然而从种种迹象表明它又是最有可能会首先点燃可穿戴设备营销的这把火, 就像它引爆可穿戴设备、智能家居的概念一样。[1]谷歌在广告投放上的谨慎, 是出于用户体验和人机交互感受的合理思量, 现在看来是具有现实意义的。
智能可穿戴装备的运用可以更加全面和准确的跟踪用户信息带给用户良好体验的同时为广告主的广告投放带来精确定位, 可以说是在细节方面取胜。但是, 在这一过程中, 隐私问题不可忽视。对于置身其中的用户而言, 一方面渴望大数据时代给自己带来更为贴心便捷的服务;另一方面, 又时刻担忧自己的隐私安全遭受侵犯。这是伴随在智能化时代里, 一直没有得到良好解决的社会伦理问题。
2 结论
可穿戴设备在当下十分火热, 人们认为这将是未来生活的趋势。许多商业领袖们都将放弃传统的智能手机, 并且用可以永远在线的可穿戴设备取而代之。[2]随之而来的广告投放问题, 也应经引起了人们的关注和探讨。感谢科技的进步为广告也提供更加精准更加灵活的投放方式的同时, 广告对于用户的体验的影响以及受众对于隐私的担忧也应该引起广告主足够的重视。
参考文献
[1]陈根.方寸间的亿万金矿:当广告遇上可穿戴设备[EB/OL].梅花网[2015-07-16].