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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:姜依帆 (2015-07-28);推薦:徐業良(2015-07-28)

附註:本文為103學年度元智大學機械工程研究所姜依帆碩士論文「以加速度感測器為核心發展穿戴式裝置個人生活型態模式分析技術」第一章。

第一章     研究背景與目的

本章以描述現今穿戴式裝置與健康管理的關聯性,並整理相關健康管理功能之穿戴式裝置相關文獻,歸納出本研究目的。

1.1    穿戴式裝置風潮

2011年科技大廠Google推出光學頭戴式裝置Google Glass(圖1-1),以免手持方式顯示各種資訊如天氣新聞收發電子信件等,並具備虛擬實境遊戲效果,且Google Glass能根據使用者的位置提供相應的交通訊息,同時提供地圖服務,Google Glass對於穿戴式裝置的新突破,喚起市場對穿戴式裝置發展的關注。

1-1. Google Glass[1,2]

由於Google Glass可使用的應用程式少以及其價格昂貴,並未得到市場青睞,雖其反應不如預期,即使穿戴式裝置仍處於初期發展階段,但全球穿戴式裝置市場仍於2015年第一季創下連續八季成長的紀錄,主力以健身手環與其他簡易型的穿戴式裝置為主。根據市場研究機構IDC統計,2015年第一季全球穿戴式裝置出貨量達1140萬,比起2014年第一季的380萬,年成長率達200%[3]。穿戴式裝置與網路的結合擴展了使用者與硬體間互動體驗、改變應用服務的方式,且近來年健康管理的觀念越來越受重視,使用者開始規劃運動、注重相關健康資訊,以維持個人健康狀況,但礙於使用者過去管理相關健康資訊不便,降低使用者健康狀況保持的持續性,如今拜資訊科技進步之賜,加上雲端應用的普及和互聯網的萌芽,使用者藉由穿戴式裝置達到自主健康管理成為新趨勢,以預防生活中潛在生理警訊。

2015年第一季全球穿戴式裝置出貨量中,小米手環(Mi-Band)(圖1-2)達到280萬隻,排名第二,市場佔有率為24.6%。主要原因在於小米手環在2014上市之後,開始積極拓展至印度、印尼、馬來西亞、新加坡、香港、台灣等東南亞地區販售。且發揮低價本色,以台幣395元價格販售。小米手環內建低功耗藍牙模組及三軸加速度感測器,待機狀況時續航力可達30天,小米手環能與Android 4.4以上作業系統與藍牙4.0以上的行動裝置搭配使用,並可以通過APP即時查看運動量、監測走路和跑步的效果,還可以通過雲端識別更多的運動項目,且會自動判斷是否進入睡眠狀態,分別記錄深眠和淺眠分布時間,幫助用戶監測自己的睡眠質量。

1-2. 小米手環[4]

穿戴式裝置可以量測的生理訊號常以心率、體溫、體汗為主,有量測位置的限制,且需要電極緊貼皮膚。穿戴式裝置常以加速度感測器(G-sensor)為核心,量測使用者動作訊號,比較起來較無量測位置限制,亦不需電極緊貼皮膚,實務使用上較為方便,設計彈性也較大。目前市售多款穿戴式裝置僅內建G-sensor,多為手環式裝置,如小米手環Jawbone UP24Nike+ FuelBandWithings Activite PopMISFIT SHINEFastfox等,可紀錄使用者的活動時間、運動指標、睡眠時間等相關功能,搭配手機App應用程式,供使用者便於查看生活模式且得到相關健康資訊。

1.2    穿戴式裝置服務應用

穿戴式裝置服務應用包括技術應用生活應用運動健身醫療輔助交通服務福利應用六大種類如圖1-3,隨著穿戴式裝置雨後春筍般出現,產品設計也趨向省電防水穿戴形式更多元的模式;本研究以探討偵測個人生活型態應用為主,目前市售穿戴式裝置許多搭載特殊感測器,量測使用者各種動作訊號或生理訊號,如能進一步分析這些大量訊號,找出使用者每天活動中的隱藏關聯和模式,進而規劃、提供相關的衍生服務才能為穿戴式裝置產生出真正的價值

1-3. 穿戴式裝置服務應用種類

本研究以G-sensorAPP」為系統主要架構設計,市售商品小米手環Jawbone UP24Nike+ FuelBandWithings Activite PopMISFIT SHINEFastfox六種與本研究相似產品的規格差異使用情境討論如下:

(1)   小米手環

小米手環提供步數行走距離卡路里睡眠品質生理數據,以步數為基礎根據年齡、性別、身高、體重差異計算所消耗卡路里,可做為運動紀錄或查看睡眠狀況,以及螢幕解鎖、來電提醒和智慧鬧鐘等功能。小米手環中有ADXL362三軸加速度感應器,可以偵測運動時步數如走路或跑步運動,並透過藍芽功能將記錄傳送到APP中,可以即時查看數據的變化,也可以針對每日行走步數進行目標設定,並且透過手機指示燈告訴配戴者;小米手環包含了社群分享功能,可以將運動數據上傳到社群網站如微信、QQ、微博、LINE或是Facebook分享數據。

