基于情緒反饋的智能寵物犬服裝研究

文 | 吳忻舟 汪家俊 程哲 陳嘉怡 魯鈺

近年來，隨著國民生活水平的提高，人們在追求物質(zhì)生活舒適的同時，也更加追求精神生活的愉悅，寵物犬也因此成為許多家庭的特殊成員。但它們在給人們帶來歡樂的同時，也同樣帶來了一些問題，寵物的疾病、不良行為等問題牽動很多主人的神經(jīng)。寵物犬的抑郁癥、躁郁癥等不良情緒問題引發(fā)的恐嚇、傷人事件等嚴(yán)重破壞了社會和諧與公共安全。通常情況下，我們可以通過狗尾搖擺、停留狀態(tài)來判斷狗的情緒 ，如狗尾巴水平搖擺，且幅度很大，代表其很開心；如果狗尾巴高翹，且末端搖擺，代表其有準(zhǔn)備攻擊的可能。但由于寵物犬存在個體差異性，加上人們的認(rèn)知水平不同，傳統(tǒng)的判斷方法不具備準(zhǔn)確性和科學(xué)性。因此，開發(fā)一款自主識別寵物犬情緒的產(chǎn)品，能及時告知寵物情緒的異常，并提醒其主人做出相應(yīng)的措施，將有效規(guī)避上述問題。

情緒識別的方法主要基于非生理信號（面部表情、語音、行為等方面）和生理信號（心率、皮膚抗阻、呼吸信號、大腦信號等）兩大類。對于寵物犬來說，其情緒外顯和大腦活動并沒有人類復(fù)雜（從不同的角度可以將人的情緒大致分為 6 類），且其大部分非生理信號可通過目測獲取，故僅從情緒的正負(fù)狀態(tài)和強(qiáng)烈程度就可以大致分類概括其情緒，且基于一般的生理數(shù)據(jù)即可構(gòu)建其情緒模型探求情緒與生理數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。生物情緒狀態(tài)的生理測量對于理解潛在的生物學(xué)關(guān)系至關(guān)重要，心率變化可作為研究生物情緒狀態(tài)的生理測量指標(biāo)。國內(nèi)外研究者在利用生物的生理數(shù)據(jù)識別情緒方面做了許多探索，如日本學(xué)者大野一典團(tuán)隊(duì)通過收集到的心率數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了兩只SAR犬在實(shí)驗(yàn)過程中的情緒轉(zhuǎn)換可視化；美國學(xué)者麗塔·布魯加羅拉斯團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款新型非侵入性可穿戴傳感器，可系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外動物的壓力和興奮的生理相關(guān)性；馬克·福斯特及其團(tuán)隊(duì)利用一種新型無線心率傳感系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)犬的心電圖數(shù)據(jù)，基于心率數(shù)據(jù)預(yù)測實(shí)驗(yàn)犬在導(dǎo)盲測試中的情緒表現(xiàn)，得到了導(dǎo)盲犬工作過程中的兩個行為檢查清單；杜凱探究了心理學(xué)中情緒概念借助于溫度隱喻的構(gòu)建關(guān)系；張超嘗試?yán)梦锫?lián)網(wǎng)構(gòu)建心率監(jiān)測與情緒監(jiān)控系統(tǒng)；劉恒通過機(jī)器學(xué)習(xí)提取特征參數(shù)、聚類分析聲音信號以輔助狗情緒的識別。這些研究從理論上證明了各生理信號可以很好地反應(yīng)生物情緒的變化。

當(dāng)下服裝產(chǎn)業(yè)與醫(yī)療、體育、互聯(lián)網(wǎng)等經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)正在掀起一場“可穿戴革命”，智能可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而出 。在寵物智能穿戴上，基于不同需求的智能產(chǎn)品也層出不窮，如姜茂欣等設(shè)計(jì)了一款基于Lily Pad Arduino的智能狗夜行服，以提高服裝在夜間的醒目程度，降低寵物狗夜行滋生安全事故的可能性；Play Date智能寵物玩具球作為一款遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，可以監(jiān)控寵物的活動并能夠以地板視角與寵物互動。這些智能寵物穿戴產(chǎn)品都在一定程度上方便主人與寵物之間的互動與交流，但在直觀識別寵物情緒以有效滿足用戶對寵物的情感關(guān)懷方面還存在不足。

由上述研究可知，目前全功能綜合性、以日常生活為導(dǎo)向的智能感知寵物服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域還存在一些可探索空間。本文旨在設(shè)計(jì)一款基于情緒反饋的智能寵物犬服裝，通過對溫度、心率、呼吸頻率等因素對寵物情緒的聚類分析獲取映射關(guān)系，使傳感器與手機(jī)APP進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)服裝、硬件、軟件的相互結(jié)合與寵物情緒的及時反饋，在科學(xué)關(guān)注寵物犬心理動態(tài)、減輕其發(fā)病威脅的同時，更好地促進(jìn)家庭和睦及社會和諧。

