CN105845144A - 一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，包括蓝牙模块、灯/按键、拾音头、SWD接口、陀螺仪、FLASH存储器、电源模块、移动终端，所述蓝牙模块具备蓝牙传输功能，负责功能算法的实现，将结果传送给移动终端，所述灯/按键包括指示灯和按键，指示灯用于表示各种工作状态，所述拾音头是收集动物声音的传感器，将声音信号转为电信号传送给所述蓝牙模块处理、所述SWD接口用于仿真和下载程序、所述陀螺仪用于计算动物动作加速度、角速度、运动时间和睡眠时间并将其传送到蓝牙模块，所述FLASH存储器用于存放声音和动作数据库、以及一些需要掉电保存的数据记录点，电源模块是整个系统的供电部分；能够大大提高翻译识别结果的准确性。

Description

一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统

技术领域

本发明涉及动物语言翻译技术领域，具体涉及一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统。

背景技术

随着全球城市化步伐和人口老龄化的加快，尤其是紧张忙碌的生活方式逐渐形成了人们相对独立的生活状态，很多人开始察觉到孤独感空虚感以及人文环境的复杂性，因此越来越多的人把宠物视为自己最亲密的伙伴，宠物数量特别是犬猫数量的快速增加保证了宠物消费市场强劲的发展势头。由于绝大多数人群并不是专业养护宠物人士，聪明的宠物又具有4-6岁小孩子的智力，往往用昂贵的代价兴高采烈将宠物抱回家并且精心呵护，指望宠物给人们带来快乐和心灵慰藉，可不过多久或是宠物生病，或是宠物无法与主人和谐相处，或是宠物死亡，甚至宠物遭厌恶被抛弃流浪街头，究其原因相当部分是宠物通过叫声表达了情感和要求，可主人无从理解甚至误会。

现时市面上越来越多的宠物便携电子产品，特别是最近很火的可穿戴智能产品，似乎都是在满足人类对宠物的养护需求。但缺乏如何让人类和宠物友好地相处、交流的可穿戴产品。没有一款同时兼顾交流和健康管理以及防丢失功能的综合性产品。

同时当人们与宠物散步时，为免自家宠物走失，一般都会牵引着宠物走路的。但这样不仅不能让宠物自由行动，而且一直牵着宠物奔跑感到疲惫，特别是女性以及老年人士，对于中大型宠物由于力量不足而难以正常的与宠物一同散步行走。

现有技术中动物声音翻译产品仅仅基于动物叫声分析，容易受到环境噪音的影响，得出的结果无论从精确度还是合理性来说都是远远不足的。况且当动物不发出任何声音的时候，无法真实准确判断动物想表达的意思，无法与人类正常交流。

发明内容

有鉴于此，在宠物电子产品业界内急需一款同时具有交流、健康管理以及防丢失功能的动物可穿戴产品，为了解决上述问题，本发明提出的一种实现动物声音与形态翻译功能的智 能健康管理系统，结合动物的声音和动作形态经过算法处理得出正确结果后，通过蓝牙无线传输到智能手机端显示结果。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，包括蓝牙模块、灯/按键、拾音头、SWD接口、陀螺仪、FLASH存储器、电源模块、移动终端，所述蓝牙模块分别与所述灯/按键、所述拾音头、所述SWD接口、所述陀螺仪、所述FLASH存储器、所述电源模块、所述移动终端连接，所述蓝牙模块具备蓝牙传输功能，负责功能算法的实现，将结果传送给所述移动终端，所述灯/按键包括指示灯和按键，所述指示灯用于表示各种工作状态，所述拾音头是收集动物声音的传感器，将声音信号转为电信号传送给所述蓝牙模块处理、所述SWD接口用于仿真和下载程序、所述陀螺仪用于计算动物动作加速度、角速度、运动时间和睡眠时间并将其传送到所述蓝牙模块，所述FLASH存储器用于存放声音和动作数据库、以及一些需要掉电保存的数据记录点，所述电源模块是整个系统的供电部分。

进一步地，所述按键包括电源键和蓝牙连接键。

进一步地，所述移动终端为翻译主机或智能手机。

进一步地，所述智能健康管理系统实现动物声音与形态翻译的步骤如下：

步骤S1、预加重：首先对动物声音进行预加重处理，预加重采用具有6dB/倍频程的提升高频特性的数字滤波器来实现，其传递函数为：H(z)＝1-μz^-1，其中u为预加重系数，可取为1或比1稍小的值，从z变换即可得到H(z)的频率特性；

步骤S2、端点检测：端点检测技术是基于语音信号的时域特征来进行的，一般常采用两种时域特征：短时能量和短时过零率，通过设定它们的门限来进行检测；

设某个长度为N的短时语音信号为x(m)，其短时能量E可用下式计算：

$E={\mathrm{\Σ}}_{m=0}^{N-1}{x}^2\left(m\right)$

其短时过零率Z可用下式计算：

$Z=1/2\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Σ}}|\mathrm{sgn}\[x\left(m\right)\]-\mathrm{sgn}\[x(m-1)\]$

