吳 艷，洪文進(jìn)，沈 雷，唐 穎

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無(wú)錫 214122;2.浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院表演藝術(shù)學(xué)院，浙江 東陽(yáng) 322118)

近年來(lái)智能定位服裝中傳統(tǒng)的定位元件逐漸被低功耗藍(lán)牙傳感定位元件取代，尤其在近場(chǎng)定位環(huán)境中，藍(lán)牙傳感定位元件不僅定位準(zhǔn)確，還具有與服裝結(jié)合的靈活性以及可水洗的特點(diǎn)，因此滿(mǎn)足穿戴的舒適安全性。

iBeacon定位元件是指以低功耗藍(lán)牙傳感技術(shù)為核心［1－3］，實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)定位信號(hào)與設(shè)備間的傳輸，以此獲取準(zhǔn)確定位信息的微型定位芯片［4］。目前用于近場(chǎng)定位的元件有NFC(near field communication)芯片［5］、wifi 輔助下的高性能 GPS(global positioning system)定位器［6］，元件嵌入并固定在以針織設(shè)計(jì)為主的服裝局部部位。Rantanen J［7］通過(guò)GPS與電子指南針結(jié)合的方式將其嵌入雪地救援智能服裝，解決走失和救援的問(wèn)題;壽弘毅［8］用GPS定位元件固定在以雙層封袋的PU覆膜內(nèi)，構(gòu)建了一個(gè)定位容器模型(防水透氣指數(shù):耐水壓大于等于49000Pa;透濕指數(shù)大于等于5000g/(m2·24 h)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，確定以iBeacon定位元件為主要定位器，并分析在有障礙和無(wú)障礙環(huán)境下定位信號(hào)的靈敏度以及在不同彈性針織面料中的融合度、舒適壓、擬合度，為兒童近場(chǎng)定位安全服裝設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

iBeacon內(nèi)置信號(hào)元件(北京四月兄弟科技有限公司)，可低功耗藍(lán)牙識(shí)別定位，數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)較好，有定位軟件跟蹤，圖標(biāo)顯示超出監(jiān)測(cè)距離30 m，定位元件與軟件中心自動(dòng)報(bào)警提示;2+2羅紋滌/棉(65/35)針織面料(紹興萬(wàn)鼎紡織品有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

UTP2102CEL數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)示波器，東莞優(yōu)利德科技有限公司;Agilent 34401A數(shù)字萬(wàn)用表，深圳市明泰儀器儀表有限公司;iPad mini，美國(guó)蘋(píng)果集團(tuán)。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在溫度為26℃，相對(duì)濕度為63% ～67%環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.4 試樣制備

Blesticker型號(hào)的iBeacon定位元件主要用于定位信號(hào)靈敏度的評(píng)估，以?xún)?nèi)置的低功耗藍(lán)牙天線(xiàn)傳遞信號(hào)，用不同環(huán)境下的距離與RSSI值域的關(guān)系表示，因此本文選用在有障礙和無(wú)障礙環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。以不同彈性的滌/棉針織面料作為兒童服裝用料，試樣為緯向20 cm、經(jīng)向8 cm的矩形織片，均為普通滌棉紗線(xiàn)，彈性不同，主要分為弱彈、低彈、中彈和高彈，每種彈性的針織面料試樣1塊，共4塊。織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameter of knitted fabric

1.5 定位信號(hào)靈敏度與面料舒適性指標(biāo)

低功耗藍(lán)牙(4.0)信號(hào)傳輸速率和顯示終端的信息反饋是iBeacon定位元件信號(hào)靈敏度的主要參數(shù)，可用元件間距與RSSI值域關(guān)系表示。

定位元件嵌入固定在不同彈性面料中，其整體融合性和面料壓是影響服裝舒適安全性的關(guān)鍵指標(biāo)，其中Sig.值是衡量面料擬合度的主要指標(biāo)，可通過(guò)方程Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn計(jì)算得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 靈敏度

低功耗藍(lán)牙頻射信號(hào)靈敏度受多種外界因素的影響，其中藍(lán)牙設(shè)備間距離和障礙物間阻隔是影響頻射信號(hào)的主要因素。其距離與RSSI間的關(guān)系是信號(hào)靈敏度測(cè)試的關(guān)鍵，因此本文測(cè)試在戶(hù)外環(huán)境下，分別在有障礙與無(wú)障礙條件下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 戶(hù)外環(huán)境下藍(lán)牙設(shè)備間RSSI信號(hào)值Tab.2 Distance between devices and the RSSI measurements in outdoor environment