1 情緒模型生理指標(biāo)分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作與測試之前，通過市場調(diào)查，確定了智能寵物犬服裝情緒模型建立的生理指標(biāo)，具體調(diào)研潛在用戶對自家寵物犬情緒識別不同程度的人數(shù)比以及生理指數(shù)影響情緒在相關(guān)程度上的排名。本次調(diào)研發(fā)放問卷共100份，并回收有效問卷共計(jì)88份，調(diào)研對象為武漢市洪山區(qū)民族大道遛狗居民。

調(diào)查結(jié)果顯示，總樣本中對自家寵物犬情緒識別不同程度的人數(shù)比例分別為：完全無法識別（10.23%）、存在障礙（37.50%）、效果不理想（30.68%）、很好地識別（21.59%）。此外，在很好地識別樣本中對生理指數(shù)影響情緒在相關(guān)程度上的排名中，前三名分別為溫度、心率與呼吸頻率。

故依據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，本研究確定了智能寵物犬服裝情緒模型建立的生理指標(biāo)。

2 智能犬服的研發(fā)設(shè)計(jì)

服裝系統(tǒng)主要由硬件模塊、服裝版塊、系統(tǒng)上位機(jī)軟件等 3 部分組成。依據(jù)調(diào)查問卷，選擇與設(shè)計(jì)能夠成功反饋寵物犬溫度、心率與呼吸頻率相對應(yīng)的硬件與軟件，并做好合適的面料與結(jié)構(gòu)選擇。由此確定總體研究框架的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 寵物犬服的總體研究框架

2.1 硬件設(shè)計(jì)

服裝硬件系統(tǒng)由開發(fā)板、溫度傳感器、心率傳感器和可充電鋰電池等 4 部分構(gòu)成。

ESP8266mini開發(fā)板作為信息處理模塊和WIFI模塊，不僅配置有Esp8266網(wǎng)絡(luò)模塊，且配置有一般開發(fā)板的常用功能以及icc、pwm、串口等常見通信，并且可以使用Arduino IDE對其進(jìn)行開發(fā)，功能和兼容性強(qiáng)大。通過串口通訊的方式使用Esp8266芯片將傳感器數(shù)值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測平臺，該平臺是由處理器在IP地址上創(chuàng)建的手機(jī)端網(wǎng)頁，可以收到并展示由處理器處理后的傳感器數(shù)據(jù)。該IP地址所連接的網(wǎng)頁可以通過手機(jī)用戶端進(jìn)行訪問。Arduino Nano開發(fā)板是Arduino Uno的微型版本，是基于ATmega328p的小型開發(fā)板，可用來開發(fā)需要獨(dú)立運(yùn)行并具備互動效果，也可用來開發(fā)出與電腦相連接，同其他軟件一起合作完成的互動產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選擇MLX90614紅外溫度傳感器以獲取寵物犬表皮溫度數(shù)據(jù)。獨(dú)特的單口接線方式使其在與處理器連接時，僅需一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。其具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為在測溫應(yīng)用場合上的最佳選擇。同時，為獲取寵物犬血氧心率數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇MAX30102心率血氧傳感器，該傳感器是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測器模塊，采用光電容積脈搏波描記法，通過測量血液中血紅蛋白隨心臟跳動而對氧氣吸收的變化量來測寵物心率。此外，為獲取寵物犬呼吸信號數(shù)據(jù)，將收集到的血氧心率數(shù)據(jù)通過算法進(jìn)行分析，即可獲得寵物犬的呼吸頻率。

基于織物特性，依據(jù)智能服裝輕便的設(shè)計(jì)需求，選用鋰電池作為電源供電模塊，嵌入集成電路板上。其具備質(zhì)量輕、體積小、功耗低及適應(yīng)度高的特點(diǎn)，可以較好地滿足智能服裝輕便化、易穿脫、可收納的需求。各傳感器和鋰電池均與開發(fā)板進(jìn)行連接通信：電源正極分別與Esp8266處理器的 0 號引腳以及各傳感器的VCC引腳相連；同時Esp8266處理器的D1、D2引腳分別與各傳感器的out引腳相連。各傳感器采集到的模擬信號通過采集板送到開發(fā)板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，PC端的程序?qū)﹂_發(fā)板串口傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行處理并識別情緒，識別結(jié)果通過WIFI模塊傳輸給阿里云平臺。手機(jī)APP與阿里云建立聯(lián)系，獲取即時數(shù)據(jù)。上述各硬件確立完畢后，將其制成集成電路，如圖2 所示。

