翟軍輝，薛天宇

基于可穿戴計(jì)算技術(shù)的保暖服監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

翟軍輝，薛天宇

（北京服裝學(xué)院信息工程學(xué)院，北京100029）

可穿戴計(jì)算技術(shù)是一種將計(jì)算機(jī)穿戴在人體上進(jìn)行各種應(yīng)用的國(guó)際性前沿計(jì)算機(jī)技術(shù)，是智能環(huán)境的一個(gè)主要研究課題?？纱┐饔?jì)算技術(shù)并非是簡(jiǎn)單地把計(jì)算機(jī)微小化后直接穿戴在人們身上，它需要解決很多關(guān)鍵性的技術(shù)才能真正發(fā)展起來(lái)，以滿(mǎn)足人們的應(yīng)用需求。其中最重要的四項(xiàng)技術(shù)為人機(jī)交互技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)和高效能源技術(shù)。若將可穿戴計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智能服裝，可為人們提供一個(gè)舒適的智能環(huán)境。因此，可以用Android智能手機(jī)作為上位機(jī)，AVR單片機(jī)作為微控制器，采用藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信方式，大容量鋰離子電池作為能源，為運(yùn)動(dòng)受限的病人設(shè)計(jì)一款智能保暖服裝，為他們提供一個(gè)舒適的生活環(huán)境。

可穿戴計(jì)算技術(shù)；Android智能手機(jī)；藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信；智能保暖服裝

0　引言

可穿戴計(jì)算技術(shù)是探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進(jìn)用戶(hù)衣服或配件的設(shè)備的科學(xué)技術(shù)。其最核心的理念是讓人們能夠更便捷地使用智能化的設(shè)備而感覺(jué)不到它的特殊存在?？纱┐鹘】翟O(shè)備是把可穿戴技術(shù)應(yīng)用于健康領(lǐng)域，對(duì)用于檢測(cè)身體情況、統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及改善健康狀況的設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)。可穿戴計(jì)算是隨著新的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)不斷發(fā)展而產(chǎn)生的?？纱┐髟O(shè)備是目前市場(chǎng)熱點(diǎn)，要設(shè)計(jì)、生產(chǎn)該類(lèi)電子設(shè)備，選擇高性能、高可靠性的專(zhuān)用集成電路是其關(guān)鍵因素?？纱┐饔?jì)算系統(tǒng)是一個(gè)人與計(jì)算機(jī)密不可分的集合體，因此，人機(jī)交互技術(shù)是可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了人與計(jì)算機(jī)之間的交互問(wèn)題，人通過(guò)這種交互提高了對(duì)環(huán)境感知的能力。而Android智能手機(jī)已實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)自帶的藍(lán)牙設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)與智能

服裝的交互式通信。因此，將“智能化保暖”引入醫(yī)療裝備行業(yè)，用Android智能手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)時(shí)監(jiān)控保暖服溫度。該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)保暖服的自動(dòng)保暖功能，為其提供智能保暖，為研制新型醫(yī)用智能服裝奠定軟硬件基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)構(gòu)成與試驗(yàn)方法

1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能

本系統(tǒng)的硬件部分由Android智能手機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、主控模塊組成。其中主控模塊集成了以ATmega16芯片為核心的主控板、DS18B20溫度檢測(cè)電路、BQ27210電量檢測(cè)電路、加熱電路。硬件系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)整體框架

目前，在短距離無(wú)線(xiàn)通信中所使用的技術(shù)主要有無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（IEEE802.11）、HomeRF和藍(lán)牙，它們均工作在2.4 GHz頻段，除此之外還有紅外技術(shù)?？紤]到手機(jī)控制終端和遠(yuǎn)程溫度控制器之間的距離一般不會(huì)超過(guò)10 m，而且用在開(kāi)放的環(huán)境中，還要降低成本，所以選擇手機(jī)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信方式。

把手機(jī)作為人機(jī)交互的終端，主要用于保暖服監(jiān)控系統(tǒng)的溫度設(shè)置、保暖服實(shí)時(shí)溫度的顯示、環(huán)境溫度的顯示、供電電源剩余電量的顯示等。另外手機(jī)端還控制著主控模塊加熱電路的開(kāi)啟和停止。手機(jī)屏上的自動(dòng)溫控系統(tǒng)軟件圖標(biāo)如圖2所示。

圖2　自動(dòng)溫控系統(tǒng)軟件圖標(biāo)

點(diǎn)擊自動(dòng)溫控系統(tǒng)圖標(biāo)進(jìn)入圖3所示的手機(jī)控制頁(yè)面。

點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，手機(jī)自動(dòng)搜索附近藍(lán)牙設(shè)備，該系統(tǒng)默認(rèn)藍(lán)牙名稱(chēng)為HC-07，連接到該藍(lán)牙設(shè)備需輸入密碼，默認(rèn)密碼為1234，藍(lán)牙名稱(chēng)和配對(duì)密碼可以通過(guò)藍(lán)牙串口助手修改，但為了安全起見(jiàn)，不允許用戶(hù)修改。