其中sgn[]是符号函数，即

$\mathrm{sgn}\&lsqb;x\&rsqb;=\left\{\begin{array}{c}1,(x\&GreaterEqual;0)\\ -1,(x<0)\end{array}\right.$

步骤S3、分帧：分帧采用交叠分段的方法，即每一语音帧的帧尾与下一语音帧的帧头是重叠的；

步骤S4、加窗：将语音帧乘以一个窗函数，设帧信号为x(n)，窗函数为w(n)，则加窗后的信号y(n)为：

y(n)＝x(n)w(n)，0≤n≤N-1，N为每帧取样点数，

目前常用的窗函数是Hamming窗，即升余弦窗：

$W\left(n\right)=0.54-0.46cos\&lsqb;\frac{2\mathrm{\&pi;}n}{N-1}\&rsqb;,0\&le;n\&le;N-1$

步骤S5、快速傅立叶变换FFT：采用高效的快速傅立叶变换FFT把语音帧由时域变换到频域；

步骤S6、Mel频率滤波：把上一步骤变换得到的离散频谱用序列三角滤波器进行滤波处理，得到一组系数m₁，m₂，......，该滤波器组的个数P由信号的截止频率决定，所有滤波器总体上覆盖从0Hz到Nyquist频率，即采样率的二分之一，

计算m_i的公式如下：

$m_i=ln\left(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}\right|X\left(k\right)|\&CenterDot;H_i(k\left)\right),i=1\&CenterDot;...p$

其中

f[i]是三角滤波器的中心频率，满足：

Mel(f(i+1))-Mel(f(i))=Mel(f(i))-Mel(f(i-1))

步骤S7、离散余弦变换DCT：把上一步骤获得的mel频谱变换到时域，其结果就是mel频率倒谱系数MFCC，因为mel频谱系数都是实数，可以使用离散余弦变换DCT把它们变换到时域；

步骤S8、存储动物声音样本：将经过处理的动物声音样本存储到声音模型库，已把特征参数提取；

步骤S9、动作扫描：实时监测动物的动作姿态，计算出加速度数据；

步骤S10、陀螺仪处理：使用MPU6050解算姿态数据；计算出动物运动时间和睡眠时间；

步骤S11、存储动作姿态数据：将经过处理的动物动作姿态数据和加速度数据样本存储到动作模型库，已把特征参数提取；

步骤S12、数据融合：将姿态数据和加速度数据，经算法融合得出一个新的特征值；

步骤S13、判决逻辑：对所提取的声音信号的MFCC参数和动作数据，即姿态数据+加速度数据，进行加权近似推理法得出最终翻译结果。

进一步地，步骤S1-S8和步骤S9-S12是同时进行的。

进一步地，还包括：

步骤S14、蓝牙模块：通过蓝牙模块将翻译结果发送到翻译主机或智能手机显示。

进一步地，步骤S10中，解算姿态数据的具体过程如下：

用欧拉角描述一次平面旋转，即坐标变换，

设坐标系绕旋转α角后得到坐标系，在空间中有一个矢量在坐标系中在内的投影为由于旋转绕进行，所以Z坐标未变，即有：

r_x2＝OA+AB+BC

＝ODcosα+BDsinα+BFsinα

＝r_x1cosα+r_y1sinα

r_y2＝DE-AD

=DFcosα-ODsinα

＝r_y1cosα-ODsinα

＝r_y1cosα-r_x1sinα

r_z2＝r_z1

转换成矩阵形式表示为：

$\left[\begin{array}{c}{r}_{x2}\\ r_{y1}\\ r_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&alpha;}& sin\mathrm{\&alpha;}& 0\\ -sin\mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_{x1}\\ r_{y1}\\ r_{z1}\end{array}\right]$

整理如下：

旋转阵

所以从旋转到可以写成，

上面是绕一根轴的旋转，如果三维空间中的欧拉角旋转要转三次：

$\begin{array}{c}{C}_n^b=C_2^b{C}_1^2{C}_n^1=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&gamma;}& 0& -sin\mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\&theta;}& sin\mathrm{\&theta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&theta;}& cos\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&psi;}& -\sin \mathrm{\&phi;}& 0\\ \sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&psi;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}+\sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\cos \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}+\sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&psi;}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&psi;}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}-\cos \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}-\cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\end{array}$

得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵，

用欧拉角解算姿态，要套用欧拉角微分方程：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&psi;}}\end{array}\right]=\frac{1}{cos\mathrm{\&theta;}}{\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&theta;}& cos\mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&theta;}\\ 0& cos\mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}cos\mathrm{\&theta;}\\ 0& \sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&gamma;}cos\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]}^{-1}\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{EbX}^b\\ {\mathrm{\&omega;}}_{EbY}^b\\ {\mathrm{\&omega;}}_{EbZ}^b\end{array}\right]$

