智能冰箱的健康管理系统

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1、智能冰箱的健康管理系统吕秀凤; 孟祥; 秦磊; 殷超; 周欣雨; 卞景富【期刊名称】家电科技【年(卷),期】2019(000)005【总页数】6 页(P74-79)【关键词】智能冰箱; 健康管理; 食材识别; 饮食推荐; 饮食管理; 指脉监测; 脉搏波血; 血氧饱和度; 健康报告【作 者】吕秀凤; 孟祥; 秦磊; 殷超; 周欣雨; 卞景富【作者单位】合肥华凌股份有限公司 安徽合肥 230601【正文语种】中 文引言随着生活水平的提高，人们更加关注饮食与健康。伴随着家电智能化的高速发展， 冰箱除了具有存储食材的基础作用外，还可以实时检测用户的健康数据，通过采集用户的健康信息进一步为用户提供更具有

2、个性化的私人订制饮食推荐，从而满足人们对健康饮食更高的需求。智能冰箱的健康管理系统设计硬件设计智能冰箱的健康管理系统主要由冰箱系统、云端服务器、烹饪家电组成。冰箱系统包含 MCU、显示板、Wi-Fi 模块、冰箱控制元器件等。如图 1 所示，健康采集系统通过串口与 MCU 通信，并固定在主板的侧边，与主板一起安装在门体上，在冰箱的显示屏侧边以文字图案或灯光的形式进行显示。健康管理系统由多个采集传感 器组成，借助光电手段在人体组织中无创检测血液容积变化，精准捕获用户的心率、脉搏、血氧饱和度、微循环、血压及更多健康数据；通过云端进行大数据的分析和 处理，显示更多健康信息：血压趋势、呼吸频率、心率变异

3、性、健康报告等，给予 建议并推荐饮食菜谱，通过冰箱控制和管理烹饪机烹饪食材，为用户提供健康的生 活保鲜方式。本系统通过检测指脉信息，监测人体的健康状况。指脉，即人体之间末端脉搏。传 统的指脉波测量可以使用压电传感器，缺点是波形不稳定，使用时需要做多次调整。而基于红外光点传感器的指脉检测方法因其使用方便而且性能稳定，在现有指脉测 量中得到了广泛应用，所以本系统选用一体化集成红光红外光双 LED 的指脉传感器，然后将采集到的指脉电信号进行放大、滤波处理，整个电路采用二级运放和二阶低通有源滤波器实现脉搏信号的放大和滤波。如图 2 所示为指脉采集模块的实物图，如图 3 所示为指脉采集模块的硬件框图，系

4、统稳定可靠1。软件流程设计智能冰箱的健康管理系统，通过采集用户的指脉信息，为用户生成健康检测报告， 报告的生成流程示意如图4 所示。系统确认是否连接健康采集器，若设备未就绪，无法连接，则进入连接界面，搜索设备并连接；当成功连接健康采集器时，如图 5 和图 6 所示，进入检测界面，用户通过界面操作输入年龄段，并将手指放入指定监测区域，保持一段时间不动，检测异常时，以界面提示和亮灯等方式提醒用户重新检测；采集健康信息并上传至云端进行分析处理，并回传分析报告至主控系统，通过屏幕显示健康报告，界面如图 7 所示，云端的健康状况部分说明如表 1 所示；用户可查看饮食推荐和对应的食谱，界面如图 8 所示，

5、选中食谱后，选择相应的烹饪家电，开启一键烹饪功能，界面如图 9 所示；系统检查是否连接相应的烹饪机，连接完成后，开始按照菜谱上的设置流程进行自动烹饪；烹饪结束后冰箱屏端弹框提示烹饪完成。烹饪家电系统，设置在云端服务器，通过设备端进行操控，一般包含常见的智能家电，例如：电饭煲、烟机灶具、微波炉、烤箱/蒸箱、洗碗机等。通过智能冰箱端选择某个菜谱后，根据菜谱中火候、时长和工作状态等自动设置烟机灶台、电饭煲、微波炉、烤箱/蒸箱等烹饪家电的工作状态，无需人为一步步选择操控。同时，云端根据选择的菜谱自行设置洗碗机的工作难易程度。以上设计实现了从健康饮食管理到厨房家电管理的整个健康管理系统流程。该健康 管理