1-4. 小米手環與APP應用程式[5,6]

(2)   Jawbone UP24[7]

Jawbone UP24具有步數、卡路里、睡眠品質、鬧鐘、飲食紀錄、體重目標功能,以根據年齡、性別、身高、體重計算卡路里活動強度和持續時間,記錄辦法以先記錄運動時間,事後再編輯、選擇不同的運動,卡路里會依照記錄內容差異亦不同,並提供飲食紀錄功能結合運動目標,若欲切換睡眠模式需手動追蹤,使用者可利用藍芽同步傳輸數據至行動裝置APPJawbone UP24會將使用者的資料上傳至Server雲端儲存,以便若使用者替換不同行動裝置時,不需重複輸入,並可於社群網站FacebookTwitter分享數據。

1-5. Jawbone UP24手環與APP應用程式[8]

(3)   Nike+FuelBand[9]

透過FUEL運動評估指數來記錄用戶成就,設定不同的運動強度等級,利用FUEL的積分測量用戶運動過後所消耗的卡路里,Nike+ FuelBand可以顯示用戶活躍運動的時段、消耗的卡路里、步行的次數等,且使用者可自行設定Fuelband目標分數提升目標動力,使用者亦可與同樣使用此款產品的好友進行FUEL運動指數的比賽,增加產品互動性。此產品以M7運動感測協同處理器(M7 motion coprocessor),負責測量來自加速感應器、陀螺儀及指南針的動作感應資料,M7運動感測協同處理器主要目的是為了降低電池的消耗。

1-6. Nike+ FuelBandAPP應用程式[10]

(4)   Withings Activite Pop

Activite Pop可記錄跑步游泳及睡眠狀況生理數據,包括步數、卡路里消耗量、跑步持續時間及距離,亦支援30米防水性能,且能利用鬧鐘功能震動喚醒,並能跨越時區自動調整時間,續航力長達八個月;Activite Pop錶盤上有代表使用者步數的刻度,此刻度正常狀態下被設定為10,000步,也可透過Health Mate APP於不同的運動項目時設定每日運動目標。

1-7. Withings Activite PopAPP應用程式[11]

(5)   MISFIT SHINE

利用藍芽連接裝置,可於iPhone同步執行,當設定確切活動時,能夠標註快捷運動標簽,並且拍打或是點擊Misfit Shine連續三下,裝置即開始該運動的活動紀錄,以不同的演算法來記錄該活動的數據,不同活動時Shine都會說明此活動比較適合的佩戴情境,可以偵測多種活動(睡眠、騎腳踏車、游泳、網球、籃球、足球),偵測活動的設定較繁瑣,要切換活動設定時一定要打開App;應用程式可顯示步數、卡路里、睡眠品質、鬧鐘、運動目標、手錶時間。

1-8. MISFIT SHINEAPP應用程式[12]

(6)   Fastfox

Fastfox智慧手環設計輕巧,且搭配矽膠腕帶提高舒適性,續航力可達4~6個月,使用者可自行更換電池延長其使用壽命,記錄使用者步行距離、步數、睡眠數據、卡路里消耗量等數據,並與手機同步提醒使用者來電。此產品使用軍品級高靈敏感測器增強紀錄細微動作感應,運動數據同步至APP或微信平台,可以自訂運動目標(每日運動或睡眠的定量),但無法結合性別和身體情況提供建議參考值,具備自動辨識睡眠功能,每日的記錄,可按周和月對資料進行彙總統計。

1-9. FastfoxAPP應用程式[13]

將上述六種以G-sensor為主的相似產品規格整理出相似產品規格比較表(表1),可知相似產品充電電池持續時間長,且穿戴方式多元,並兼具社群互動模式,由於社群網路的互動易引起共鳴,對於產品推銷與使用意願具有十足影響力,說明穿戴式裝置連接社群網路已成為必要模式;但上述產品所提供資訊較微觀,如行走步數、消耗卡路里、深淺眠時間,本研究欲嘗試從感測器資料中找出較巨觀之生活型態指標,使得到的生理數據分析出活動力指標與運動強度PAL (Physical Activity Level),使用者便可透過巨觀生活型態模式指標得到相關健康資訊,達到健康管理目的。

1. 相似產品規格比較表

 

Mi-Band

Jawbone UP24

Nike+ FuelBand

Withings

Activite Pop

MISFIT SHINE

Fastfox

尺寸

36×14×9(mm)

重量:5g

Small

52 mm W × 35 mm H (inner)

66 mm W × 50 mm H (outer)

Medium

63 mm W × 40 mm H (inner)

76 mm W × 54 mm H (outer)

Large

69 mm W × 43 mm H (inner)

81 mm W × 56 mm H (outer)

Small

5.79 inches

147 mm

Medium

6.77 inches

172 mm

Extra Large

 7.76 inches

197 mm

1.3-inch watch face and the watch straps are roughly the same size.