上式中左侧是本次更新后的欧拉角。

进一步地，所述智能手机具有如下功能模块：

1)、健康管理模块：用于根据子机数据对宠物进行各项身体数据记载，以便对宠物进行科学有效的健康管理；

睡眠时间模块：用于记录宠物每天的睡眠时间，以及根据系统数据科学建议最佳睡眠时间；

运动时间模块：用于记录宠物每天的运动时间，以及根据系统数据科学建议最佳运动时间；

日耗卡路里模块：用于记录宠物每天消耗的卡路里，以及根据系统数据科学建议最佳消耗数值；

喂养提醒模块：用于根据宠物具体相关数据，建议宠物每天的喂食量，以及相关宠物粮食的推荐；

2)、翻译记录模块：用于存储子机翻译的记录和每天的情绪分析记录；

3)、找一找模块：具备蓝牙防丢失和二维码身份识别功能；

4)、疾病自查模块：用于根据宠物身体相关症状，判断可能引发症状的疾病，并获取相关疾病的详情及治疗方法；

5)、日常提醒模块：用于实现日常提醒功能，方便主人对宠物的生活日程进行全方面规划掌控；

6)、萌宠百科模块：用于存储宠物相关的百科以及养护常识；

宠物动作模块：用于存储宠物的各种动作所代表的宠物各种心理及情绪数据；

喂养常识模块：用于存储宠物喂养过程中的相关知识综合，内容会定期更新；

纯种狗介绍模块：用于存储热门纯种狗的精准介绍，以便用户能够通过文字和图片判定狗狗的纯种程度；

忌食模块：用于存储宠物饮食方面需注意避免吃喝的食物以及相关介绍；

7)、宠物圈模块：用于用户对宠物、美食、旅行、人生感悟发表文字、图片，以便用户与用户之间进行互动、点赞评论；

8)、宠物相亲模块：用于主人为自己的宠物寻找伴侣；

9)、遛弯运动模块：用于记载主人每日遛宠的相关情况；

10)、活动竞赛模块：用于主人秀出自己的小宠物，可发布、组织、参与线上或线下的宠物活动和竞赛；

11)、代办服务模块：用于为有需求的宠物主提供相关证件、宠物托运手续的代办服务；

12)、宝贝领养模块：用于提供宠物领养、宠物赠送、宠物救助信息的查询与发布；

13)、猫鸟特种模块：用于发布除狗狗之外，其他萌宠的相关信息；

14)、美好时光模块：是虚拟的宠物墓园，用于主人缅怀已逝宠物、建立电子墓地、编辑宠物生前照片信息。

进一步地，所述智能手机包括宠物健康实时在线监控系统平台、宠物专业商品移动端平台，所述宠物健康实时在线监控系统平台用于将健康管理相关数据发送给宠物店，由宠物店根据这些数据为宠物主建立宠物健康计划；所述宠物专业商品移动端平台包括如下模块：

1)、专属服务模块：用于提供个人订制宠物医院、美容寄养各项服务，是每个用户专有的个人订制服务模块；

2)、授权特约商模块：用于经授权成为授权特约商的商家进行其网店或实体店商品的售卖，授权特约商店铺是经过实地认证的实体店，授权特约商的商家包含宠物美容院、宠物医院、宠物用品三类；

3)、品牌汇模块：用于经推荐认可的商家品牌进行其网店或实体店商品的售卖；品牌汇店铺为品牌类的实体店或者工厂，有自己独立品牌；

4)、宠物百货模块：用于除品牌汇推荐之外的其他网店发布信息、销售商品；

5)、个人集市模块：用于个人用户发布求购或者销售信息，并能够与其他用户进行交易活动，个人集市模块是用户与用户之间相互交易的平台。

进一步地，所述智能手机包括买家端和卖家端，所述买家端为宠物主，所述卖家端为宠物美容、医院、用品实体店及宠物医生，基于相关定位技术可互为发现，买家可及时发现卖家并选择服务，反之卖家可及时发现买家并及时沟通确定。

本发明基于动物声音和动作形态作为依据经过一系列的算法计算出结果，无论动物是否发出叫声，都可以从动作姿态判断其表达的意思，从而实现与人类正常交流。

附图说明

图1为本发明的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统的结构方框图；

图2为本发明的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统的处理流程图；

图3为本发明的用欧拉角描述一次平面旋转的坐标变换图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

请参阅图1，一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，包括蓝牙模块、灯/按键、拾音头、SWD接口、陀螺仪、FLASH存储器、电源模块、移动终端，所述蓝牙模块分别与所述灯/按键、所述拾音头、所述SWD接口、所述陀螺仪、所述FLASH存储器、所述电源模块、所述移动终端连接，所述蓝牙模块具备蓝牙传输功能，负责功能算法的实现，将结果传送给所述移动终端，所述灯/按键包括指示灯和按键，所述指示灯用于表示各种工作状态，所述拾音头是收集动物声音的传感器，将声音信号转为电信号传送给所述蓝牙模块处理、所述SWD接口用于仿真和下载程序、所述陀螺仪用于计算动物动作加速度、角速度、运动时间和睡眠时间并将其传送到所述蓝牙模块，所述FLASH存储器用于存放声音和动作数据库、以及一些需要掉电保存的数据记录点，所述电源模块是整个系统的供电部分。