藍(lán)牙通信協(xié)議直接對(duì)字節(jié)消息格式編碼，代碼移植性差，對(duì)平臺(tái)依賴(lài)性強(qiáng)。為了消除這種依賴(lài)，把藍(lán)牙通信協(xié)議提供的接口封裝成為藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信接口。封裝后的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信接口很好地滿(mǎn)足了要求，符合編程習(xí)慣［1-6］。封裝以后，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議無(wú)關(guān)，不需要對(duì)協(xié)議命令格式的考究，只需連接到單片機(jī)串口，按照串口通信協(xié)議編程即可，增加了應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)的靈活度和可靠度。藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊如圖4所示。核心模塊使用HC-07從模塊，引出接口包括RXD、TXD、GND、VCC等，可直接連接單片機(jī)串口。

圖3　手機(jī)控制頁(yè)面

圖4　藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊

主控系統(tǒng)接收手機(jī)端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)或命令，并作出相應(yīng)動(dòng)作。控制器核心是由微控制器ATmega16構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器感知保暖服裝溫度，不斷地與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較、計(jì)算溫度偏差，控制算法依據(jù)溫度偏差的大小和控制參數(shù)計(jì)算出控制量，按計(jì)算出的控制量控制保暖服裝加熱裝置的加熱時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)將保暖服裝的溫度控制到預(yù)先設(shè)定的溫度值附近。

主控系統(tǒng)有3個(gè)溫度傳感器DS18B20，其中兩個(gè)用來(lái)測(cè)量衣服內(nèi)兩個(gè)點(diǎn)的溫度，系統(tǒng)把這兩個(gè)點(diǎn)的溫度的平均值發(fā)送到手機(jī)端，另外一個(gè)用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度值也通過(guò)主控系統(tǒng)發(fā)送到手機(jī)端［7］。

BQ27210是TI公司的一款電池監(jiān)測(cè)器件，對(duì)由獨(dú)立單體鋰離子和鋰聚合物電池構(gòu)成的電源系統(tǒng)進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)與報(bào)告。該器件能夠?qū)﹄姵氐娜萘俊囟群头烹娝俾实冗M(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，以便在各種工作條件下提供剩余電量等信息。在從滿(mǎn)電到無(wú)電的放電周期內(nèi)，自動(dòng)重新校準(zhǔn)或獲取電池容量。該器件內(nèi)部寄存器記錄了電池容量、電流、電壓等信息。外部控制器可通過(guò)I2C串行總線(xiàn)與BQ27210進(jìn)行通信，讀取芯片內(nèi)部寄存器中記錄的電池容量等實(shí)時(shí)信息。BQ27210與外部處理器通信的典型電路如圖5所示。

圖5　BQ27210典型電路

PACK+、PACK-分別接充電器的正負(fù)極，SCL、SDA各接一個(gè)單片機(jī)端口。BQ27210檢測(cè)到的電池信息通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)送到主控板，經(jīng)主控板處理后發(fā)送到手機(jī)端顯示。

加熱電路的核心器件是XL4016，該器件為大功率降壓型DC-DC電源變換器芯片，具有低功耗、高頻率、高效率、大電流、高可靠性等特點(diǎn)，另外其內(nèi)置有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)，很容易實(shí)現(xiàn)PWM控制。加熱電路如圖6所示。其中FB接單片器端口，輸出端接入衣服，衣服由我校材料院用特殊加熱絲織成，衣服導(dǎo)電能產(chǎn)生熱量。

圖6　加熱電路

1.2藍(lán)牙通信協(xié)議設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊只是手機(jī)與主控系統(tǒng)通信的中轉(zhuǎn)站，手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)區(qū)分還需要特殊的通信協(xié)議。

手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議如表1所示。當(dāng)手機(jī)端依次接收到0X01、0X00兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，下一個(gè)字節(jié)是剩余電量數(shù)據(jù)，把電量數(shù)據(jù)顯示到手機(jī)端，依次類(lèi)推，上傳數(shù)據(jù)都是以該模式進(jìn)行的。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊手機(jī)端“打開(kāi)”或“關(guān)閉”時(shí)，手機(jī)端分別下發(fā)0X00、0XFF，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，分別做出打開(kāi)加熱電路、關(guān)閉加熱電路的動(dòng)作。用戶(hù)設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)直接下發(fā)到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)就可以接收到。

表1　手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議

1.3試驗(yàn)方法

通過(guò)試穿衣服，記錄下身體感受，調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，盡量達(dá)到用戶(hù)體驗(yàn)最佳的狀態(tài)。另外，體感溫度受環(huán)境溫度和個(gè)人體質(zhì)等各方面的影響，用戶(hù)可以自行調(diào)節(jié)溫度，直到自己感覺(jué)舒適。

