基于人机交互的公共空间健康监测装置设计.pdf

鞋类工艺与设计SHOES TECHNOLOGY AND DESIGN2024 年 1 月第 4 卷 第 1 期Jan.2024Vol.4 No.1197基于人机交互的公共空间健康监测装置设计栾 旭，黄恺琳，王志俊（江南大学，江苏 无锡 214122）摘要：随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对自身健康状况和公共空间环境安全越来越重视，在公共场所提供健康监测具有广泛的社会需求。本文利用智能交互设计平台将艺术与科技相结合，设计了一款以“Starry Sky”为主题的健康监测装置，装置能测量体温、心率、血氧等生命体征参数，提醒有发烧等状况的人及时就医，通过数据可视化使不同使用者之间的数据产生联动和相互影响，拉近人与人之间的心理距离。本装置可以配置到医院、社区、商场等公共场所，为人们提供自助健康监测，保障公共空间的环境安全。关键词：Arduino；Processing；公共空间；健康监测；人机交互中图分类号TP242文献标识码A DOI:10.3969/j.issn.2096-3793.2024-01-064Design of Public Space Health Monitoring Device based on Human-Computer InteractionLUAN Xu，HUANG Kailin，WANG Zhijun(Jiangnan University,Wuxi 214122,China)Abstract:With the development of society and the improvement of peoples living standards,people pay more and more attention to their own health conditions and the environmental safety of public space,and health monitoring in public places has a wide range of social needs.Using the intelligent interactive design platform,combining art and technology,this paper has designed a health monitoring device with the theme of“Starry Sky”.The device can measure vital signs parameters such as body temperature,heart rate,blood oxygen,and remind people with health conditions such as fever to seek medical attention in time.Through data visualization,the data between different users can produce linkage and mutual influence,and narrow the psychological distance between people.The device can be configured in hospitals,communities,shopping malls and other public places to provide self-service health monitoring for people and ensure the environmental safety of public space.Key words:arduino;processing;public space;health monitoring;interaction design引 言公共空间环境是否安全是人们外出就医、购物等考虑的重要问题，老年人、有基础疾病的患者更加重视。如何为公共空间环境安全提供保障，为忙于工作的职场人士、学校中的学生、医院就医的病人、老年人提供便捷的健康监测服务，是社会发展提出的新需求。本文利用 Arduino 电子原型开发平台和 Processing 视觉交互编程语言将艺术与科技进行有机结合，设计了以“Starry Sky”星空为主题的人机交互健康监测装置。与目前市场上各具特色的艺术性交互装置不同的是，本装置除了具有各种多媒体艺术效果，为使用者提供良好的听觉视觉体验外，还兼具了实用性功能，具有医用级体温、心率、血氧等生命体征参数监测功能，使装置具有了更广泛的应用场景和更大的应用价值。1 交互装置总体设计健康监测装置由信息采集和数据可视化两部分组成。信息采集部分以 Arduino 主板为控制核心，管理超声波测距模块、红外测温模块、血氧心率监测模块用于检测人机间距，生命体征参数监测，并进行相应功能操作。