所述蓝牙模块是整个系统的核心部分，具备蓝牙传输功能，距离为10米，主频12MHz，所述按键包括电源键和蓝牙连接键，所述移动终端为翻译主机或智能手机。

请参阅图2，所述智能健康管理系统实现动物声音与形态翻译的步骤如下：

1、预加重

由于语音信号的平均功率谱受声门激励的影响，高频端大约在800Hz以上按6dB/倍频程跌落，为此要进行预加重，预加重的目的是将更为有用的高频部分的频谱进行提升，使信号的频谱变得平坦，保持在低频到高频的整个频带中，能用同样的信噪比求频谱，以便于进行频谱分析或声道参数分析，预加重一般用具有6dB/倍频程的提升高频特性的数字滤波器来实现，其传递函数为：H(z)＝1-μz^-1，其中u为预加重系数，可取为1或比1稍小的值，从z变换即可得到H(z)的频率特性。

2、端点检测

端点检测就是对输入语音信号进行判断，从背景噪声中准确找出语音段的起始点和终止点，有效的端点检测不仅能消除无声段的噪音，而且还可以使处理语音信号的时间减到最小，目前的端点检测技术大都是基于语音信号的时域特征来进行的，一般常采用两种时域特征：短时能量和短时过零率，通过设定它们的门限来进行检测；

设某个长度为N的短时语音信号为x(m)，其短时能量E可用下式计算：

$E={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=0}^{N-1}{x}^2\left(m\right)$

其短时过零率Z可用下式计算：

$Z=1/2\underset{m=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}|\mathrm{sgn}\&lsqb;x\left(m\right)\&rsqb;-\mathrm{sgn}\&lsqb;x(m-1)\&rsqb;$

其中sgn[]是符号函数，即

$\mathrm{sgn}\&lsqb;x\&rsqb;=\left\{\begin{array}{c}1,(x\&GreaterEqual;0)\\ -1,(x<0)\end{array}\right.$

3、分帧

由于语音信号的准平稳特性，使得只在短时段上才可视为是一个平稳过程，可以用对平稳过程的分析方法进行分析，因此需要将语音信号划分为一个一个的短时段，每一短时段称为一帧，每一帧的长度大概为10-30ms，分帧可以采用连续分段的方法，但为了使帧与帧之间平滑过渡，保持其连贯性，一般采用交叠分段的方法，即每一帧的帧尾与下一帧的帧头是重叠的。

4、加窗

为了减小语音帧的截断效应，降低帧两端的坡度，使语音帧的两端不引起急剧变化而平滑过渡到零，就要让语音帧乘以一个窗函数，设帧信号为x(n)，窗函数为w(n)，则加窗后的信号y(n)为：

y(n)＝x(n)w(n)，0≤n≤N-1，N为每帧取样点数

目前常用的窗函数是Hamming窗(即升余弦窗)：

$W\left(n\right)=0.54-0.46cos\&lsqb;\frac{2\mathrm{\&pi;}n}{N-1}\&rsqb;,0\&le;n\&le;N-1$

5、快速傅立叶变换(FFT)

由于离散傅立叶变换(DFT)的运算量较大，可以采用高效的快速傅立叶变换(FFT)来把语音帧由时域变换到频域，需要注意的是:在进行FFT运算时要考虑到FFT的点数问题，如果FFT的点数选取过大，则运算的复杂度会增大，使系统的响应时间变慢，不能满足系统的实时性；如果FFT的点数选取过小，则可能造成频率分辨率过低，提取的参数的误差过大，一般要根据系统的具体情况选择FFT的点数。

6、Mel滤波

把上步变换得到的离散频谱用序列三角滤波器进行滤波处理，得到一组系数m₁，m₂，......，该滤波器组的个数P由信号的截止频率决定，所有滤波器总体上覆盖从0Hz到Nyquist频率，即采样率的二分之一；

计算m_i的公式如下：

$m_i=ln\left(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}\right|X\left(k\right)|\&CenterDot;H_i(k\left)\right),i=1\&CenterDot;...p$

其中

f[i]是三角滤波器的中心频率，满足：

Mel(f(i+1))-Mel(f(i))=Mel(f(i))-Mel(f(i-1))

7、离散余弦变换(DCT)

把上一步获得的mel频谱变换到时域，其结果就是mel频率倒谱系数(MFCC)，因为mel频谱系数都是实数，可以使用离散余弦变换(DCT)把它们变换到时域。

8、声音模型库

存储经过处理的动物声音样本，已把特征参数提取。

9、动作扫描

实时监测动物的动作姿态，计算出加速度数据。

10、六轴陀螺仪处理

使用MPU6050硬件DMP解算姿态数据；计算出动物运动时间和睡眠时间；

用欧拉角描述一次平面旋转(坐标变换)，如图3所示，

设坐标系绕旋转α角后得到坐标系，在空间中有一个矢量在坐标系中在内的投影为由于旋转绕进行，所以Z坐标未变，即有：

r_x2＝OA+AB+BC

=ODcosα+BDsinα+BFsinα

＝r_x1cosα+r_y1sinα

r_y2＝DE-AD

=DFcosα-ODsinα

＝r_y1cosα-ODsinα

＝r_y1cosα-r_x1sinα

r_z2＝r_z1

转换成矩阵形式表示为：

$\left[\begin{array}{c}{r}_{x2}\\ r_{y1}\\ r_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&alpha;}& sin\mathrm{\&alpha;}& 0\\ -sin\mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_{x1}\\ r_{y1}\\ r_{z1}\end{array}\right]$

