無線通信與智能胸帶的設(shè)計(jì)方案

隨著科技的進(jìn)步和生活水平的提高，服裝除了保溫功能外還應(yīng)具有更多的功能，加之對個人健康和運(yùn)動的日益重視，已經(jīng)出現(xiàn)了許多各種各樣的家用醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品和健身產(chǎn)品，雖然這些監(jiān)護(hù)產(chǎn)品提高了人們的生活健康質(zhì)量，但它們也存在著不足，例如：產(chǎn)品功能比較單一；不能進(jìn)行連續(xù)長期監(jiān)護(hù)，或需要用戶的過多參與；不便隨身攜帶或妨礙了人們的正常生活。如果能將一些監(jiān)測人體的儀器中的傳感器微型化、可穿戴化，通過貼身的服裝或胸帶并加以電子驅(qū)動、軟件控制就可以采集人體各種生理信號，隨時檢測人體的生理狀況，比如即時控制病情或者制定運(yùn)動計(jì)劃等。

由此而產(chǎn)生了智能胸帶，而人體生理參數(shù)采集和無線傳輸系統(tǒng)屬于生物遙測技術(shù)。所謂生物遙測，是指在一定距離內(nèi)(幾十到幾百米，甚至更遠(yuǎn))，通過有線或者無線的方法對生物體的生理參數(shù)如血壓、血流和溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)護(hù)。

1 智能服裝的概念及實(shí)現(xiàn)

智能服裝的智能化功能主要是通過以下幾種途徑實(shí)現(xiàn)的：

(1)將具有感知和反應(yīng)功能的智能纖維與普通纖維交織或?qū)⒅悄芾w維編入普通纖維織物中，用這種含有智能纖維的面料做成智能服裝；

(2)對普通纖維進(jìn)行改性，使之具有智能纖維的性能，再以此種面料做成服裝；

(3)將某些特殊物質(zhì)用染整加工的方法結(jié)合到織物上，使普通織物具有智能特性，再做成服裝；

(4)將普通服裝與外加元件相結(jié)合，制成智能服裝，這些外加元件包括普通元件和高技術(shù)傳感器、檢測器、報(bào)警器等。

因此，智能服裝大體上分為兩個范疇。一是對服裝材料進(jìn)行改良，通過化學(xué)、物理手段改變紡織材料的結(jié)構(gòu)，使之具備普通材料所不具有的功能。另一個，可以簡單理解為信息化的服裝，即通過在服裝中嵌入各種微小芯片、傳感器等設(shè)備，使服裝成為一個可穿戴計(jì)算機(jī)，它可以實(shí)時地與人體進(jìn)行交互，接收穿著者發(fā)出的命令或測量人體本身的信息。

2 智能服裝與胸帶的應(yīng)用及現(xiàn)狀

作為注重健康的現(xiàn)代人，對自己身體健康的關(guān)注度越來越高，能方便、快捷的了解自己的生理狀態(tài)則變得至關(guān)重要。因此，對于智能胸帶人體生理采集和無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究十分必要，具有重要的社會意義。智能服裝的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，軍工的需要，成為智能紡織品快速發(fā)展的一個主要原因。在民用方面，智能紡織品也有巨大的發(fā)展?jié)摿?，如多功能的運(yùn)動服、實(shí)時檢測人體生理指標(biāo)的安全服等?？赏ㄟ^在病人身上安放多個傳感器或其他醫(yī)療設(shè)備以檢測病人的體征；在家中部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以幫助老年人，特別是全球越來越多的60歲以上的老年人在家里得到更好的照顧，并幫助他們盡早檢測出疾病。

目前在國外已研制出較為先進(jìn)的智能胸帶，新西蘭Zephyr科技公司最近研制成功了一種生物智能胸帶。只要人們把這種生物胸帶戴在身上，它就會收集人體的心跳、體溫、身體姿勢、動作和呼吸速率等信息。英國波爾頓大學(xué)材料研究和創(chuàng)新中心的科學(xué)家最近開發(fā)出一種可以檢測早期乳癌的智能胸罩。國內(nèi)對智能服裝的開發(fā)研究最早源于20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時電子技術(shù)還較落后，所以智能服裝的發(fā)展也十分緩慢，主要應(yīng)用在航空航天等特殊行業(yè)領(lǐng)域。

智能胸帶采集人體生理參數(shù)的發(fā)展很有潛力，主要有以下幾個方向：

(1)利用因特網(wǎng)和先進(jìn)傳感器技術(shù)，使遠(yuǎn)程醫(yī)療更加普及。

(2)醫(yī)療儀器的二次開發(fā)，使舊儀器可直接利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人體生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)。

(3)利用先進(jìn)技術(shù)，提高人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

(4)開發(fā)便攜式多通道生物遙測系統(tǒng)。

(5)實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)實(shí)時采集和無線傳輸及監(jiān)護(hù)。

3 智能胸帶的研發(fā)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，服裝專業(yè)和其他學(xué)科的交叉與滲透以及生物醫(yī)學(xué)學(xué)科的進(jìn)步，面向智能胸帶的人體各項(xiàng)生理參數(shù)采集以及無線傳輸儀器將會有一個新的發(fā)展。