27.5 × 3.3 × 27.5 (mm)

直徑:24mm

厚度:6mm

重量:11g

感測器

三軸加速度規

三軸加速度規

三軸加速度規

三軸加速度規

三軸加速度規

三軸加速度規

防水

顯示

功能

步數、行走距離、卡路里、睡眠品質、鬧鐘

步數、卡路里、睡眠品質、鬧鐘、飲食紀錄、體重目標

步數、卡路里、FUEL運動指數、手錶時間

步數、卡路里、睡眠品質、鬧鐘、運動目標、手錶時間

步數、卡路里、睡眠品質、鬧鐘、運動目標、活動量

步數、卡路里、運動量、睡眠品質、健康資訊、來電提醒

生理

追蹤

步數、卡路里、睡眠

步數、卡路里、睡眠

步數、卡路里

步數、睡眠

游泳

步數、睡眠

游泳

步數、卡路里

睡眠、游泳

穿戴

位置

手腕

手腕

手腕

手腕

手腕、鞋子

頸部、衣服

手腕

續電

能力

30

(需充電)

7

(需充電)

4

(需充電)

240

(不需充電)

180

(不需充電)

180

(不需充電)

應用

程式

iOSAndroid

iOSAndroid

iOS

iOSAndroid

iOSAndroid

iOSAndroid

社交

體驗

價錢

12.76(美金)

129.99(美金)

149.99(美金)

149(美金)

99.99(美金)

7(美金)

 

隨著穿戴式裝置在市場上倍受關注,全世界市占率最高的智慧型行動裝置系統Android,於2014年正式發表了專為穿戴式裝置所設計的「Android Wear」系統[14];這是由Android所分支出來的作業系統,主要對應智慧穿戴裝置使用所設計,藉由減少不必要的程式碼等方式,提供更輕巧、電池使用效率更高的使用體驗,而不會因為一般Android作業系統增加智慧穿戴裝置所需使用儲存空間,以及影響整體使用效能。最大的特色就是整合了「Google即時訊息(Google Now)」的功能元素,同時,針對智慧穿戴裝置使用提供相關應用功能,例如智慧解鎖、遠端控制等與手持裝置連動方式, Google後續也持續將各項新功能加入此平台,例如可將資料轉存在裝置內使用、支援Bluetooth遠端操控,以及允許更換第三方系統顯示內容等,例如彼此分享訊息的功能Together,可以讓Android Wear智慧錶互相傳遞包括訊息、表情符號、貼圖內容或是照片,未來也將允許使用者或廠商客製設定點按螢幕次數,藉此對應不同操作功能連動等設計,讓使用者更能輕鬆操控,並從穿戴式行動裝置真正獲得便利。

1.3    研究目的

穿戴式裝置逐漸成為生活中的新潮流,許多市售穿戴裝置都配備感測器來測量使用者的生理信號,其中G-sensor通常用於穿戴式裝置來測量用戶的動作信號,較無測量位置限制,亦不需電極緊貼皮膚,因此許多穿戴式裝置僅搭配G-sensor做為計算步數和量測睡眠品質的感測器,目前市售產品常以G-sensor所量測的步數為基礎,並搭配使用者身高和體重計算行走距離和能量消耗等數據,然而僅以步數做為估計往往是相當粗糙,例如使用者靜坐不動,步數顯示為零,但實際情況使用者仍有最低能量消耗,若僅以步數為基礎,此種情況則將被忽略;另外若行走或跑步狀況下所顯示步數相同,能量消耗視為相同,但此兩項運動的活動強度等級卻明顯不同,換句話說,僅基於步數計算運動強度或能量消耗無法正確被辨識。

本研究目的在利用穿戴式裝置感測器所得到的使用者生理數值發展個人生活型態模式分析技術使用穿戴式裝置G-sensor量測使用者動作訊號,進行活動力指標與行為模式相似度分析,並將加速度步頻兩種穿戴式裝置經常輸出的生理數據,收集80個運動樣本利用機器學習軟體Weka進行運動等級分類訓練,並以TDEE(Total Daily Energy Expenditure)BMR(Basal metabolic rate)進行單日PAL推估,轉換成對使用者更具實質意義的個人生活型態模式資訊;而目前許多失智症患者多被要求配戴內建GPSRFID的穿戴式裝置,主要用於定位防止走失目的,本研究以低功耗藍芽(BLE)為基礎發展失智症患者防走失系統,並結合個人生活型態分析與區域定位功能,作為失智症患者應用案例,令穿戴式裝置發展帶來更多元服務