2　系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1系統(tǒng)測(cè)試

主控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)設(shè)置溫度為15℃。主控板上設(shè)有加熱電路啟動(dòng)和關(guān)閉按鈕，還有設(shè)置溫度增加和減小按鈕，保證主控系統(tǒng)在與上位機(jī)失去聯(lián)系時(shí)能單獨(dú)良好地運(yùn)行。另外，主控系統(tǒng)中設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)衣服內(nèi)溫度低于11℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)閉合加熱電路；當(dāng)衣服內(nèi)溫度高于39℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)斷開(kāi)加熱電路；當(dāng)DS18B20有一個(gè)或多個(gè)故障時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并斷開(kāi)加熱電路。其實(shí)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選擇12 V供電電源，在直接對(duì)衣服通電的情況下，衣服最高溫度只能達(dá)到38. 7℃。如此很好地保護(hù)了用戶(hù)的安全。

打開(kāi)手機(jī)端自動(dòng)溫控系統(tǒng)，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，需要輸入密碼才能連接到藍(lán)牙設(shè)備，而且用戶(hù)手機(jī)一旦連接到該系統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備，其他手機(jī)就算密碼正確也不能再連接上該藍(lán)牙設(shè)備，再加上特殊設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，保證了該系統(tǒng)通信的安全。

手機(jī)端溫度設(shè)置框內(nèi)只能輸入11～39之間的數(shù)字。溫度低于11℃時(shí)，手機(jī)端報(bào)警顯示“溫度過(guò)低”并向下位機(jī)發(fā)送閉合加熱電路的命令；溫度高于39℃時(shí)，手機(jī)端報(bào)警顯示“溫度過(guò)高”并向下位機(jī)發(fā)送斷開(kāi)加熱電路的命令。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)手機(jī)端控制頁(yè)面如圖7所示。

2.2結(jié)果分析

由于溫度的慣性很大，為了提高控制的精度，需要采樣控制。采樣控制系統(tǒng)不同于連續(xù)控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是系統(tǒng)中一處或幾處的信號(hào)具有脈沖序列或數(shù)字序列的形式。應(yīng)用采樣控制，有利于提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，也有利于提高控制器的利用率和通用性。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，每5 s采樣一次，能達(dá)到很好的控制效果。

圖7　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)手機(jī)頁(yè)面

3　結(jié)論

今后服裝行業(yè)的科技發(fā)展最主要的任務(wù)就是利用高新技術(shù)和信息技術(shù)改變和提升傳統(tǒng)服裝的功能，這主要體現(xiàn)在智能服裝的研究和開(kāi)發(fā)上?？纱┐饔?jì)算技術(shù)正成為服裝行業(yè)提升附加值的發(fā)展方向之一。現(xiàn)在，智能服裝正在從實(shí)驗(yàn)室里走出來(lái)，邁向更加廣闊的市場(chǎng)。未來(lái)，本監(jiān)控系統(tǒng)將不再局限于調(diào)節(jié)溫度，可以增加一些傳感器，能夠檢測(cè)出人體心跳、呼吸頻率、血壓等各項(xiàng)生命特征，為研制醫(yī)用智能服裝奠定一些基礎(chǔ)，然后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)醫(yī)用智能服裝市場(chǎng)化、商品化。

［1］藍(lán)坤，張躍.Android在遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（6）：1790-1792.

［2］王劍鋒，陳燦峰，劉嘉，等.一種基于IPv6和低功耗藍(lán)牙

的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40（5）：97-102.

［3］易曉霖，吳怡之.基于模糊綜合評(píng)價(jià)的可穿戴心電信號(hào)質(zhì)量評(píng)估［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（12）：3438-3440.

［4］陳環(huán)，丁永生，吳怡之.面向智能服裝健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的心電信號(hào)基線(xiàn)漂移處理［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25 （6）：1707-1709.

［5］MONDAL S.Phase change materials for smart textiles-An overview［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28（7）：1536-1550.

［6］張浩，趙千川.藍(lán)牙手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（11）：3152-3156.

［7］馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

Warm clothing design of monitoring system based on wearable computing technology

Zhai Junhui，Xue Tianyu
（Shool of Information Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology，Beijing 100029，China）

Wearable computing technology is an international advanced computer technology that puts a computer on the human body for a variety of app lications.It is one of the main research topics of intelligent environment.Wearable computing is not a technology that simply puts the computer miniaturized directly on people，it needs to solve many key technology before real development，in order to meet the app lication needs of the peop le.The four most important technologies include human-computer interaction technology，embedded control system technology，the wireless connection technologies and efficient energy technology.If the wearable computing technology is app lied to the intelligent clothing.It can provide a com fortable intelligent environment for people.Therefore，you can use the Android intelligent mobile phone as a host computer，AVR single-chip as a micro controller unit，Bluetooth wireless communication，large capacity lithium-ion battery as an energy source，to design an intelligent warm clothing for patients limitated in movement，which provides a comfortable living environment for them.

wearable computing technology；Android intelligent mobile phone；Bluetooth wireless communication；intelligent warm clothing

TP391.8

A

1674-7720（2015）04-0026-03

北京服裝學(xué)院2014年研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（X2014-068）

（2014-09-24）

翟軍輝（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制。

薛天宇（1963-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。