整理如下：

旋转阵

所以从旋转到可以写成

上面是绕一根轴的旋转，如果三维空间中的欧拉角旋转要转三次：

$\begin{array}{c}{C}_n^b=C_2^b{C}_1^2{C}_n^1=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&gamma;}& 0& -sin\mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\&theta;}& sin\mathrm{\&theta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&theta;}& cos\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\&psi;}& -\sin \mathrm{\&phi;}& 0\\ \sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&psi;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}+\sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\cos \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}+\sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&psi;}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&psi;}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}-\cos \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&psi;}-\cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&psi;}\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&gamma;}\cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\end{array}$

得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵；

用欧拉角解算姿态，要套用欧拉角微分方程：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&psi;}}\end{array}\right]=\frac{1}{cos\mathrm{\&theta;}}{\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&theta;}& cos\mathrm{\&gamma;}\sin \mathrm{\&theta;}\\ 0& cos\mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}cos\mathrm{\&theta;}\\ 0& \sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&gamma;}cos\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]}^{-1}\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{EbX}^b\\ {\mathrm{\&omega;}}_{EbY}^b\\ {\mathrm{\&omega;}}_{EbZ}^b\end{array}\right]$

上式中左侧是本次更新后的欧拉角。

11、动作模型库

存储经过处理的动物动作姿态数据和加速度数据样本，已把特征参数提取。

12、数据融合

将姿态数据和加速度数据，经算法融合得出一个新的特征值。

13、判决逻辑

对所提取的声音信号的MFCC参数和动作数据(姿态数据+加速度数据)，进行加权近似推理法得出最终结果。

14、蓝牙模块

通过2.4G蓝牙模块发送到智能手机端显示结果，接收距离为10米。

15、智能手机

手机要装有本产品的配套APP配合使用。

16、翻译主机

此主机专门为老年人配备。一般老年人使用智能手机占得比例很低，会使用APP应用程序的更是少之又少，因此翻译主机正迎合此类人群需要，解决老年人使用难度的问题。

智能手机APP端

一、十四大功能板块

1、健康管理

根据子机数据对宠物进行各项身体数据记载，对宠物进行科学有效的健康管理，便于主人了解宠物具体的健康信息，从而给予主人科学的驯养指导，让主人可以对宠物进行更健康的生活规划。

