CN109375497A - 基于卷积神经网络的可检测情绪变化的无线充电式智能手表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于卷积神经网络的可检测情绪变化的无线充电式智能手表，智能手表由眼镜框架和手表本体两大部分构成，其中眼镜框架内部包括线圈天线、电源模块、生理参数感应类传感器、信号处理部分、无线通信模块；智能手表本体内部包括电源模块、MCU模块、ADC模块、无线通信模块、蓝牙模块、音频输出模块，外部通过内嵌线圈天线的表链连接，捕获周围的磁场能量进行无线充电，手表屏幕采用电阻触屏，其触摸敏感度弱，可通过指甲、触笔等任意物品触摸同时不易碎裂。通过信号处理部分绘制频谱图，应用无线通信模块将频谱图传递给智能终端，经过ADC模块将模拟信号转换成数字信号，再传递给MCU模块进行实时数据处理，最后通过音频输出模块输出语音提示。

Description

基于卷积神经网络的可检测情绪变化的无线充电式智能手表

技术领域

本发明主要涉及可穿戴智能终端领域，尤其涉及一种可检测情绪变化的无线充电式智能手表。

背景技术

随着移动互联网的快速发展，全世界各大巨头对智能终端下的可穿戴设备兴趣浓厚，截止到目前为止，智能手环、智能手表、智能眼镜、智能腰带、智能服饰不断涌现，已有大量智能穿戴设备进入人们的生活之中。智能穿戴设备会随着穿戴式科技的不断成熟而变得越来越多样化，涉及到的领域也会越来越广泛。目前智能可穿戴设备的应用领域主要是户外健身领域和医疗保健领域，进入移动互联网时代以来，随着计算机标准化的不断完善，软硬件以及互联网技术的紧密结合程度也在快速发展，可穿戴的智能设备已经成为当下最流行的话题，也成为嵌入式行业中的新热点，同时也是当下移动互联网智能终端发展中的崭新的风向标。然而每一个颠覆性的新技术或新产品的出现，都会引发一场革命，智能穿戴设备或许就是下一轮工业革命浪潮的核心。面对可穿戴设备时代的到来，许多技术问题还亟待解决，如何将人工智能、大数据融合到智能可穿戴设备里是许多研究的问题所在。

智能可穿戴设备以其智能化、小型化、高性能的优势，受到广大爱好者的喜爱。但由于目前应用领域比较少，可穿戴设备的功能有限，电池续航能力弱，还未能真正的满足人们的生活需要。教育、医疗与人们的生活密不可分，如何让智能可穿戴设备应用到教育等人们密不可分的领域中是广大技术人员探索的关键。在技术迅猛发展的背后，离不开艰苦努力的上班族们，如今社会上流行着“过劳死”这种新名词，正是因为许多经常熬夜的上班族拼命工作所产生的现象。

为此，本发明提出一种可实时检测情绪变化的具有无线充电功能的智能手表的设计思路，通过捕获周围的磁场能量进行无线充电，为整个系统提供源源不断的电能，在眼镜框实时数据采集的助力下，可通过手表实时的提示人们当前的情绪变化，运用卷积神经网络强大的运算识别能力，匹配训练相应的参数模型，推测人们在接下来的时间里会发生的事情，从而提示人们在当前状态下需要注意的事项。这一功能在教育领域里可以为紧张备考的学子们提供一道保护层，使一些在长期压力下努力学习的学生们更好的调节自己的情绪，将心情调整到最佳，进而提高自己的学习效率；同时在生活中也可以为经常熬夜的上班族提供一个超负荷预警的作用，通过观察人们在工作时三大类化学物质的分泌含量来提醒人的情绪状态，为人们提供一个在长期疲劳状态下如何缓解疲劳的提示，防止“过劳死”现象的发生。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有无线充电功能的可实时检测情绪变化的智能手表。这种智能手表由眼镜框架和手表本体两大部分构成，其中眼镜框架内部包括线圈天线、电源模块、生理参数感应类传感器、信号处理部分、无线通信模块；智能手表本体内部包括电源模块、MCU模块、ADC模块、无线通信模块、蓝牙模块、音频输出模块，外部通过内嵌线圈天线的表链连接，可捕获周围的磁场能量进行无线充电，手表屏幕采用电阻触屏，其触摸敏感度弱，可通过指甲、触笔等任意物品触摸同时不易碎裂。下面对各模块进行简单的说明。

