智能冰箱的健康管理系統(tǒng)

1、智能冰箱的健康管理系統(tǒng)呂秀鳳; 孟祥; 秦磊; 殷超; 周欣雨; 卞景富【期刊名稱】家電科技【年(卷),期】2019(000)005【總頁數(shù)】6 頁(P74-79)【關(guān)鍵詞】智能冰箱; 健康管理; 食材識(shí)別; 飲食推薦; 飲食管理; 指脈監(jiān)測(cè); 脈搏波血; 血氧飽和度; 健康報(bào)告【作 者】呂秀鳳; 孟祥; 秦磊; 殷超; 周欣雨; 卞景富【作者單位】合肥華凌股份有限公司 安徽合肥 230601【正文語種】中 文引言隨著生活水平的提高，人們更加關(guān)注飲食與健康。伴隨著家電智能化的高速發(fā)展， 冰箱除了具有存儲(chǔ)食材的基礎(chǔ)作用外，還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的健康數(shù)據(jù)，通過采集用戶的健康信息進(jìn)一步為用戶提供更具有

2、個(gè)性化的私人訂制飲食推薦，從而滿足人們對(duì)健康飲食更高的需求。智能冰箱的健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)智能冰箱的健康管理系統(tǒng)主要由冰箱系統(tǒng)、云端服務(wù)器、烹飪家電組成。冰箱系統(tǒng)包含 MCU、顯示板、Wi-Fi 模塊、冰箱控制元器件等。如圖 1 所示，健康采集系統(tǒng)通過串口與 MCU 通信，并固定在主板的側(cè)邊，與主板一起安裝在門體上，在冰箱的顯示屏側(cè)邊以文字圖案或燈光的形式進(jìn)行顯示。健康管理系統(tǒng)由多個(gè)采集傳感 器組成，借助光電手段在人體組織中無創(chuàng)檢測(cè)血液容積變化，精準(zhǔn)捕獲用戶的心率、脈搏、血氧飽和度、微循環(huán)、血壓及更多健康數(shù)據(jù)；通過云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析和 處理，顯示更多健康信息：血壓趨勢(shì)、呼吸頻率、心率變異

3、性、健康報(bào)告等，給予 建議并推薦飲食菜譜，通過冰箱控制和管理烹飪機(jī)烹飪食材，為用戶提供健康的生 活保鮮方式。本系統(tǒng)通過檢測(cè)指脈信息，監(jiān)測(cè)人體的健康狀況。指脈，即人體之間末端脈搏。傳 統(tǒng)的指脈波測(cè)量可以使用壓電傳感器，缺點(diǎn)是波形不穩(wěn)定，使用時(shí)需要做多次調(diào)整。而基于紅外光點(diǎn)傳感器的指脈檢測(cè)方法因其使用方便而且性能穩(wěn)定，在現(xiàn)有指脈測(cè) 量中得到了廣泛應(yīng)用，所以本系統(tǒng)選用一體化集成紅光紅外光雙 LED 的指脈傳感器，然后將采集到的指脈電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，整個(gè)電路采用二級(jí)運(yùn)放和二階低通有源濾波器實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的放大和濾波。如圖 2 所示為指脈采集模塊的實(shí)物圖，如圖 3 所示為指脈采集模塊的硬件框圖，系

4、統(tǒng)穩(wěn)定可靠1。軟件流程設(shè)計(jì)智能冰箱的健康管理系統(tǒng)，通過采集用戶的指脈信息，為用戶生成健康檢測(cè)報(bào)告， 報(bào)告的生成流程示意如圖4 所示。系統(tǒng)確認(rèn)是否連接健康采集器，若設(shè)備未就緒，無法連接，則進(jìn)入連接界面，搜索設(shè)備并連接；當(dāng)成功連接健康采集器時(shí)，如圖 5 和圖 6 所示，進(jìn)入檢測(cè)界面，用戶通過界面操作輸入年齡段，并將手指放入指定監(jiān)測(cè)區(qū)域，保持一段時(shí)間不動(dòng)，檢測(cè)異常時(shí)，以界面提示和亮燈等方式提醒用戶重新檢測(cè)；采集健康信息并上傳至云端進(jìn)行分析處理，并回傳分析報(bào)告至主控系統(tǒng)，通過屏幕顯示健康報(bào)告，界面如圖 7 所示，云端的健康狀況部分說明如表 1 所示；用戶可查看飲食推薦和對(duì)應(yīng)的食譜，界面如圖 8 所示，