圖2 集成電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)平臺中開發(fā)產(chǎn)品并設(shè)置配置，在Iot Studio中設(shè)計(jì)界面和配置數(shù)據(jù)源。通訊協(xié)議為http，數(shù)據(jù)接收選擇使用阿里云平臺搭建物聯(lián)網(wǎng)模型，構(gòu)建網(wǎng)頁端。利用Arduino IDE編寫程序，編寫程序之前需要下載相應(yīng)編碼庫以支持不同硬件的編譯與刻錄。針對單片機(jī)與阿里云服務(wù)器之間的互聯(lián)問題，在AliyunIoTSDK函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行編譯，配置阿里云三元組。將配置完成的代碼通過USB連接線刻錄至Esp8266處理器。通過WIFI模塊將單片機(jī)接收到的各傳感器實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到云平臺，搭建用戶端APP數(shù)據(jù)顯示的基礎(chǔ)環(huán)境。

選擇使用UI設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行手機(jī)APP頁面圖標(biāo)和審美的設(shè)計(jì)。在APP的頁面設(shè)計(jì)的監(jiān)測服務(wù)界面中，用戶可實(shí)時獲取寵物心率、溫度、呼吸頻率、情緒以及智能服裝的開關(guān)狀態(tài)等相關(guān)信息。軟件界面如圖3 所示。

圖3 軟件監(jiān)測界面

2.3 服裝設(shè)計(jì)

服裝版塊由內(nèi)襯與外套拼接縫制而成。其中，里料為石墨烯纖維與棉纖維、氨綸的混紡面料（90%棉、3%石墨烯、7%氨綸），并經(jīng)過艾草提取液浸漬烘燥處理，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)蚊抑菌的功能；外料為純棉面料，具有保暖與舒適性。此外，服裝背面縫制口袋用來放置集成電路，服裝四肢縫制有反光條。服裝版塊的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 款式結(jié)構(gòu)圖

為滿足醒目美觀的需求，服裝以整潔大方的寶藍(lán)色為主色調(diào)，并在服裝四肢兩側(cè)表面縫貼反光條，使其外出活動時更為醒目。此外，為滿足易穿脫收納的需求，設(shè)計(jì)由紐扣代替拉鏈。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)Thayer模型中的情緒強(qiáng)烈程度和情緒正負(fù)狀態(tài)，本研究將寵物犬的情緒大致分為興奮、憤怒、愉悅、平靜等 4 種待測指標(biāo)。為探求目標(biāo)生理數(shù)據(jù)與寵物犬情緒的映射關(guān)系，在服裝與硬件結(jié)合完畢之后，征集寵物犬進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。

為了盡量減少毛發(fā)（影響硬件）、犬年齡（影響配合度）、犬型和健康程度（影響情緒表現(xiàn)）、犬種（影響生理參數(shù)）等因素對數(shù)據(jù)的影響，利用設(shè)計(jì)好的 3 件紡織成品，隨機(jī)征集 9 只愿意配合且配合度良好的中型、短毛、健康良好的成年寵物柴犬進(jìn)行數(shù)據(jù)收集實(shí)驗(yàn)。平均每天測量 3 只實(shí)驗(yàn)對象，共用時 3 天。記錄下實(shí)驗(yàn)對象在實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)（7 月上旬的6：00 — 20：00）不同情緒對應(yīng)的溫度、呼吸頻率、心率等生理數(shù)值的變化?？紤]到情緒的漸變特性，每隔10 min記錄一次。為規(guī)避外界自然環(huán)境和社會環(huán)境對實(shí)驗(yàn)的干擾，將大學(xué)綠坪操場作為實(shí)驗(yàn)對象的活動場地。

本次實(shí)驗(yàn)共計(jì)獲取到765個有效樣本數(shù)據(jù)，其中，激動的情緒樣本共148個，憤怒的情緒樣本共107個，愉悅的情緒樣本共223個，平靜的情緒樣本共287個。情緒變化的數(shù)據(jù)由動物相關(guān)專業(yè)人士測量和各實(shí)驗(yàn)對象主人輔助判斷獲得。

3.2 聚類分析

將收集到的情緒對應(yīng)的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提取特征值。通過MATLAB軟件的K-means聚類算法得到寵物犬各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)與其情緒的映射關(guān)系。

