引 言

目前，市場上銷售的背包種類繁多、外觀多樣，但大多數(shù)背包在設(shè)計(jì)時僅滿足了用戶基本的負(fù)重和審美需求，而智能化、個性化的背包價位居高不下，令普通青少年消費(fèi)者望而卻步。市場需要一款真正價格合宜又富有創(chuàng)意的背包?；诖?， 本作品提出了一種基于智能穿戴理念的背包設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。

1 作品功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 個性圖案顯示功能

夜間光線條件差，行人不容易被來往車輛發(fā)現(xiàn)，交通事故頻發(fā)。為解決這一問題，本作品基于AVR 單片機(jī)，通過MEMS 陀螺檢測角速度[1-3]，在用戶轉(zhuǎn)向時自動顯示轉(zhuǎn)向箭頭[4]，LED 屏使轉(zhuǎn)向提示醒目個性，有效保障了青少年的出行安全。夜間自動轉(zhuǎn)向?qū)嵨飯D如圖 1 所示。

圖1 夜間自動轉(zhuǎn)向?qū)嵨飯D

在用戶直行時，本作品可呈現(xiàn)繽紛多彩的圖案。用戶可以在iBag 預(yù)設(shè)的圖案庫中挑選喜歡的圖案，也可以使用手機(jī)App 自行設(shè)計(jì)圖案。所有圖案都會實(shí)時顯示在背包上，讓有限的點(diǎn)陣煥發(fā)出無限的創(chuàng)意。個性化圖案設(shè)計(jì)與顯示實(shí)物圖如圖 2 所示。

同時，為鼓勵青少年自己創(chuàng)作創(chuàng)意作品，本作品還開發(fā)了基于智能手機(jī)和Web 的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，允許用戶進(jìn)行圖案分享和其他網(wǎng)絡(luò)社交活動，通過運(yùn)營青少年社群提供全方位的用戶體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)社區(qū)App 示意圖如圖 3 所示。

圖 2 個性化圖案設(shè)計(jì)與顯示實(shí)物圖

圖 3 網(wǎng)絡(luò)社區(qū)App

1.2 實(shí)時安全定位功能

突發(fā)緊急狀況時，本作品還可用于輔助定位和緊急呼救。背包內(nèi)置的GPS 芯片與單片機(jī)進(jìn)行串口通信并實(shí)時監(jiān)測用戶位置[5,6]，將數(shù)據(jù)通過實(shí)時安全定位模塊發(fā)送到終端，以供查閱； 同時，用戶還能夠通過緊急呼救按鈕及時向終端發(fā)送求救指令[7]，進(jìn)一步保障青少年群體的出行安全。

1.3 超重檢測提示功能

本作品能夠自動檢測背包全方位承重狀況，并人性化提示青少年進(jìn)行姿勢矯正。該款作品首先會根據(jù)用戶輸入的年齡、身高、體重等指標(biāo)計(jì)算用戶的負(fù)重安全值上限，其次采用靈敏應(yīng)變片組與微控制器實(shí)時計(jì)算背包負(fù)重大小 [8]，如果背包持續(xù)超重，警報裝置會發(fā)出提示音。此外，用戶可以通過手機(jī) App 查看負(fù)重?cái)?shù)據(jù)記錄，接收健康知識和其他生活信息的推送。超重提示功能可以幫助用戶養(yǎng)成積極關(guān)注、主動保護(hù)脊柱健康的好習(xí)慣，合理安排負(fù)重。

2 工作原理設(shè)計(jì)

本作品由個性圖案顯示模塊、安全定位模塊和超重檢測提示模塊組成。整體設(shè)計(jì)原理圖如圖 4 所示。

圖 4 整體設(shè)計(jì)原理圖

2.1 個性圖案顯示模塊

個性圖案顯示模塊包含傳感器、微控制器、顯示屏、電源、控制端。其中傳感器用于檢測用戶的運(yùn)動狀態(tài)，可以根據(jù)不同的精度要求和環(huán)境需求，采用微加速度計(jì)、微陀螺儀等 [3]。微控制器作為整體功能的交互中心，包含有微控制器芯片和附帶的串口通訊模塊、E2PROM 存儲器等[1,5]，根據(jù)設(shè)計(jì)需要和程序語言環(huán)境進(jìn)行選擇，可采用單片微控制器和藍(lán)牙組件等。顯示屏用于個性化圖案的顯示，可以根據(jù)像素需要和特性需要選擇單色或者全彩的點(diǎn)陣LED 屏幕、柔性 LED 屏幕等?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對整體功能的集成控制，包含移動端App[9,10] 和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件[11] 兩種方式，具有多種功能模式，在圖案編輯狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)對個性圖案顯示的控制。

個性圖案顯示模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) 用戶通過微控制器的通訊接口與控制端進(jìn)行連接， 在圖案編輯模式下自行設(shè)計(jì)圖案，或者從互聯(lián)網(wǎng)上下載圖案， 并傳輸給微控制器。

(2) 關(guān)閉通訊接口，圖案自動保存在微控制器內(nèi)，等待調(diào)用。

(3) 通過傳感器判斷用戶行走狀態(tài)后做相應(yīng)反饋并顯示在顯示屏上。當(dāng)用戶處于直行狀態(tài)時，顯示屏交替顯示用戶存儲在設(shè)備中的所有圖案，實(shí)現(xiàn)個性圖案顯示功能 ；當(dāng)用戶處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時，顯示屏自動切換為轉(zhuǎn)向箭頭及相應(yīng)提示語言，實(shí)現(xiàn)隨身轉(zhuǎn)向燈功能。