5、選中食譜后，選擇相應(yīng)的烹飪家電，開啟一鍵烹飪功能，界面如圖 9 所示；系統(tǒng)檢查是否連接相應(yīng)的烹飪機(jī)，連接完成后，開始按照菜譜上的設(shè)置流程進(jìn)行自動(dòng)烹飪；烹飪結(jié)束后冰箱屏端彈框提示烹飪完成。烹飪家電系統(tǒng)，設(shè)置在云端服務(wù)器，通過設(shè)備端進(jìn)行操控，一般包含常見的智能家電，例如：電飯煲、煙機(jī)灶具、微波爐、烤箱/蒸箱、洗碗機(jī)等。通過智能冰箱端選擇某個(gè)菜譜后，根據(jù)菜譜中火候、時(shí)長和工作狀態(tài)等自動(dòng)設(shè)置煙機(jī)灶臺(tái)、電飯煲、微波爐、烤箱/蒸箱等烹飪家電的工作狀態(tài)，無需人為一步步選擇操控。同時(shí)，云端根據(jù)選擇的菜譜自行設(shè)置洗碗機(jī)的工作難易程度。以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從健康飲食管理到廚房家電管理的整個(gè)健康管理系統(tǒng)流程。該健康 管理

6、系統(tǒng)結(jié)合時(shí)令、人群、體質(zhì)特征、身體狀況等多維度進(jìn)行營養(yǎng)分析，提出合理 的改善建議、進(jìn)補(bǔ)食材及菜譜推薦；根據(jù)食材消耗定期生成營養(yǎng)膳食分析，智能推 送營養(yǎng)搭配并附上烹飪教程；對(duì)冰箱內(nèi)的食材進(jìn)行智能搭配，同時(shí)生成營養(yǎng)菜譜。 系統(tǒng)提供智能保鮮、過期提醒、短缺食品提醒、食材自動(dòng)組合菜譜等食品管理功能， 隨時(shí)掌握食材的合理使用時(shí)機(jī)；同時(shí)本系統(tǒng)搭建食品在線商城，精選海量優(yōu)質(zhì)食材、半成品凈菜等，足不出戶就能下單買生鮮，方便快捷，好貨直接送到家。仿真實(shí)驗(yàn)與關(guān)鍵性問題探討仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及說明本系統(tǒng)通過檢測(cè)指脈信息，監(jiān)測(cè)人體的健康狀況，可以檢測(cè)的數(shù)據(jù)包含上述的心率、脈搏、血氧飽和度、微循環(huán)、血壓等，下面以脈搏波的實(shí)驗(yàn)

7、數(shù)據(jù)為例做進(jìn)一步說明。圖 1 健康管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖圖 2 健康采集模塊圖 3 指脈采集模塊框圖脈搏信號(hào)是表征人體生理狀態(tài)信息的生理信號(hào)。脈搏信號(hào)是在血液循環(huán)過程中產(chǎn)生的，隨著心臟節(jié)律性地收縮與舒張，造成心臟血液貯存量的變化，血液由左心室射入動(dòng)脈血管，造成動(dòng)脈管壁相應(yīng)的擴(kuò)張與收縮，在皮膚表面的動(dòng)脈上明顯感覺到血管搏動(dòng)，稱之為脈搏3。因此，脈搏信號(hào)可以看成人體心血管系統(tǒng)內(nèi)部活動(dòng)在皮膚表面的外在反映，脈搏波特征反映了人體心血管系統(tǒng)生理狀態(tài)信息，脈搏信號(hào)是 心血管系統(tǒng)血液循環(huán)過程中各種生理參數(shù)的綜合表征參量，如血管彈性與外周阻力、血流量以及血管阻塞程度等。對(duì)脈搏信號(hào)客觀準(zhǔn)確的檢測(cè)和特征分析是脈搏波研