在智能手表出厂之前，厂商需要在智能手表内部安装一个语音播放软件，通过编程定义基本的功能键和切换模式的特殊按键，可针对不同人群开启不同模式，使提示的方法更有针对性，从而给人们提供更有益的解决方案。眼镜框架的线圈天线和智能手表里面的蓝牙模块之间的主要功能是定向传输能量，从智能手表向眼镜框架供电。眼镜框架里面的电源模块可以储存少量电能，在智能手表打开后会通过蓝牙模块向眼镜框架持续供电，保证眼镜框里的生理参数感应类传感器能进行实时检测在颅内杏仁核、延脑下脊髓内的多巴胺、血清素、脑内咖三大类化学物质的综合含量的变化，并将三类化学物质变化结果通过信号处理部分分别形成各自的频谱图，再通过无线通信模块将形成的频谱图传递到智能手表中的无线通信接收模块，最终将采集到的信号通过ADC模块转换成数字信号，传给MCU模块，在MCU模块内经控制单元将数字信号存储到数据寄存器内，最终经过ALU单元的运算，把运算处理后的数据暂时存储到内部寄存器中，再通过与音频输出模块事先训练好的化学物质的参数模型进行对比、分析，最终通过语音播放软件实现语音提醒功能。智能手表中的电源模块为蓝牙模块、ADC模块、无线通信模块、音频输出模块、MCU模块供电，其中电源模块由射频部分、带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分组成，可实现无线充电的功能，其中射频部分将外界的电磁波的能量转换成直流电能并储存，通过内置天线将电能传递给带隙基准电路，带隙基准电路将直流电分别传递给线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分，线性稳压部分为数字电路提供更加稳定的直流电，振荡电路部分为数字电路提供交流信号，上电复位部分为数字电路提供一个复位的功能。音频输出模块将事先处理过的频谱图进行语音参数提取和标签化，通过卷积神经网络进行训练，将训练后的参数添加到语音参数模型之中，形成匹配各类化学物质的含量多少的参数模型，根据各类模型定义喜、怒、恐、悲、欲、躁的程度，通过决策树将传入的实时数据进行分析对比，最后与训练好的模型进行匹配，通过软件编程进行语音编码并合成语音，最终通过播放软件输出语音。

通过上述两大部分中的各个模块之间的相互配合，不仅可以给智能手表进行无线充电，还可实时检测并提示人们当前所处的情感状态，并为之后的行为提出恰当的建议。

本发明具有的优势：

1.穿戴方便、实用性强。智能手表和普通手表体积相差不大，携带方便，在手表的屏幕上可显示电子时钟，眼镜框架也可以当做装饰品，也可以安装镜片当做近视眼镜。

2.保健功能显著。通过提醒人们当前所处的情绪状态并提出有效的方法，使人们经常处于愉快的生活状态。当特殊人群处于极端情绪时，还可以为人们推荐处理极端情绪的方法或播放舒缓的音乐，缓解人们的情绪。

3.计算能力强大，匹配模型准确。通过卷积神经网络在服务器上事先训练好参数模型，通过感应类传感器实时传递数据并和已有模型进行匹配，匹配成功便可用语音将对应模型的语音方案进行播放。

附图说明

图1智能手表设计示意图

图2智能手表内部电源模块示意图

图3眼镜框设计示意图

图4眼镜框内部电源模块示意图

图5音频输出模块示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明：

如图1所示为智能手表设计示意图，首先通过表链的内嵌线圈天线来捕获周围磁场能量，其中蓝牙信号和WiFi信号是捕获最多的能量来源，将获得的能量经过电源模块转换为电能为智能手表的各个模块供电，保证接收到的数据可以通过音频输出模块进行准确匹配，从而提示出最佳的方案。其中ADC模块采用5级流水线结构和逐次逼近型ADC器件，在转换位数比较高的实时传输场景可减少元器件的使用数量，简化电路结构，提升转换效率；无线通信模块采用IEEE802.15.3标准，可高速传输数据，为实时检测情感变化提供保障。MCU模块采用32位的微处理器，其中存储器采用程序和数据分开存放的哈佛结构，使处理器的执行效率提高，其总线操作可同时取指令和数据，片内共四套总线，包括程序的数据总线、地址总线和数据的数据总线、地址总线。

如图2所示为智能手表内部电源模块示意图，通过表链天线和射频部分吸收周围的磁场能量，经过吸收的磁场能量在通过其他电路部分进行电能的利用，之中的带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分与眼睛框架内的功能相同，最终实现为智能手表的各个模块供电。

如图3所示为眼镜框设计示意图，通过智能手表里的蓝牙模块向眼睛框架里的线圈天线不断提供能量，经电源模块产生电能，同时电源模块内的储能器件可存储少量电量，可保证及时为其他模块供电，使生理参数感应类传感器能不间断的采集信号，经过信号处理部分形成频谱图，再通过无线通信模块将频谱图传递到智能手表进而实现语音提示功能。其中无线通信模块也是采用IEEE 802.15.3标准，可支持高速传输数据，保障眼睛框架和智能手表本体进行实时通信。

如图4所示为眼镜框内部电源模块示意图，智能手表通过蓝牙模块为眼睛框架里的线圈天线提供能量，由线圈天线向电源模块供电，其中电源模块由带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分组成，带隙基准电路部分可以将不稳定的电信号，转换成比较稳定的直流电，再通过线性稳压部分进一步稳定电流，可提供可靠性高的直流电流，振荡电路部分会将带隙基准电路部分输出的直流电转换成一定频率的电信号，供数字电路部分使用，上电复位部分可为整个电路在电源上电时提供一个复位状态，可重置电路的初始状态。