1.1、睡眠时间：记录宠物每天的睡眠时间，以及根据系统数据科学建议最佳睡眠时间。

1.2、运动时间：记录宠物每天的运动时间，以及根据系统数据科学建议最佳运动时间。

1.3、日耗卡路里：记录宠物每天消耗的卡路里，以及根据系统数据科学建议最佳消耗数值。

1.4、喂养提醒：根据宠物具体相关数据，建议宠物每天的喂食量，以及相关宠物粮食的推荐。

2、翻译记录

包含宠物24小时子机翻译的记录，每天的情绪分析记录两个部分。

2.1、翻译记录：宠物24小时子机翻译的结果记录一览，可以随时随地回顾24小时内子机的翻译结果。

2.2、情绪记录：宠物每天的情绪记录与分析建议，其中包含紧张兴奋、自我表现、请求、伤心、不满、威吓等六种情绪的柱状图，让主人对宠物每天不同的情绪状态一目了然。

3、找一找

包含蓝牙防丢失和二维码身份识别两个功能。

3.1、蓝牙防丢失：在无电磁波干扰及障碍物的10米范围内，APP可以通过与子机的蓝牙连接和断开，来判断宠物是否在周边安全范围内，从而防止宠物丢失。

3.2、二维码身份识别：通过二维码牌扫描，可以获得宠物身份信息。在宠物走丢的情况下，使宠物能尽快地被发现并寻回。

4、疾病自查

根据宠物身体相关症状，通过皮肤、饮食排泄、五官症状、其他身体症状等方面进行多项选择，判断可能引发症状的疾病，并可获取相关疾病的详情及治疗方法。

使用流程：选择或搜索症状→显示自查结果→选择疾病查看详情及治疗方法

疾病自查功能可以帮助主人对宠物是否生病进行初步自查，对宠物的健康营造多一层的安全氛围。

5、日常提醒

包含宠物生日、抱养日等纪念日的记录和提醒；也可以自定义相关提醒(如同打针、美容等)，作用类似于日历功能。

除了可以设置生日、抱养日，还有自定义添加功能，可以自主添加遛宠时间、体检时间、清洁洗澡、体外驱虫、体内驱虫、疫苗注射、美容护理、宠物食品、其他等相关提醒。

提醒添加详情页包含项目名称、提醒时间、提前提醒设置、重复周期、备注等，方便主人对宠物的生活日程进行全方面规划掌控。

6、萌宠百科

包含宠物相关的百科以及养护常识。

6.1、宠物动作：宠物所作动作所代表的宠物各种心理及情绪。

6.2、喂养常识：宠物喂养过程中的相关知识综合，内容会定期更新。

6.3、纯种狗介绍：包含五十种热门纯种狗的精准介绍，包括判定方法和典型狗种的图片， 以便用户能够通过文字和图片判定狗狗的纯种程度。

6.4、忌食：宠物饮食方面需注意避免吃喝的食物以及相关介绍等。

7、宠物圈

宠物圈版块类似于微信朋友圈功能。

用户可以在此发表文字、图片等，对宠物、美食、旅行、人生等各种各样的感悟心情都可以在此记录。

这不仅是一个具有记录功能的版块，它还可以使用户与用户一起互动，进行点赞评论等，使用户形成良好的交流群体，有助于产品文化的衍生和口碑的扩散。

8、宠物相亲

宠物相亲版块是一个为宠物狗寻找相亲对象的平台。

宠物主人可以进入该网站为自己的宠物寻找伴侣，通过联系同城的其他养宠物人士，来约见宠物们进行会面。

9、遛弯运动

遛弯运动版块是主人每日遛弯的相关情况实时反映和记载。

它利用定位和步数同步动态呈现遛弯过程的具体情况，通过同步记录宠物和主人的运动轨迹来鼓励用户坚持不懈地遛弯，让宠物和人都能得到锻炼。

10、活动竞赛

活动竞赛版块的主旨在于，了解宠物在现代人的起居中已经有了举足轻重的地位，秀出自己的小宠物，让自己的小宠物成为小明星，让小宠物的打扮得到大家认可，带动宠物装扮的潮流，让城市间的萌宠聚集一堂，互相认识，在现今已成为了一种潮流。

在这个版块会员可以发布、组织、参与各类线上或线下的宠物活动和竞赛。

同时，也会不定期举行大型的活动竞赛让会员参与，并设置丰厚奖品，增加会员的活跃度。

11、代办服务

代办服务版块主要是为有需求的宠物主提供相关证件、宠物托运等手续的代办服务。

在这里有众多具有动物科学、动物医学、物流行业、证件办理的专业技术人员和商家，为客户提供全程无忧的咨询和办理，让宠物主不用再为繁琐的手续流程所困扰，轻松完成各项手续。

12、宝贝领养

宝贝领养版块提供宠物领养、宠物赠送、宠物救助等信息的查询与发布。

在这里，可以领养到无人照料的宠物，也可以队身处困境的宠物进行救助。如果有宠物无力抚养，需要转赠，也可以在这里发布信息，帮宠物寻找新的主人。

13、猫鸟特种

猫鸟特种版块是涵盖了除狗狗之外，其他萌宠信息的独立版块。

这里会员可以浏览、发布宠物猫、宠物鸟、水族等其他宠物的宠物图片、宠物喂养、宠物美容护理等内容，让会员可以发现更多宠物们的乐趣。

14、美好时光

美好时光版块为虚拟宠物墓园。

主人可以为缅怀已逝宠物，建立电子墓地，可以编辑宠物生前照片等信息。

这既可解主人们的相思，也是近年来宠物安葬之风兴起后所提倡的环保举措。

二、两大系统平台

1、宠物健康实时在线监控系统平台

将健康管理相关数据发送给宠物店，由宠物店根据这些数据为宠物主建立宠物健康计划的功能。

优点在于此功能类似于每个宠物都可以免费拥有私人医生，拥有各自独立的健康计划。对于初养宠物的人是很好的指导，对于已经有饲养经验的宠物主则有了科学的对比判断信息。

这个方案实施后，可以跨越空间地域限制，全面利用起线上数据传输，增加用户选择和使用体验度。

同时商户可通过该服务对用户进行跟踪服务，使其服务的宠物主成为他们长期的捆绑用户，并能够及时了解服务地域空缺，开发新的线上或线下店铺占领和扩张区域市场。

2、宠物专业商品移动端平台

2.1、专属服务

属于每个用户专有的个人订制服务版块。

包含用户个人订制的宠物医院、美容寄养等各项服务。

此版块内提供的所有服务商，是由用户自己授权自己选定。

该版块可以让用户根据自己的习惯喜好，选择熟悉的或喜爱的服务商进行选择订制，能 够独立贴合每一位用户的特有需求。

2.2、授权特约商

授权特约商的商家包含宠物美容院、宠物医院、宠物用品、宠物医生四类。

在此版块内服务于周边用户的商家，需经过授权才可以成为授权特约商。

授权特约商店铺是经过实地认证的实体店，在此版块为每个店铺附置一个网上店铺，以扩大店铺的服务覆盖范围，并且设有相关评价系统，可以保证其存在的真实性和安全性，用户也可以通过评价系统，对其配套、服务和其他相关方面一目了然。