数据可视化软件由上位机运行，大尺寸液晶或 LED 屏幕显基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目基于云端的老年人医院智慧就医陪护系统（项目编号：202310295071Z）作者简介：栾旭（2003-），男，本科在读，研究方向：交互设计、产品与服务设计，.第 4 卷设计论坛鞋 类 工 艺 与 设 计198示，通过星空动画提供健康信息的可视化显示，语音播报，健康知识个性化播放等。监测装置总体结构，见图 1。图 1 监测装置总体结构框图2 信息采集软硬件设计2.1 Arduino 主控板传感器信息采集由 Arduino 主板实现。Arduino 是全球流行的开源电子原型开发平台，能通过传感器感知环境，控制开关、步进电机等设备的工作，实现人机交互和智能控制。Arduino 简便易用的开发方式吸引了计算机、电子、艺术设计等专业的技术和设计人员利用 Arduino 平台开发产品原型和艺术装置。本装置采用 Arduino Nano 作为主控板。Nano 是比UNO 板尺寸更小的开发板，该板基于 ATMega328P 微处理 器，具 有 32KB 闪 存、2KB SRAM、1KB EEPROM，14 个数字 I/O、6 个 PWM 通道、8 个模拟输入通道、1 个UART、1 个 SPI 接口、1 个 I2C 接口1，可以满足装置功能需求。2.2 超声波测距模块监测装置通过超声波测距检测有没有人以及人与装置的距离，并执行相应的交互功能。超声波是指超出人耳听觉范围，频率大于 20KHz 的机械波。超声波测距与雷达原理相似，超声波发射器发射超声波并开始计时，如果前方有障碍物，会将超声波反射回来，超声波接收器接收到后停止计时，利用超声波传输时间和声波传输速度就可以计算出距离2。本装置测距选用 HC-SR04 超声波模块，该模块集成了超声波发射器、超声波接收器和信号放大处理电路。模块测量角度 15，探测范围 2400cm，测距精度 3mm。模块回响信号 ECHO 和触发信号 TRIG 分别与Nano 板的 D8、D9 引脚连接。测量距离时，D8 脚向超声波模块 TRIG 发送 10us 高电平触发脉冲，模块连续产生8 个 40kHz 脉冲信号，驱动超声波发送器发出超声波，超声波接收器检测到回波后，从 ECHO 脚向 D9 发送回响高电平脉冲，脉冲宽度为超声波从发出到接收到回波的持续时间，据此可以计算出距离为：距离=回响脉冲宽度*声速/2 式 1声速取 340m/s，测距精度要求高时还需要根据环境温度进行声速补偿。2.3 红外测温模块温度测量分为接触和非接触两种方式，接触测温所需时间比较长，容易受周围环境温度影响。非接触的红外测温通过检测物体红外辐射能量测量温度，具有测温范围宽、响应速度快，能有效避免病毒细菌交叉传播感染等优点。温度测量选用比利时迈来芯（Melexis）公司的MLX90614 红外温度传感器。该传感器尺寸小，易于集成，既能测量环境温度，又能测量物温体温，测量范围-70382，精度 0.5，分辨率 0.02，加装透镜测量距离可达到数米3。MLX90614有SCL时钟线和SDA数据线两条信号线，分别连接 Nano 板的 D6、D7 引脚。MLX90614 测量的温度数据存储在内部只读存储器中，0 x06 地址单元是环境温度，0 x07 和 0 x08 地址单元是物体温度数据。温度数据由高低两个字节组成，数据范围为 0 x27ad0 x7fff，对应的温度范围是-70.01382.19。Nano 板从传感器读取数据后，利用以下公式计算温度：T=（DataH：DataL）*0.02-273.15 式 22.4 血氧心率监测模块血氧和心率监测选用美国美信（Maxim）半导体公司MAX30102 传感器，该芯片是一款集成高灵敏脉搏血氧仪和心率监测生物传感器的多功能模块，可用于可穿戴及健康医疗设备。MAX30102 通过与标准 I2C 兼容的接口与 Nano 板的 I2C 总线接口连接，SDA 连接 A4 脚，SCL连接 A5 脚，通过 I2C 总线协议进行通信。动脉血氧饱和度（SaO2）是指动脉血液中氧与血红蛋白（Hb）结合的程度，反映了身体是否缺氧以及缺氧程度。健康人的血氧饱和度为 95%100%，低于 95%就可能出现乏力、胸闷、气短等症状，血氧检测对于老年人、呼吸疾病患者具有重要意义。心率和血氧检测时，红光LED 和红外 LED 交替闪烁，光电探测器接收到反射的两种光信号后，确定波峰和波谷数据，得到两种波长的直流和交流分量，运算处理得到血氧饱和度和心率数据4。2.5 Arduino 主程序设计健康检测装置启动后，Arduino 微控制器首先控制红外温度传感器测量环境温度，然后通过超声波模块检测第 1 期设计论坛199栾旭，等 基于人机交互的公共空间健康监测装置设计周围环境有没有人，如果没有人或有人但距离较远，将环境温度和距离数据通过串口上传到上位机。当有人靠近时，语音提示进行体温、心率和血氧监测，并将接收到的传感器数据处理后发送到上位机，由上位机交互软件进行数据可视化显示，语音播报。