2.2 安全定位模塊

實(shí)時安全定位模塊包含 GPS 信息接收單元、微控制器、GSM 信息發(fā)送單元、電源、控制端。其中GPS 信息接收單元包括 GPS 芯片和接收主機(jī)、接收天線等，能夠?qū)崟r接收到GPS 衛(wèi)星信號 [6]，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求選用各類型號的單元設(shè)備。GSM 信息發(fā)送單元包含 SIM900A 通信模塊 [12]， 能夠?qū)⒔邮盏降腉PS 信息傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)移動通信終端，以供解析，同時作為緊急呼救的載體?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對整體功能的集成控制，包含移動端 App 和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

實(shí)時安全定位模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) GPS信息接收單元通過內(nèi)部芯片的程序?qū)崟r接收GPS 衛(wèi)星信號并定位。

(2) GPS信息接收單元與微控制器進(jìn)行串行通信，將接收到的 GPS數(shù)據(jù)在微控制器中進(jìn)行解析，識別判斷后輸入GSM信息發(fā)送單元。

(3) 通過 GSM的短消息業(yè)務(wù)把自身的位置和狀態(tài)信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的控制端，通過呼叫業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)緊急呼救。

2.3 超重檢測提示模塊

超重檢測提示模塊包含微控制器、應(yīng)力檢測裝置、超重提示裝置、電源、控制端。其中應(yīng)力檢測裝置用于檢測負(fù)重過程中用戶不同部位的受力，可以根據(jù)精度要求和經(jīng)濟(jì)因素選擇不同的應(yīng)變片、微壓力傳感器等。并選用蜂鳴器警示音提示、不同點(diǎn)位受力反饋、ISD1760 語音提示等[13] 或其組合提醒用戶背包負(fù)重過大，存在健康威脅等問題?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對整體功能的集成控制，包含移動端App 和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

超重檢測提示模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) 嵌在背帶及背部接觸面內(nèi)的應(yīng)力檢測裝置檢測背包內(nèi)部各點(diǎn)應(yīng)力，并傳輸給微控制器，間接測算出背包負(fù)重。

(2) 當(dāng)背包負(fù)重超過預(yù)設(shè)安全值時，超重提示裝置會自動發(fā)出提示音，并給控制端發(fā)送各檢測點(diǎn)位的實(shí)時負(fù)重?cái)?shù)據(jù)。

(3) 根據(jù)實(shí)時負(fù)重?cái)?shù)據(jù)，控制端控制超重提示裝置提醒用戶合理安排負(fù)重，給出合理的背負(fù)姿態(tài)建議，有助于用戶保護(hù)脊柱。

3 創(chuàng)新點(diǎn)分析

本作品包含如下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1) 利用基于智能穿戴和人機(jī)交互的思想重新定義了傳統(tǒng)背包。背包不再是靜態(tài)產(chǎn)品，而是可以采集用戶信息、與用戶交互的動態(tài)產(chǎn)品 ；用戶不再是被動接受產(chǎn)品設(shè)計(jì)的終端消費(fèi)者，而是可以自由設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀的參與者。利用這一點(diǎn)，我們建立起了青少年和產(chǎn)品之間的情感關(guān)聯(lián)。

(2) 發(fā)展了基于物聯(lián)網(wǎng)思想的“背包 - 軟件 - 用戶”交互方式。通過軟硬件通信，本作品有效地采集了背包數(shù)據(jù) ；通過軟件，本作品既實(shí)現(xiàn)了用戶和背包之間的互動，又方便用戶基于數(shù)據(jù)指導(dǎo)自身行為。

(3) 創(chuàng)新了背包外觀設(shè)計(jì)方案。背包外觀是動態(tài)可變的， 通過在背包的正面嵌入柔性LED屏，切換顯示創(chuàng)意圖案來保障用戶的出行安全 ；外觀設(shè)計(jì)的方式是用戶友好的，通過手機(jī)App或Web可直接改變背包的外觀。

(4) 改 進(jìn)了傳統(tǒng)背包無法檢測背包重量的情況。在背帶內(nèi)加入應(yīng)變片，創(chuàng)新性地通過檢測背帶拉伸微小形變，間接檢測背包負(fù)重，給使用者合理提示，使其關(guān)注背負(fù)健康。

(5) 延伸了基于產(chǎn)品社群思想的作品內(nèi)涵。本作品不僅僅是一個背包，還在背包的背后有數(shù)據(jù)、社群，更有基于以上二者的iCommunity線上創(chuàng)意交流社區(qū)。我們利用云端處理技術(shù)開發(fā)了 Web社區(qū)[14]，用戶通過創(chuàng)作圖案、分享圖案等用戶生成內(nèi)容（UserGeneratedContent）行為，既能享受與背包交互的趣味，又能建立和社群的聯(lián)系，用戶黏度得以增強(qiáng)。

4 結(jié) 語

在智能可穿戴設(shè)備的熱潮下，追求個性時尚、強(qiáng)調(diào)歸屬感的青少年消費(fèi)者對背包這一日常用品也提出了新的要求。本產(chǎn)品既延續(xù)了傳統(tǒng)背包基本的負(fù)載功能，又創(chuàng)新性地突破了傳統(tǒng)背包外觀和功能的局限性，基于智能穿戴、人機(jī)交互、產(chǎn)品社群等思想，與青少年消費(fèi)者建立了良好的互動關(guān)系和情感關(guān)聯(lián)，在很大程度上滿足了目標(biāo)市場的需求。同時，青少年消費(fèi)市場體量龐大，消費(fèi)能力也日益攀升，因此本作品擁有廣闊的市場前景。