從表2可知，當(dāng)有障礙第7、8次測(cè)試時(shí)，信號(hào)斷開(kāi)，因此沒(méi)有測(cè)量值。在數(shù)據(jù)分析時(shí)，以5次數(shù)據(jù)的平均值來(lái)表示測(cè)試的RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指數(shù))值，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 戶(hù)外環(huán)境RSSI模型Fig.1 Outdoor environment model

由圖1分析可知，無(wú)論是2個(gè)距離間有障礙物還是無(wú)障礙物，RSSI值均隨著距離的拉長(zhǎng)而不斷減小，當(dāng)距離為30 m時(shí)，RSSI值急驟下降，信號(hào)靈敏度降低。該點(diǎn)為信號(hào)強(qiáng)度鄰界點(diǎn)。從圖中可看出，在該鄰界點(diǎn)時(shí)，無(wú)障礙戶(hù)外環(huán)境下的RSSI值大于有障礙時(shí)的值。因此兒童近場(chǎng)定位安全服裝測(cè)試環(huán)境可以近似認(rèn)為是相對(duì)自由空間。且低功耗藍(lán)牙頻射信號(hào)強(qiáng)度與距離成正比，與有無(wú)障礙成反比。測(cè)試結(jié)果得出，當(dāng)距離在30 m臨界點(diǎn)時(shí)，無(wú)障礙物條件下，距離最遠(yuǎn)，頻射信號(hào)最強(qiáng)，準(zhǔn)確性最好;當(dāng)距離在40～50 m之間，頻射信號(hào)較弱，準(zhǔn)確性較低。在兒童近場(chǎng)定位安全中，近場(chǎng)定位距離為30～50 m。

2.2 整體融合性與舒適壓

彈性針織面料主要分為高彈、中彈和低彈面料，其彈性又可分為經(jīng)彈和緯彈［9］。在兒童近場(chǎng)定位安全服裝設(shè)計(jì)研究中，為了避免定位元件在人體活動(dòng)時(shí)隨意晃動(dòng)和較大的服裝壓對(duì)人體造成不舒適，對(duì)4種不同彈性的滌/棉針織面料拉伸性和彈性回復(fù)性進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)因子的提取與分析，結(jié)果如圖2所示。

測(cè)得基礎(chǔ)參數(shù)(厚度、質(zhì)量、經(jīng)密與緯密)，并通過(guò)SPSS17.0軟件的相關(guān)性分析，得出織物的厚度與質(zhì)量、經(jīng)緯密成反比，回歸分析結(jié)果如表3所示。

圖2 滌/棉針織面料不同彈性的服裝壓力值Fig.2 Elastic clothing pressure value of pure polyester cotton knitting fabric

表3 織物回歸擬度參數(shù)Fig.3 Analysis of fabric regression fitting degree

當(dāng)Sig.值為F，并大于F臨界值的概率，表3結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)回歸方程包含不同的自變量其顯著概念性值均小于0.001，即拒絕回歸系數(shù)均為0的原假設(shè)［10］。因此，根據(jù) Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn，計(jì)算出估計(jì)值，其中 b0為常數(shù)，b1、b2、…、bn稱(chēng)為 y對(duì)應(yīng)于 x1、x2、…、xn的偏回歸系數(shù)，偏回歸系數(shù)表示假設(shè)在其他所有自變量不變的情況下，某個(gè)自變量變化引起因變量變化的比率［11］。得出有4個(gè)自變量時(shí)，方程回歸性很好。

由圖2還可看出，當(dāng)選取2+2羅紋滌/棉弱彈針織面料時(shí)，服裝壓(1.56 kPa)最低，滿(mǎn)足兒童服裝穿著鄰界壓;2+2羅紋滌/棉低彈與中彈面料壓分別為1.85 kPa和2.96 kPa，均符合兒童服裝穿著舒適壓范圍(1.96～3.92 kPa);而2+2羅紋滌/棉高彈針織面料壓為5.98 kPa，將定位元件設(shè)計(jì)其上，接觸面與皮膚頻繁摩擦，造成服裝穿著的不舒適。從表1可知，當(dāng)Sig.值越接近零，回歸擬合度越好，面料對(duì)人體產(chǎn)生的的壓力越小，人體穿著服裝時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻礙性最低，適合在功能性服裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用，尤其是以不同物理屬性物體附著在織物表面的元件設(shè)計(jì)。