6、系统结合时令、人群、体质特征、身体状况等多维度进行营养分析，提出合理 的改善建议、进补食材及菜谱推荐；根据食材消耗定期生成营养膳食分析，智能推 送营养搭配并附上烹饪教程；对冰箱内的食材进行智能搭配，同时生成营养菜谱。 系统提供智能保鲜、过期提醒、短缺食品提醒、食材自动组合菜谱等食品管理功能， 随时掌握食材的合理使用时机；同时本系统搭建食品在线商城，精选海量优质食材、半成品净菜等，足不出户就能下单买生鲜，方便快捷，好货直接送到家。仿真实验与关键性问题探讨仿真实验数据及说明本系统通过检测指脉信息，监测人体的健康状况，可以检测的数据包含上述的心率、脉搏、血氧饱和度、微循环、血压等，下面以脉搏波的实验

7、数据为例做进一步说明。图 1 健康管理系统硬件架构图图 2 健康采集模块图 3 指脉采集模块框图脉搏信号是表征人体生理状态信息的生理信号。脉搏信号是在血液循环过程中产生的，随着心脏节律性地收缩与舒张，造成心脏血液贮存量的变化，血液由左心室射入动脉血管，造成动脉管壁相应的扩张与收缩，在皮肤表面的动脉上明显感觉到血管搏动，称之为脉搏3。因此，脉搏信号可以看成人体心血管系统内部活动在皮肤表面的外在反映，脉搏波特征反映了人体心血管系统生理状态信息，脉搏信号是 心血管系统血液循环过程中各种生理参数的综合表征参量，如血管弹性与外周阻力、血流量以及血管阻塞程度等。对脉搏信号客观准确的检测和特征分析是脉搏波研

8、究 的关键，可以帮助临床诊断心血管系统疾病，以及生活中对中老年人群心血管系统 的健康监测，对脉诊的发展有着重要的临床意义4。图 4 健康报告流程示意图 5 健康检测界面示意 1 图 6 健康检测界面示意 2 图 7 健康报告界面示意图 8 饮食推荐界面示意追溯脉搏波研究发展史，无论是医学家还是其它领域的科学家都曾研究过脉搏波， 极大地促进了脉学的发展。他们究其根源探究脉搏的产生过程，建立模型来模拟脉搏波。英国物理学家牛顿于 1700 年率先论证了动脉血管的弹性腔理论5；18 世纪 30 年代斯蒂文哈尔斯开创性地建立了动脉管系模型6；弗兰克于 1899 年提出了循环系统弹性腔理论7，并构建了动脉

9、血管的弹性腔模型；本世纪初 Ursino 和 Magosso 提出了研究的新思路，建立心血管系统模型，探索了在缺氧以及有氧运动的情况下心血管系统的生理反应8，而后他们又对此模型加以改进，研究了心血管系统的心率变异性9，生理因素如何影响心率变化；清华大学的白净等人建立的心血管系统模型10，研究加速应力下心血管系统的各种生理病理现象。 为了确定五个手指的脉搏波检测效果是否有所不同，实验选取五位测试者五个手指的指尖脉搏波，测试方向为正向，如图 10 和图 11 所示，展示了其中两个测试者的五个手指的脉搏波数据11，其中黑色为大拇指、蓝色为食指、紫红为中指、绿色为无名指、红色为小拇指。分析所采集的脉搏

10、波数据，发现五位测试者指尖脉搏波幅值最大的手指各不相同，但其中无名指与小拇指的脉搏波特征较为明显。综合以上因素，小拇指置于健康管理系统进行检测时效果最佳，因此在实际检测中，可以引导用户尽量以小指进行检测。如图 12 的仿真数据所示，左侧为病人A 的数据，右侧为病人 B 的数据；左上为 A 的心电图，左下为 A 的脉搏波，右上为 B 的心电图，右下为 B 的脉搏波。两名客户均监测出心率异常现象，且都属于心脏早搏。经简单分析发现，在 A 和B 的心电图波形中，都是在心脏规律跳动过程中出现了一次早跳，同时延后了下一次心脏搏动，对比脉搏波波形也能准确反映出这一现象。表 1 健康状态说明表名称 介绍 单