如图5所示为音频输出模块示意图，该模块最突出的地方是应用了神经网络算法，通过大数据进行标签化，在服务器上提前训练好相应的参数模型，通过实时的数据输入，在经过决策部分与训练好的参数模型进行分析对比，找到匹配的模型后进行语音的编码及合成，最后通过手表内的软件进行语音输出。其中卷积神经网络包含输入层、隐含层、输出层，在进行语音参数提取及处理时，结合了HMM模型，使用小的卷积核用全连接层替换池化层提升其学习能力，通过构建生成模型输出语音，通过量化、采样并合成语音。最后通过软件APP将语音方案输出，实现为人们提示的作用。

Claims (7)

1.基于卷积神经网络的可检测情绪变化的无线充电式智能手表，其特征在于：该智能手表包括配套的眼睛框架和本体内的集成电路芯片，其中眼睛框架内部包含线圈天线、电源模块、生理参数感应类传感器、信号处理部分、无线通信模块；智能手表内的集成电路芯片包括电源模块、MCU模块、蓝牙模块、音频输出模块、ADC模块、无线通信模块；

眼睛框架内的线圈天线、电源模块、生理参数感应类传感器、信号处理部分、无线通信模块依次链接，电源模块为生理参数感应类传感器、信号处理部分、无线通信模块供电，其中电源模块包括带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分；

智能手表中的电源模块与蓝牙模块、ADC模块、无线通信模块、音频输出模块、MCU模块相连，并为各个模块供电，电源模块由射频部分、带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分组成，可实现无线充电的功能，其中射频部分将外界的电磁波的能量转换成直流电能并储存，通过内置天线将电能传递给带隙基准电路，带隙基准电路将直流电分别传递给线性稳压部分、振荡电路部分、上电复位部分，线性稳压部分为数字电路提供更加稳定的直流电，振荡电路部分为数字电路提供交流信号，上电复位部分为数字电路提供一个复位的功能；

眼镜框架的线圈天线和智能手表里面的蓝牙模块之间的主要功能是定向传输能量，从智能手表向眼镜框架供电，保证眼镜框里的生理参数感应类传感器能进行实时的数据信息采集并传输到智能手表；智能手表通过眼镜框内的生理参数感应类传感器检测在颅内杏仁核、延脑下脊髓内的多巴胺、血清素、脑内咖三大类化学物质的综合含量的变化，将三类化学物质变化结果通过信号处理部分分别形成各自的频谱图，再通过无线通信模块将形成的频谱图传递到智能手表中的无线通信接收模块，最终将采集到的信号通过ADC模块转换成数字信号，传给MCU模块，经控制单元将数字信号存储到数据寄存器内，最终经过ALU单元的运算，把运算处理后的数据暂时存储到内部寄存器中，再通过与音频输出模块事先训练好的化学物质的参数模型进行对比、分析，最终实现语音提醒功能。

2.根据权利要求1所述的生理感应类传感器，其特征在于：通过眼睛框架监测颅内杏仁核、延脑下脊髓内的多巴胺、血清素、脑内咖三大类化学物质的综合含量的变化，通过信号处理部分绘制频谱图，应用无线通信模块将频谱图传递给智能终端，经过ADC模块将模拟信号转换成数字信号，再传递给MCU模块进行下一步处理。

3.根据权利要求1所述的MCU模块，其特征在于：其作为集成电路芯片的中央处理器，通过控制单元来分配指令，实现计算、存储的功能，将收集到的信号传递到音频输出模块进行匹配，实现语音输出的功能。

4.根据权利要求1所述的音频输出模块，其特征在于：将事先处理过的频谱图进行语音参数提取和标签化，通过卷积神经网络进行训练，将训练后的参数添加到语音参数模型之中，形成匹配各类化学物质的含量多少的参数模型，根据各类模型定义喜、怒、恐、悲、欲、躁的程度，通过决策树将传入的实时数据进行分析对比，最后与训练好的模型进行匹配，通过软件编程进行语音编码并合成语音，最终通过播放软件输出语音。

5.根据权利要求1所述的无线充电功能，其特征在于：通过射频部分将外界电磁波转换为电能存储在表链中的线圈天线内，进而天线将电能通过带隙基准电路部分、线性稳压部分、振荡电路部分进行分类并为数字电路中的各个模块供电。

6.根据权利要求1所述的无线通信模块，其特征在于：通过WiFi或蓝牙进行信号的传递，实现眼镜框架和智能手表之间的通信。

7.根据权利要求1所述的语音提醒功能，其特征在于：智能手表应用电阻触屏，在出厂时安装一个语音播报软件，在软件中定义一些功能键，可根据不同人群实现不同模式的切换，达到便捷可视化的目的。