2.3、品牌汇

品牌汇店铺为品牌类的实体店或者工厂。

有自己独立品牌，经推荐认可的商家品牌可以在这个版块进行其网店或实体店商品的售卖。

其性质类似于淘宝中的天猫商城，产品和服务的质量都有相当高的保证。

2.4、宠物百货

宠物百货包含狗、猫、兔、龟等所有宠物的用品销售店铺，是产品丰富的网店。

在品牌汇推荐之外的网店，所有个体独立经营的店铺都可以在此发布信息，并在这个版块销售商品。

2.5、个人集市

个人集市是用户与用户之间相互交易的平台。

每一位个人用户都可以在此发布求购或者销售信息，并能够与其他用户进行交易活动，可以更好的满足用户更为具体的需求。

三、买家端和卖家端

所述智能手机包括买家端和卖家端，所述买家端为宠物主，所述卖家端为宠物美容、医院、用品实体店及宠物医生，基于相关定位技术可互为发现，买家可及时发现卖家并选择服务，反之卖家可及时发现买家并及时沟通确定。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，包括蓝牙模块、灯/按键、拾音头、SWD接口、陀螺仪、FLASH存储器、电源模块、移动终端，所述蓝牙模块分别与所述灯/按键、所述拾音头、所述SWD接口、所述陀螺仪、所述FLASH存储器、所述电源模块、所述移动终端连接，所述蓝牙模块具备蓝牙传输功能，负责功能算法的实现，将结果传送给所述移动终端，所述灯/按键包括指示灯和按键，所述指示灯用于表示各种工作状态，所述拾音头是收集动物声音的传感器，将声音信号转为电信号传送给所述蓝牙模块处理、所述SWD接口用于仿真和下载程序、所述陀螺仪用于计算动物动作加速度、角速度、运动时间和睡眠时间并将其传送到所述蓝牙模块，所述FLASH存储器用于存放声音和动作数据库、以及一些需要掉电保存的数据记录点，所述电源模块是整个系统的供电部分。

2.根据权利要求1所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述按键包括电源键和蓝牙连接键。

3.根据权利要求1所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述移动终端为翻译主机或智能手机。

4.根据权利要求1所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述智能健康管理系统实现动物声音与形态翻译的步骤如下：

步骤S1、预加重：首先对动物声音进行预加重处理，预加重采用具有6dB/倍频程的提升高频特性的数字滤波器来实现，其传递函数为：H(z)＝1-μz^-1，其中u为预加重系数，可取为1或比1稍小的值，从z变换即可得到H(z)的频率特性；

步骤S2、端点检测：端点检测技术是基于语音信号的时域特征来进行的，一般常采用两种时域特征：短时能量和短时过零率，通过设定它们的门限来进行检测；

设某个长度为N的短时语音信号为x(m)，其短时能量E可用下式计算：

其短时过零率Z可用下式计算：

其中sgn[]是符号函数，即

步骤S3、分帧：分帧采用交叠分段的方法，即每一语音帧的帧尾与下一语音帧的帧头是重叠的；

步骤S4、加窗：将语音帧乘以一个窗函数，设帧信号为x(n)，窗函数为w(n)，则加窗后的信号y(n)为：

y(n)＝x(n)w(n)，0≤n≤N-1，N为每帧取样点数，

目前常用的窗函数是Hamming窗，即升余弦窗：

步骤S5、快速傅立叶变换FFT：采用高效的快速傅立叶变换FFT把语音帧由时域变换到频域；

步骤S6、Mel频率滤波：把上一步骤变换得到的离散频谱用序列三角滤波器进行滤波处理，得到一组系数m₁，m₂，......，该滤波器组的个数P由信号的截止频率决定，所有滤波器总体上覆盖从0Hz到Nyquist频率，即采样率的二分之一，

计算m_i的公式如下：

其中

f[i]是三角滤波器的中心频率，满足：

Mel(f(i+1))-Mel(f(i))＝Mel(f(i))-Mel(f(i-1))

步骤S7、离散余弦变换DCT：把上一步骤获得的mel频谱变换到时域，其结果就是mel频率倒谱系数MFCC，因为mel频谱系数都是实数，可以使用离散余弦变换DCT把它们变换到时域；

步骤S8、存储动物声音样本：将经过处理的动物声音样本存储到声音模型库，已把特征参数提取；

步骤S9、动作扫描：实时监测动物的动作姿态，计算出加速度数据；

步骤S10、陀螺仪处理：使用MPU6050解算姿态数据；计算出动物运动时间和睡眠时间；

步骤S11、存储动作姿态数据：将经过处理的动物动作姿态数据和加速度数据样本存储到动作模型库，已把特征参数提取；

步骤S12、数据融合：将姿态数据和加速度数据，经算法融合得出一个新的特征值；

步骤S13、判决逻辑：对所提取的声音信号的MFCC参数和动作数据，即姿态数据+加速度数据，进行加权近似推理法得出最终翻译结果。

5.根据权利要求4所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，步骤S1-S8和步骤S9-S12是同时进行的。