11、位 人群 范围 等级说明 出现症状 出现症状的原因 建议 94-99 正常 血氧饱和度血液样品中氧含量对该样品血液最大氧含量的百分比百分比 成人 小于 94 氧供应不足重度低氧会出现心脏骤疼或者严重脑细胞损害。低氧时会出现代偿性心率加速，心搏及心排血量增加，循环系统以高动力状态代偿氧含量的不足。经常锻炼，避免二手烟，适当减肥；吃富含花椰菜和菠菜等绿叶蔬菜的健康饮食，避免由于贫血造成血氧不足。健康人或无心脏问题的人也会发生早搏，叫做良性早搏，可能跟精神紧张和疲劳有关。但是如果在 24 小时内达到上千次早搏现象就很可能有心脑血管相关问题，通过健康管理系统检测出心率异常后，健康管理系统就会发报告预警

12、并建议用户去医院检查。医疗资源有限且心脏相关问题在就医检查时刚好出现症状才会被准确诊断的问题亟待解决，而在冰箱上的健康管理系统的脉搏波监测可以很容易完成对早搏的实时监测，以预防疾病发生或提前预警。对于有相关心脏疾病的人，如果在监测过程中频繁监测到早搏现象，通过相关算法可以评估出患者在治疗或者恢复的过程中效果很差，甚至有病情恶化的情况，健康管理系统会建议马上就医。除了心脏早搏，脉搏波还可以通过波形细节分析其他的心率异常，包括心衰、二联 律、四联律、心动过速、心动过慢、心率失常等，配合无创检测、连续监测等特点，就能更好地发挥脉搏波的医用价值。血氧饱和度与健康关系的探讨再以血氧饱和度（SPO2）为例

13、，如表 1 中所示，临床检测血氧饱和度是常见之事。血氧饱和度，指的是血液中被氧结合的氧合血红蛋白 HbQ2 的容量占全部可结合的血红蛋白 Hb 容量的百分比，即血液中血氧的浓度，主要用来检测是否缺氧。当成人氧供应不足时，系统显示会出现的症状、原因并给出建议，再结合这些建议和用户信息以及冰箱食材向用户推荐针对性菜谱。但是，血氧饱和度并不能即时反映外源性氧的中断。一旦发生上呼吸道梗阻或窒息，如果此时的氧分压很高（大于100），血氧饱和度并不能反映体内氧分压的下降趋势或者速度，所以如果想了解更多的健康检测信息，还需要配合其他设备做进一步检测。图 9 智能烹饪界面示意4 结论本文介绍的应用于智能冰箱的

14、健康管理系统为都市人群忙碌的生活提供便捷，采用较为前沿的技术和大数据分析，实时检测用户的健康问题并及时给出具有合理性的饮食和健康检测等相关建议，该系统推向市场容易被大众接受。但是智能冰箱的健康管理系统要想真正为用户带来实用性并普及到千家万户还需要很长的路，同时要面临用户信息及时获取、食材自动识别的准确率提升、冷冻室食材自动识别、用户个人隐私保密等技术难题。任何技术的发展都有个循序渐进的过程，在技术转化为生产力的过程中，不但需要对消费需求进行引导，更需要企业踏踏实实做技术、做创新。图 10 实验者 A 的五个手指的脉搏波图 11 实验者 B 的五个手指的脉搏波图 12 波形图解说明-心脏早搏参考

15、文献【相关文献】苌飞霸，尹军. 一种便携式多生理参数采集系统的设计M.重庆：计算机测量与控制， 2015,23(7):2575.苌飞霸，尹军，张和华. 一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计J.传感技术学报， 2014,27(3):289-292.黄世林. 中医脉象研究M.北京:人民卫生出版社,1995.赵思俭. 中医脉诊学M. 天津:科学技术出版社,1990.李朝阳. 基于 PPG 信号的 Windkessel 模型修正及参数估计D.杭州:浙江大学，2007.许瑞庆. 脉搏波检测系统设计及其信号处理算法研究D.南京:南京信息工程大学，2008.牛英勃. 人体脉搏信号检测分析系统的设计D.秦皇岛:燕山大学，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 &

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