3 交互界面设计3.1 Processing 视觉交互编程语言Processing 是专为视觉交互和电子艺术开发的开源编程语言，Processing 源自 Java 语言，可以调用 Java 语言强大的类库，还可以与 Arduino 协作，使图形化界面通过单片机与传感器、步进电机等硬件互动，是技术人员、艺术家、设计师进行智能交互产品开发、创造丰富多彩互动作品的有效工具5。3.2“Starry Sky”主题交互界面设计利用 Processing 编程开发环境，设计兼具艺术性与实用性的图形动画交互界面，界面主题为 Starry Sky（满天星）。Processing 项目有两个基本函数：setup（）函数进行系统初始化，用于屏幕尺寸、显示模式、串行口等设置，仅在项目开始时执行一次。draw（）函数是系统运行的主函数，通过连续不断的循环运行实现屏幕动态显示，实现与用户的交互。装置首先通过粒子动画形式显示主题Starry Sky，见图 2。（a）为动画粒子从周围向中心开始汇聚，（b）为粒子汇聚为 Starry Sky 艺术主题。然后粒子汇聚为 Health monitoring，即健康监测主题，同时粒子产生颜色和样式千变万化的瀑布流炫丽效果，提高艺术观赏性，吸引人们参与互动，见图 2（c）（d）。装置空闲运行状态为一个蓝色星球孤独地漂浮在夜空中，伴随 Starry Sky 音乐缓慢自转，创造一种空灵幽静的意境。3D 旋转星球通过调用 star3D（）函数显示，星空背景音乐通过调用 playLoopMusic（）函数循环播放。每个参与者完成健康监测后，都将在夜空中点亮一颗星，随着参与人的增加，深邃幽暗的夜空慢慢变得星光璀璨，充满生机与活力。呼吁人们关心自身健康，关注他人健康，以包容、牵手、合作的态度促进社会健康事业的发展，让每个人的付出温暖周围的人，让每个人都被社会的友爱照耀，使疾病远离，为工作繁忙、充满焦虑、被疾病困扰以及慢慢老去的人们带来心理的抚慰和内心的安宁。界面显示的繁星由 Star（）类实例化实现，设计了星星闪烁、移动、产生、消逝等功能。通过调用 starLight（）函数实现星星点灯。在无人检测时，中心星球位于远处，并缓慢自转，当有人靠近时，超声波传感器检测距离变化，并逐渐拉近放大星球，形成人与星球无感互动的效果。(a)粒子动画开始(b)粒子汇聚为 Starry Sky(c)粒子汇聚为 Health monitoring(d)粒子流瀑布效果图 2 Starry Sky 粒子动画开始界面体温是反映身体健康状况的重要体征指标，在医院、社区等公共场所中进行体温监测非常重要。装置检测到附第 4 卷设计论坛鞋 类 工 艺 与 设 计200近有人时，声音提示进行健康检测，当人体靠近红外温度传感器时，自动无感检测体温并在屏幕下方信息栏显示体温数据，同时通过星球的颜色对应显示体温状况：当体温低于 36.0时星球为蓝色；当体温位于 36.0-37.3之间时，体温正常，星球为绿色；当体温位于 37.3-39.0之间时，星球为橙色表示发烧；当体温超过 39.0时，星球为红色表示发高烧，需紧急就医。不同体温界面显示效果，见图 3。(a)蓝色：体温偏低（b）绿色：体温正常(c)橙色：发烧(d)红色：发高烧图 3 健康信息可视化界面健康监测的另外两个体征参数血氧和心率数据通过信息栏显示，心率还作为星球自转的速度参数。设置星球绕 Y 轴旋转角度增量变量 angleIncY，等待状态设置 angleIncY=PI/180/5，每帧画面旋转 0.2，星球缓慢自转。当进入心率有效监测状态，通过以下命令将心率设置为旋转增量 angleIncY 的自变量：angleIncY=PI/180*（int（hbRate）/30）。心跳频率开始驱动星球旋转，使检测者体会到与星球同频共振的奇妙感受，意识到生命健康的重要意义。4 结 语Starry Sky 健康监测装置通过在医院、商场等公共空间运行测试，各项测量数据均达到了预期设计目标，能为人们提供便利的健康自测，同时能保障公共空间的环境安全。动画音乐等多媒体形式的星空主题互动设计，吸引人们主动参与体检，拉近了人与人之间的心理距离，愿意主动分享健康理念，关心自身和他人身心健康，成为陌生人之间交往的助推器，促进社会和谐发展。本装置还可以增加血压、血糖、体重等监测功能，配置到养老院、社区等公共场所，为老年人提供日常健康自测，为老龄化社会发挥积极作用。参考文献：1 黄明吉，陈平.Arduino 基础与应用 M.北京航空航天大学出版社，2018.2 邢东洋.超声波雷达预警系统的设计和实现 J.科学技术创新，2022(10):185-188.3 罗元政，叶志诚，洪渭.基于 Arduino 的网页端红外温控系统设计 J.科技创新与应用，2021（25）：24-27.4 吴全玉，贾恩祥，戴飞杰，等.便携式低功耗可穿戴心率血氧监测系统的设计 J.江苏理工学院学报,2020，26(4):53-61.5（美）丹尼尔.希夫曼著；李存译.Processing 编程学习指南（原书第 2 版）M.机械工业出版社，2017.