8、究 的關(guān)鍵，可以幫助臨床診斷心血管系統(tǒng)疾病，以及生活中對(duì)中老年人群心血管系統(tǒng) 的健康監(jiān)測(cè)，對(duì)脈診的發(fā)展有著重要的臨床意義4。圖 4 健康報(bào)告流程示意圖 5 健康檢測(cè)界面示意 1 圖 6 健康檢測(cè)界面示意 2 圖 7 健康報(bào)告界面示意圖 8 飲食推薦界面示意追溯脈搏波研究發(fā)展史，無論是醫(yī)學(xué)家還是其它領(lǐng)域的科學(xué)家都曾研究過脈搏波， 極大地促進(jìn)了脈學(xué)的發(fā)展。他們究其根源探究脈搏的產(chǎn)生過程，建立模型來模擬脈搏波。英國物理學(xué)家牛頓于 1700 年率先論證了動(dòng)脈血管的彈性腔理論5；18 世紀(jì) 30 年代斯蒂文哈爾斯開創(chuàng)性地建立了動(dòng)脈管系模型6；弗蘭克于 1899 年提出了循環(huán)系統(tǒng)彈性腔理論7，并構(gòu)建了動(dòng)脈

9、血管的彈性腔模型；本世紀(jì)初 Ursino 和 Magosso 提出了研究的新思路，建立心血管系統(tǒng)模型，探索了在缺氧以及有氧運(yùn)動(dòng)的情況下心血管系統(tǒng)的生理反應(yīng)8，而后他們又對(duì)此模型加以改進(jìn)，研究了心血管系統(tǒng)的心率變異性9，生理因素如何影響心率變化；清華大學(xué)的白凈等人建立的心血管系統(tǒng)模型10，研究加速應(yīng)力下心血管系統(tǒng)的各種生理病理現(xiàn)象。 為了確定五個(gè)手指的脈搏波檢測(cè)效果是否有所不同，實(shí)驗(yàn)選取五位測(cè)試者五個(gè)手指的指尖脈搏波，測(cè)試方向?yàn)檎颍鐖D 10 和圖 11 所示，展示了其中兩個(gè)測(cè)試者的五個(gè)手指的脈搏波數(shù)據(jù)11，其中黑色為大拇指、藍(lán)色為食指、紫紅為中指、綠色為無名指、紅色為小拇指。分析所采集的脈搏

10、波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)五位測(cè)試者指尖脈搏波幅值最大的手指各不相同，但其中無名指與小拇指的脈搏波特征較為明顯。綜合以上因素，小拇指置于健康管理系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)效果最佳，因此在實(shí)際檢測(cè)中，可以引導(dǎo)用戶盡量以小指進(jìn)行檢測(cè)。如圖 12 的仿真數(shù)據(jù)所示，左側(cè)為病人A 的數(shù)據(jù)，右側(cè)為病人 B 的數(shù)據(jù)；左上為 A 的心電圖，左下為 A 的脈搏波，右上為 B 的心電圖，右下為 B 的脈搏波。兩名客戶均監(jiān)測(cè)出心率異常現(xiàn)象，且都屬于心臟早搏。經(jīng)簡單分析發(fā)現(xiàn)，在 A 和B 的心電圖波形中，都是在心臟規(guī)律跳動(dòng)過程中出現(xiàn)了一次早跳，同時(shí)延后了下一次心臟搏動(dòng)，對(duì)比脈搏波波形也能準(zhǔn)確反映出這一現(xiàn)象。表 1 健康狀態(tài)說明表名稱 介紹 單

11、位 人群 范圍 等級(jí)說明 出現(xiàn)癥狀 出現(xiàn)癥狀的原因 建議 94-99 正常 血氧飽和度血液樣品中氧含量對(duì)該樣品血液最大氧含量的百分比百分比 成人 小于 94 氧供應(yīng)不足重度低氧會(huì)出現(xiàn)心臟驟疼或者嚴(yán)重腦細(xì)胞損害。低氧時(shí)會(huì)出現(xiàn)代償性心率加速，心搏及心排血量增加，循環(huán)系統(tǒng)以高動(dòng)力狀態(tài)代償氧含量的不足。經(jīng)常鍛煉，避免二手煙，適當(dāng)減肥；吃富含花椰菜和菠菜等綠葉蔬菜的健康飲食，避免由于貧血造成血氧不足。健康人或無心臟問題的人也會(huì)發(fā)生早搏，叫做良性早搏，可能跟精神緊張和疲勞有關(guān)。但是如果在 24 小時(shí)內(nèi)達(dá)到上千次早搏現(xiàn)象就很可能有心腦血管相關(guān)問題，通過健康管理系統(tǒng)檢測(cè)出心率異常后，健康管理系統(tǒng)就會(huì)發(fā)報(bào)告預(yù)警

