旅游随身健康终端系统设计

黄岑宇，蔡婷婷

(江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏 镇江 212016)

随着电子信息技术的快速发展，各种可穿戴智能健康终端逐渐走进人们的生活，为人们提供日常的基本健康监测。与此同时，旅游业蓬勃发展、亮点频出。国内游市场实现平稳增长，出境游市场持续较快发展，入境游市场实现超预期增长。《2016年中国旅游业统计公报》显示，国内旅游为44.4亿人次，入境旅游为1.38亿人次，中国公民出境旅游达1.22亿人次[1]。旅游已成为大众最普通的休闲方式。现有的健康终端一般设计为根据生理参数异常信息及时调整旅行计划或医疗计划[2]，仅考虑了常规的人体健康指标监测，鲜有对外界环境的监测，也未充分考虑用户使用健康终端时不同运动状态下的相关参数差异。鉴于此，笔者设计了一种旅游随身健康终端，可以进行生理监测、环境监测、运动状态监测，结合GPS模块设计，为用户提供相关指标监测及预警服务。

1 整体组成

旅游随身健康终端外形构造为手环或手表状，硬件模块组成如图1所示，包括中央处理模块、传感监测模块、触摸屏模块、音频模块、GPS模块、通信模块、电源模块。其中，中央处理模块分别与其他模块连接以控制它们。中央处理模块的主控MCU采用低功耗单片机ARM Cortex-M0内核蓝牙SOC。

图1 整体硬件模块组成

旅游随身健康终端系统主要软件功能模块包括紧急呼叫模块、语音服务模块、通用功能模块、智能功能模块、人体运动状态监测模块、生理及环境监测模块。可以实现的主要功能：

1) 紧急呼叫。

2) 语音控制。

3) 通用功能：时间显示、闹钟提醒、日程安排。

4) 智能功能：防丢功能和伙伴关系功能。

5) 实时监控用户运动情况：运动状态(乘车、睡眠、静坐、跑步、游泳、爬山、走路)、步数、里程、卡路里消耗。

6) 实时监控用户生理状况：心率、体温。

7) 实时进行环境监测：紫外线强度、甲醛浓度、二手烟浓度、PM2.5指数。

2 硬件功能模块

2.1 传感监测模块

传感监测模块包括生理监测模块、环境监测模块、人体运动状态监测模块。

生理监测模块包括心率传感器和温度传感器，二者均设置于用户的手臂皮肤处。心率传感器采用可穿戴设备上常用的心率测量方式——光电容积描记法(PPG)，手臂血管中的血液密度变化导致透光率的改变，光敏传感器能够承受手臂肌肤的反射光，感测光场强度的改变，并换算成心率。温度传感器用于监测用户手臂体表的温度(一般比身体实际温度低5～10 ℃)变化。生理监测模块将采集到的用户心率和温度监测信息传送至中央处理模块。

环境监测模块包括紫外线传感器和空气质量传感器，监测项目包括紫外线强度、涂料甲醛浓度、二手烟浓度[3]。空气质量传感器为TGS8100。环境监测模块将上述监测信息传送至中央处理模块。中央处理模块通过手机APP等实时同步PM2.5指数。

人体运动状态监测模块包括三轴加速度传感器、陀螺测试仪、湿度传感器。人体运动状态监测模块将采集的信号传送至中央处理模块以判断用户的运动状态：乘车、睡眠、静坐、跑步、游泳、爬山、走路等，此外，可实现步数、里程和卡路里消耗统计。

2.2 触摸屏模块

触摸屏模块用于相关数据的显示、接受用户的输入操作。显示的内容包括生理监测(用户的心率、温度)、环境监测(紫外线强度、涂料甲醛浓度、二手烟浓度、PM2.5指数)、运动状态、运动信息(步数、里程、卡路里消耗)、相关提示信息，用户的输入操作包括参数的设置、紧急呼叫等[4]。

2.3 音频模块

音频模块包括扬声器、麦克风、DSP处理芯片(分别与扬声器和麦克风连接)。扬声器受中央处理模块的控制，在必要时发出警报提示。DSP处理芯片对麦克风传输来的音频信号进行编码与解码，并将处理后的音频信号传送至中央处理模块，以便识别语音命令做出响应。

2.4 GPS模块

GPS模块用于定位用户的地理位置，并将信息传送至中央处理模块，以便中央处理模块推送旅游信息、判断用户运动状态。

2.5 通信模块

通信模块通过蓝牙通信方式与用户手机等便携式设备进行数据传输交换[5]。

2.6 电源模块

电源模块采用太阳能电池或可充电锂电池，为以上各模块供电。

3 软件功能模块

3.1 通用功能模块

通用功能模块包括时间显示、闹钟提醒、日程安排。嵌入式系统采用时钟芯片(RTC)/日历芯片计时，会导致累积误差，必须定期校准。图2为通用功能模块实现的具体步骤。

图2 通用功能模块实现步骤

3.2 智能功能模块

智能功能模块包括防丢功能和伙伴关系功能，实现的具体步骤见图3。在防丢和伙伴关系配置程序中将用户的健康终端与其手机进行蓝牙配对。

在防丢功能模式下，通过实时监测蓝牙信号，判断健康终端与本人随身携带的手机之间的距离，如果超出预定范围，则在触摸屏上显示警报信息，并调用音频模块中的扬声器发出相应的警报提示。根据GPS模块获取的地理位置信息推送相应的旅游信息，主要有用户当前所在景区的地理位置、景点介绍、天气预报、旅游注意事项等。

在伙伴关系功能模式下，通过实时监测蓝牙信号，判断伙伴关系的成员之间的距离，如果超出预定范围，则在触摸屏上显示警报信息，并调用音频模块中的扬声器发出相应的警报提示； 若有寻呼请求，伙伴关系成员之间还可以通话。

图3 智能功能模块实现步骤

3.3 生理及环境监测模块

生理及环境监测模块用于实时监测用户生理状况、环境质量，判断人体运动状态，进行合理预警[6]。利用生理监测模块采集用户的心率和温度信息，利用环境监测模块采集紫外线强度、涂料甲醛浓度、二手烟浓度、中央处理模块实时同步的PM2.5指数，通过触摸屏显示。任一个数据超出正常范围，则通过触摸屏显示警报信息，并调用扬声器发出警报提示。

3.4 紧急呼叫和语音服务模块

紧急呼叫和语音服务模块的启动均响应于用户的相应输入。紧急呼叫模块可以调用通信模块连接手机呼出紧急求助电话，语音服务模块可以调用音频模块检测用户的语音输入并执行相应的功能。

3.5 人体运动状态监测模块

人体运动状况监测模块用于实时判断用户的运动状态，统计相关数据。图4为人体运动状态监测模块实现的具体步骤。

图4 人体运动状态监测模块实现步骤

4 结束语

旅游随身健康终端系统的设计包含常规人体健康指标监测和环境监测，并充分考虑用户在使用健康终端时不同运动状态下的相关参数差异，可以为用户提供准确的状态判断和预警服务。为保证信息采集的有效性和安全性，采集系统吸收先进传感器、网络、信息技术的最新研究成果。由于采集信息数据量大，有效的数据处理和数据挖掘方法成为日后研究的重点。