傳統(tǒng)的有線傳輸方式嚴(yán)重影響日常的起居生活，難以做到隨時隨地監(jiān)測，智能胸帶的可移動性使用戶能夠在自由運(yùn)動中使用，并具有可再編程能力、無線通信能力、操作和交互的連續(xù)性等特性，并且整個計(jì)算機(jī)同使用者融為一體，可以隨著穿戴者任意移動。智能胸帶的研發(fā)是服裝功能性與舒適性的一個分支，是以智能胸帶的硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過軟件編程進(jìn)行硬件操作，實(shí)現(xiàn)即時的人體的生理參數(shù)即心率、壓力、溫度和濕度的采集，并且采用無線傳輸?shù)姆绞桨褱y量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示設(shè)備或者計(jì)算機(jī)中，另外實(shí)現(xiàn)可視化功能，后臺的數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時查看與存儲。

3.1 傳感器的選擇

在傳統(tǒng)的模擬信號無線傳輸采集系統(tǒng)中，需要很好地解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)到較高的測量精度。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境惡劣，各種干擾信號較強(qiáng)，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在采集系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式，壓力、濕度傳感器采用電壓集成式。

3.2 無線射頻芯片的確定

通過對單片機(jī)的工作原理及其接口技術(shù)的了解與掌握，通過對市面上的無線射頻模塊的研究選擇一個適合的芯片，即具備：無線收發(fā)器；內(nèi)含8051控制器及A／D轉(zhuǎn)化功能；可在低電壓下工作；內(nèi)有電壓調(diào)節(jié)器；所需外圍器件很少；設(shè)計(jì)簡單。具備以上功能的射頻收發(fā)芯片nRF24E1即可作為參數(shù)采集硬件系統(tǒng)的主要芯片。

3.3 胸帶的研究

由于是面向智能胸帶的參數(shù)采集系統(tǒng)，所以對于胸帶的材料和款式進(jìn)行相應(yīng)的研究可以使此系統(tǒng)的開發(fā)避免因胸帶的原因而無法正常運(yùn)行，對于醫(yī)用或者運(yùn)動專用等功能的智能胸帶，在胸帶的款式及材料的設(shè)計(jì)上需要更加簡潔，尤其在款式上進(jìn)行研究使其具備易穿戴的、不同于傳統(tǒng)胸帶的功能，并且使款式、材料及軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行很好的結(jié)合，使之成為一體最終達(dá)到人機(jī)合一的狀態(tài)。

3.4 參數(shù)采集及無線傳輸?shù)募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)針對單片機(jī)程序開發(fā)的各個軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)主要器件的各引腳說明，進(jìn)行程序編寫以控制端口，實(shí)現(xiàn)通過傳感器的人體參數(shù)采集(采用μVision 2編譯器)。然后，根據(jù)編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，并且由顯示器顯示。

射頻連接必須能夠保證雙向都為64 Kb／s數(shù)據(jù)速率，并且要求這個連接是全雙工的，即兩個收發(fā)器能同時工作。由于ShockBurst特性，所有與協(xié)議相關(guān)的操作都由硬件來處理。雖然nRF24E1使用的是低速的8051微控制器，但無線傳輸速度可達(dá)到1 Mb／s。在初始化配置后，nRF24E1就可對射頻收發(fā)器進(jìn)行控制。主從收發(fā)器在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送之前必須先同步化，RF使用的數(shù)據(jù)包可定為248 b(8 b引導(dǎo)信號+16 b CRC+32 b地址+24 B有用數(shù)據(jù))，因此，每個數(shù)據(jù)包含有24個采樣信號。為了達(dá)到實(shí)時要求，必須3 ms發(fā)送一次。

射頻天線設(shè)計(jì)為：將天線布在板厚1.6 mm，材質(zhì)FR4的印制板上，采用1／4波長單極天線。FR4板材在2.4 GHz時電介質(zhì)常數(shù)為4.4，單極天線的寬度W=1.5 mm，在這些參數(shù)給定的情況下，計(jì)算單極天線周圍物質(zhì)的電介常數(shù)為3.16，從而可算出此條件下波長為6.89 cm，1／4波長即為1.72 cm。但將天線布在印制板上，為了使其在2.4 GHz更容易諧振，需將長度再加長5 mm。最后，其天線在印制板上形狀就像一線長22 mm，線寬1.5 mm的導(dǎo)線。

3.5 系統(tǒng)的開發(fā)

運(yùn)用可視化語言開發(fā)，建立人機(jī)交互界面。其中可視化環(huán)境具備接口技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與硬件系統(tǒng)的串行通信，而且可以與數(shù)據(jù)庫相連實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)顯示、查詢、存儲及更新等功能。如圖1，圖2所示。



4 結(jié)語

由采集系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)，在人們?nèi)粘Ｉ钪心芷鸬捷o助作用，可以幫助醫(yī)護(hù)人員更好地掌握病人的身體狀況，也可用于幫助教練或保健師指導(dǎo)運(yùn)動員制定合理訓(xùn)練計(jì)劃，避免運(yùn)動員訓(xùn)練不合理；還可以幫助服裝設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時結(jié)合人體一些生理因素，更人性化、科學(xué)的設(shè)計(jì)服裝款式、選擇更適合人體的服裝材料。

21世紀(jì)是全球信息化的時代，可穿著的電子智能服裝無疑將代表未來功能性服裝發(fā)展的潮流。目前，我國在智能服裝的研究方面還剛剛起步，與發(fā)達(dá)國家相比還存在著差距，我們只有不斷開發(fā)新的功能性服裝產(chǎn)品，才能在世界智能服裝領(lǐng)域占有一席之地