12、并建議用戶去醫(yī)院檢查。醫(yī)療資源有限且心臟相關(guān)問題在就醫(yī)檢查時(shí)剛好出現(xiàn)癥狀才會(huì)被準(zhǔn)確診斷的問題亟待解決，而在冰箱上的健康管理系統(tǒng)的脈搏波監(jiān)測(cè)可以很容易完成對(duì)早搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以預(yù)防疾病發(fā)生或提前預(yù)警。對(duì)于有相關(guān)心臟疾病的人，如果在監(jiān)測(cè)過程中頻繁監(jiān)測(cè)到早搏現(xiàn)象，通過相關(guān)算法可以評(píng)估出患者在治療或者恢復(fù)的過程中效果很差，甚至有病情惡化的情況，健康管理系統(tǒng)會(huì)建議馬上就醫(yī)。除了心臟早搏，脈搏波還可以通過波形細(xì)節(jié)分析其他的心率異常，包括心衰、二聯(lián) 律、四聯(lián)律、心動(dòng)過速、心動(dòng)過慢、心率失常等，配合無創(chuàng)檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，就能更好地發(fā)揮脈搏波的醫(yī)用價(jià)值。血氧飽和度與健康關(guān)系的探討再以血氧飽和度（SPO2）為例

13、，如表 1 中所示，臨床檢測(cè)血氧飽和度是常見之事。血氧飽和度，指的是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白 HbQ2 的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白 Hb 容量的百分比，即血液中血氧的濃度，主要用來檢測(cè)是否缺氧。當(dāng)成人氧供應(yīng)不足時(shí)，系統(tǒng)顯示會(huì)出現(xiàn)的癥狀、原因并給出建議，再結(jié)合這些建議和用戶信息以及冰箱食材向用戶推薦針對(duì)性菜譜。但是，血氧飽和度并不能即時(shí)反映外源性氧的中斷。一旦發(fā)生上呼吸道梗阻或窒息，如果此時(shí)的氧分壓很高（大于100），血氧飽和度并不能反映體內(nèi)氧分壓的下降趨勢(shì)或者速度，所以如果想了解更多的健康檢測(cè)信息，還需要配合其他設(shè)備做進(jìn)一步檢測(cè)。圖 9 智能烹飪界面示意4 結(jié)論本文介紹的應(yīng)用于智能冰箱的

14、健康管理系統(tǒng)為都市人群忙碌的生活提供便捷，采用較為前沿的技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的健康問題并及時(shí)給出具有合理性的飲食和健康檢測(cè)等相關(guān)建議，該系統(tǒng)推向市場(chǎng)容易被大眾接受。但是智能冰箱的健康管理系統(tǒng)要想真正為用戶帶來實(shí)用性并普及到千家萬戶還需要很長的路，同時(shí)要面臨用戶信息及時(shí)獲取、食材自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率提升、冷凍室食材自動(dòng)識(shí)別、用戶個(gè)人隱私保密等技術(shù)難題。任何技術(shù)的發(fā)展都有個(gè)循序漸進(jìn)的過程，在技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程中，不但需要對(duì)消費(fèi)需求進(jìn)行引導(dǎo)，更需要企業(yè)踏踏實(shí)實(shí)做技術(shù)、做創(chuàng)新。圖 10 實(shí)驗(yàn)者 A 的五個(gè)手指的脈搏波圖 11 實(shí)驗(yàn)者 B 的五個(gè)手指的脈搏波圖 12 波形圖解說明-心臟早搏參考

15、文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】萇飛霸，尹軍. 一種便攜式多生理參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)M.重慶：計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2015,23(7):2575.萇飛霸，尹軍，張和華. 一種基于智能終端的人體心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014,27(3):289-292.黃世林. 中醫(yī)脈象研究M.北京:人民衛(wèi)生出版社,1995.趙思儉. 中醫(yī)脈診學(xué)M. 天津:科學(xué)技術(shù)出版社,1990.李朝陽. 基于 PPG 信號(hào)的 Windkessel 模型修正及參數(shù)估計(jì)D.杭州:浙江大學(xué)，2007.許瑞慶. 脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其信號(hào)處理算法研究D.南京:南京信息工程大學(xué)，2008.牛英勃. 人體脈搏信號(hào)檢測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D.秦皇島:燕山大學(xué)，2009.Ursino M,Magosso E. Acute cardiovascular response to isocapnic hypoxia. II. Model validationJ.Ajp Heart & Circulatory Physiology,2000,279(1):166-75.Ursino M,Magosso E. Role of short-term cardiovascular regulation in heart period variability: a modeling studyJ.Ajp Heart &