6.根据权利要求4所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，还包括：

步骤S14、蓝牙模块：通过蓝牙模块将翻译结果发送到翻译主机或智能手机显示。

7.根据权利要求4所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，步骤S10中，解算姿态数据的具体过程如下：

用欧拉角描述一次平面旋转，即坐标变换，

设坐标系绕旋转α角后得到坐标系，在空间中有一个矢量在坐标系中在内的投影为由于旋转绕进行，所以Z坐标未变，即有：

r_x2＝OA+AB+BC

＝ODcosα+BDsinα+BFsinα

＝r_x1cosα+r_y1sinα

r_y2＝DE-AD

＝DFcosα-ODsinα

＝r_y1cosα-ODsinα

＝r_y1cosα-r_x1sinα

r_z2＝r_z1

转换成矩阵形式表示为：

整理如下：

旋转阵

所以从旋转到可以写成，

上面是绕一根轴的旋转，如果三维空间中的欧拉角旋转要转三次：

得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵，

用欧拉角解算姿态，要套用欧拉角微分方程：

上式中左侧是本次更新后的欧拉角。

8.根据权利要求3所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述智能手机具有如下功能模块：

1)、健康管理模块：用于根据子机数据对宠物进行各项身体数据记载，以便对宠物进行科学有效的健康管理；

睡眠时间模块：用于记录宠物每天的睡眠时间，以及根据系统数据科学建议最佳睡眠时间；

运动时间模块：用于记录宠物每天的运动时间，以及根据系统数据科学建议最佳运动时间；

日耗卡路里模块：用于记录宠物每天消耗的卡路里，以及根据系统数据科学建议最佳消耗数值；

喂养提醒模块：用于根据宠物具体相关数据，建议宠物每天的喂食量，以及相关宠物粮食的推荐；

2)、翻译记录模块：用于存储子机翻译的记录和每天的情绪分析记录；

3)、找一找模块：具备蓝牙防丢失和二维码身份识别功能；

4)、疾病自查模块：用于根据宠物身体相关症状，判断可能引发症状的疾病，并获取相关疾病的详情及治疗方法；

5)、日常提醒模块：用于实现日常提醒功能，方便主人对宠物的生活日程进行全方面规划掌控；

6)、萌宠百科模块：用于存储宠物相关的百科以及养护常识；

宠物动作模块：用于存储宠物的各种动作所代表的宠物各种心理及情绪数据；

喂养常识模块：用于存储宠物喂养过程中的相关知识综合，内容会定期更新；

纯种狗介绍模块：用于存储热门纯种狗的精准介绍，以便用户能够通过文字和图片判定狗狗的纯种程度；

忌食模块：用于存储宠物饮食方面需注意避免吃喝的食物以及相关介绍；

7)、宠物圈模块：用于用户对宠物、美食、旅行、人生感悟发表文字、图片，以便用户与用户之间进行互动、点赞评论；

8)、宠物相亲模块：用于主人为自己的宠物寻找伴侣；

9)、遛弯运动模块：用于记载主人每日遛宠的相关情况；

10)、活动竞赛模块：用于主人秀出自己的小宠物，可发布、组织、参与线上或线下的宠物活动和竞赛；

11)、代办服务模块：用于为有需求的宠物主提供相关证件、宠物托运手续的代办服务；

12)、宝贝领养模块：用于提供宠物领养、宠物赠送、宠物救助信息的查询与发布；

13)、猫鸟特种模块：用于发布除狗狗之外，其他萌宠的相关信息；

14)、美好时光模块：是虚拟的宠物墓园，用于主人缅怀已逝宠物、建立电子墓地、编辑宠物生前照片信息。

9.根据权利要求3所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述智能手机包括宠物健康实时在线监控系统平台、宠物专业商品移动端平台，所述宠物健康实时在线监控系统平台用于将健康管理相关数据发送给宠物店，由宠物店根据这些数据为宠物主建立宠物健康计划；所述宠物专业商品移动端平台包括如下模块：

1)、专属服务模块：用于提供个人订制宠物医院、美容寄养各项服务，是每个用户专有的个人订制服务模块；

2)、授权特约商模块：用于经授权成为授权特约商的商家进行其网店或实体店商品的售卖，授权特约商店铺是经过实地认证的实体店，授权特约商的商家包含宠物美容院、宠物医院、宠物用品三类；

3)、品牌汇模块：用于经推荐认可的商家品牌进行其网店或实体店商品的售卖；品牌汇店铺为品牌类的实体店或者工厂，有自己独立品牌；

4)、宠物百货模块：用于除品牌汇推荐之外的其他网店发布信息、销售商品；

5)、个人集市模块：用于个人用户发布求购或者销售信息，并能够与其他用户进行交易活动，个人集市模块是用户与用户之间相互交易的平台。

10.根据权利要求3所述的实现动物声音与形态翻译功能的智能健康管理系统，其特征在于，所述智能手机包括买家端和卖家端，所述买家端为宠物主，所述卖家端为宠物美容、医院、用品实体店及宠物医生，基于相关定位技术可互为发现，买家可及时发现卖家并选择服务，反之卖家可及时发现买家并及时沟通确定。