從上述實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)可知，在兒童近場(chǎng)定位安全服裝設(shè)計(jì)中，2+2羅紋滌/棉弱彈針織面料是該系列服裝設(shè)計(jì)的最優(yōu)用料。

3 結(jié)論

隨著距離的變化，iBeacon定位元件的低功耗藍(lán)牙信號(hào)傳輸靈敏度與距離成反比，距離越遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)傳輸靈敏度低，定位距離短，反之亦然。在等距離情況下，無(wú)障礙環(huán)境中RSSI值大于有障礙環(huán)境中的RSSI值，當(dāng)定位距離超過(guò)零界點(diǎn)30 m，其距離逐漸減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)iBeacon定位元件融合固定在針織面料中，其面料彈性為2+2羅紋組織弱彈，Sig.值接近零，回歸擬合度最強(qiáng)，面料對(duì)兒童人體產(chǎn)生的舒適壓為1.56 kPa，符合兒童服裝穿著舒適壓范圍(1.96～3.92 kPa)。實(shí)驗(yàn)證明，以低功耗藍(lán)牙技術(shù)為核心的iBeacon定位元件與2+2羅紋滌/棉針織面料的融合設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足兒童服裝定位要求，同時(shí)達(dá)到兒童服裝舒適安全性設(shè)計(jì)原則。

［1］BONATO P. Wearable sensors and systems［J］.Engineering in Medicine and Biology Magazine，2010，29(3):25－36.

［2］PANTELOPOULOS A，BOURBAKIS N G.A survey on wearable sensor-based systems for health monitoring and prognosis［J］.IEEI Transactions on Systems，Man，and Cybernetics: Applications and Review， 2010，40(1):1－2.

［3］BAHADIR S K，KONCAR V，KALAOGLU F.Wearable obstacle detection system fully integrated to textile structures for visually impaired people［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2012(3):297 －311.

［4］陳燦峰.低功耗藍(lán)牙技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天出版社，2013:125.CHEN Canfeng.Low-energy Bluetooth Technology Principle and Application［M］.Beijing:Beijing University Press，2013:125.

［5］潘雪峰，崔鶴.基于NFC近場(chǎng)通信技術(shù)的智能卡集成系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(2):48－53.PAN Xuefeng， CUI He. Design of the smart card integration system based on near filed communication tech ［J］.Journal of Beijing Union University，2014，28(2):48－53.

［6］夏敬潮，葉世榕，劉炎炎，等.Wi-Fi輔助下附有高性能的GPS定位［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2014，39(1):52 －55.XIA Jingchao，YE Shirong，LIU Yanyan，et al.Wi-Fi assisted GPS positioning with fixed geodetic height［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2014，39(1):52 －55.

［7］RANTANEN J，IMPIO J，KARINSLO T，et al.Smart clothing protype for the arctic environment［J］.Personal and Ubiquitous Computing，2002(6):6 －10.

［8］壽弘毅.新型智能定位服裝:中國(guó)，201220529619.8［P］.2013－04－24.SHOU Hongyi.The new intelligent positioning clothing:China，201220529619.8［P］.2013 －04 －24.

［9］章永紅.女裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):上［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2005:2.ZHANG Yonghong.Women's Clothing Structure Design:I［M］.Hangzhou:Zhejiang University Press，2005:2.

［10］莊楚強(qiáng)，春雄.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)［M］.3版.廣州:南理工大學(xué)出版社，2006:85.ZHUANG Chuqiang， CHUN Xiong. Application of Mathematical Statistics［M］.3rd ed.Guangzhou:South China University Technology Press，2006:85.

［11］盧紋岱.SPSS統(tǒng)計(jì)分析［M］.4版.北京:電子工業(yè)出版社，2010:98.LU Wendai.SPSS Statistics Analysis［M］.4th ed.Beijing:Electronic Industry Press，2010:98.