從MATLAB程序?qū)С龅木酆辖Y(jié)果（圖5）來看，情緒與各生理指標(biāo)的映射關(guān)系如表1 所示。

表1 情緒與各生理指標(biāo)的映射關(guān)系

圖5 情緒與各類指標(biāo)聚類效果圖

根據(jù)聚合結(jié)果展示的情緒與各生理信號之間的映射關(guān)系，確定了 4 種情緒分別對應(yīng)的各生理數(shù)閾值。設(shè)置傳感器閾值并寫入閾值判斷流程后，當(dāng)實(shí)時監(jiān)測的各傳感器數(shù)據(jù)均滿足某一情緒對應(yīng)的閾值時，輸出該情緒名稱，即主人可通過APP的監(jiān)測界面實(shí)時監(jiān)測到寵物情緒。各傳感器數(shù)據(jù)滿足不止一種情緒對應(yīng)的閾值時，返回繼續(xù)監(jiān)測。

4 服裝效果展示與評測

4.1 產(chǎn)品效果展示

利用illustrator進(jìn)行款式設(shè)計(jì)，同時借助CLO軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬仿真展示，將動態(tài)的面料與靜態(tài)的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，虛擬仿真效果如圖6 所示。

圖6 服裝虛擬仿真效果

4.2 功能性測試

為及時排查該產(chǎn)品主系統(tǒng)相關(guān)功能的有效性和穩(wěn)定性，需要對情緒反饋系統(tǒng)進(jìn)行模塊集中化測試，即同時開啟系統(tǒng)內(nèi)可運(yùn)行硬件，并使其保持無障礙工作狀態(tài)至少24 h。通過對開發(fā)板中各硬件運(yùn)行狀態(tài)以及WIFI模塊的數(shù)據(jù)傳輸接收情況進(jìn)行觀察，以判定系統(tǒng)是否存在相應(yīng)問題。

為驗(yàn)證該套情緒反饋系統(tǒng)中信號采集模塊得到的數(shù)據(jù)可適用于由MATLAB聚類算法構(gòu)建的擬合模型，故對該系統(tǒng)判斷的情緒數(shù)據(jù)與方法 1（狗尾搖擺停留情緒判斷法）、方法 2（專業(yè)人士評測和主人輔助判斷法）等兩種寵物犬情緒識別方法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

隨機(jī)征集 5 只愿意配合且配合度良好的中型、短毛、成年寵物柴犬進(jìn)行試穿測試，模擬生活中的多種環(huán)境，獲取其情緒數(shù)據(jù)。為保證該服裝功能的普用性，寵物犬的性格、犬齡、生活環(huán)境互不相同。平均每只實(shí)驗(yàn)對象檢驗(yàn)次數(shù)為15次（每隔 1 h將實(shí)時監(jiān)測結(jié)果記錄一次，實(shí)驗(yàn)時間為6：00 — 20：00），共計(jì)獲得75份有效數(shù)據(jù)。其中，某一只實(shí)驗(yàn)對象的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)（節(jié)選8：00 — 17：00的整點(diǎn)測量數(shù)據(jù)）如圖7 所示。

圖7 某監(jiān)測對象實(shí)時監(jiān)測效果

將同一個時間下，通過 3 種測量方法監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行差異比對。其中，情緒反饋服裝測出的激動情緒共14份、憤怒情緒共12份、平靜情緒共29份、愉悅情緒共20份。分別將情緒反饋服裝測出的 4 種結(jié)果與方法 1、方法2 進(jìn)行比對，計(jì)算比對正確率，如表2 所示。其中，比對正確率＝（1-差異個數(shù)/對應(yīng)情緒樣本總數(shù)）×100%。

表2 比對下的正確率 %

結(jié)果表明，該服裝情緒反饋比對正確率總體超過75%，某單一情緒比對正確率不低于70%，即該情緒識別算法模型可適用于寵物犬的日常情緒反饋，且識別能力較好。

5 結(jié)論

本文基于寵物犬的情緒與健康狀況，針對目前抑郁癥、躁郁癥等不良情緒威脅寵物犬及主人的身心健康及破壞社會和諧等問題，對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有市場進(jìn)行調(diào)研?；贏rduino開發(fā)環(huán)境，通過各類傳感器和Esp8266單片機(jī)獲取并處理寵物犬實(shí)時的生理信息，并將這些生物信息與大規(guī)模樣本聚合模型進(jìn)行擬合得出閾值，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種具備情緒反饋能力的智能寵物犬服裝。

該智能紡織產(chǎn)品通過數(shù)據(jù)收集、可視化及分析等技術(shù)手段，將寵物的生理數(shù)據(jù)等用數(shù)字表現(xiàn)出來，令“量化自我”技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用，甚至還可作為體育、衛(wèi)生、旅游、教育等行業(yè)的輔助。未來可從美化APP個性時尚設(shè)計(jì)、優(yōu)化聚類模型使用的方法以及細(xì)化各生理指數(shù)的參照等方面進(jìn)行研究改進(jìn)。