陳海榮，郝學(xué)峰，周曄彤，趙天北，張 旭

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

《中國(guó)人口老齡化行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告（2021年）》顯示，預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)老齡化人口將激增4億左右，我國(guó)將進(jìn)入重度老齡化社會(huì)[1]。以往保暖、美觀、舒適的服裝，已經(jīng)無(wú)法滿足老年消費(fèi)者對(duì)生理健康監(jiān)測(cè)的需求，具有特殊功能的智能服裝已成為老年人的新需求。

1 生理監(jiān)測(cè)智能服裝的發(fā)展現(xiàn)狀

生理監(jiān)測(cè)智能服裝的應(yīng)用從軍事、極限條件等特殊領(lǐng)域逐漸向運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療等生活化場(chǎng)景邁進(jìn)。人們對(duì)健康監(jiān)測(cè)的需求不局限于部分特殊行業(yè)人群，會(huì)逐漸向廣大老年消費(fèi)者普及。

1.1 用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)的可穿戴智能服裝

智能服裝通過(guò)在服裝中嵌入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），對(duì)用戶日常生活中的運(yùn)動(dòng)、睡眠、心率、血壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，并與電子設(shè)備同步，實(shí)現(xiàn)交互式信息傳輸，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自己的身體狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)護(hù)的作用。醫(yī)療可穿戴設(shè)備還可以采集患者的活動(dòng)軌跡、體溫以及活動(dòng)場(chǎng)所是否途經(jīng)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)等。傳輸完成后，醫(yī)護(hù)人員可以在終端設(shè)備查看數(shù)據(jù)，有效地避免了醫(yī)患直接接觸，進(jìn)而降低了醫(yī)務(wù)人員被感染的概率。

1.2 用于軍事、極限條件等特殊場(chǎng)景的智能服裝

特殊場(chǎng)景是指具有一定危險(xiǎn)性的環(huán)境，如軍事演練現(xiàn)場(chǎng)、極地地區(qū)、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。適用于該場(chǎng)所的智能服裝，除了可以監(jiān)測(cè)用戶的基本體征數(shù)據(jù)，還可以監(jiān)測(cè)外部環(huán)境，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行交互式提醒。如季婷婷等[2]基于夏季建筑工人的工作環(huán)境設(shè)計(jì)了一款智能勞保服，將監(jiān)測(cè)溫度的傳感器、監(jiān)測(cè)心率的傳感器與內(nèi)部的主控板連接，在達(dá)到溫度、心率設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍時(shí)，蜂鳴器及時(shí)發(fā)出預(yù)警，以此對(duì)特殊工種人員起到十分重要的人身安全保障作用。

1.3 用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的智能服裝

與前者相比，適用于運(yùn)動(dòng)等生活場(chǎng)景的智能服裝在外觀上更具生活化特征。如Ombra智能運(yùn)動(dòng)胸罩具備追蹤和記錄步數(shù)、呼吸頻率、卡路里等健身信息的功能，其配備柔性傳感器并設(shè)計(jì)出與普通內(nèi)衣一致的外觀，以此保證使用者穿著后在日常生活場(chǎng)所的正?；顒?dòng)。

2 基于WSN生理監(jiān)測(cè)服裝的原理分析

通過(guò)將WSN嵌入服裝，在服裝內(nèi)構(gòu)成體域網(wǎng)。各簡(jiǎn)約節(jié)點(diǎn)部署在人體的不同部位，分別負(fù)責(zé)采集心率、血糖和血壓等生理信號(hào)；中央?yún)f(xié)調(diào)器設(shè)置在服裝中央，負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)采集的數(shù)據(jù)[3]。為使智能服裝更加輕便并適于穿戴，本設(shè)計(jì)采用體積更小、性能更強(qiáng)的傳感器、傳輸設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備，共同構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)成高效、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的目的。

2.1 生理參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

生理參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即基于服裝生理監(jiān)測(cè)的功能而進(jìn)行的硬件與軟件設(shè)計(jì)，是服裝智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。將心率、血糖、血壓等傳感器監(jiān)測(cè)和采集的生理參數(shù)嵌入服裝中的多個(gè)微處理器進(jìn)行特征提取、模式識(shí)別和模式分析，并對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算和處理，構(gòu)成智能服裝的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是智能服裝功能系統(tǒng)的核心，包括電源、存儲(chǔ)器和中央處理器。將數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)放在服裝中完成，進(jìn)而有效避免上機(jī)位軟件系統(tǒng)由信號(hào)弱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確、信號(hào)儲(chǔ)存不及時(shí)等問(wèn)題。

2.1.1 心率傳感器

采用微壓力傳感材料制成的壓電式傳感器或光電傳感器進(jìn)行測(cè)量。無(wú)論是壓電式傳感器還是光電傳感器，都會(huì)受到脈搏信號(hào)和自然抖動(dòng)信號(hào)等因素的影響，造成測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。因此，選擇ST188紅外傳感器和感測(cè)控制電路，利用光電傳感器對(duì)紅外線強(qiáng)度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)視人體血管內(nèi)的血液流動(dòng)時(shí)，重視光的透過(guò)度或折射度等心率信號(hào)，每當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，心臟泵血就會(huì)改變血管中的血液流量以及血液飽和度，進(jìn)而導(dǎo)致光反射強(qiáng)度的變化，獲得信息對(duì)應(yīng)心跳數(shù)的節(jié)奏，一次心跳數(shù)的節(jié)奏取得一次心跳數(shù)脈沖信號(hào)，對(duì)心率是否出現(xiàn)異常做出相關(guān)判斷。這個(gè)方案最主要的優(yōu)點(diǎn)是外部干擾小以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差小。

2.1.2 血糖傳感器

無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)是最新的血糖檢測(cè)方法，將其與智能服裝技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)血糖監(jiān)測(cè)功能。采用收集人體汗腺血糖數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行血糖生理參數(shù)采集，已達(dá)到血糖監(jiān)測(cè)目的。調(diào)查研究顯示，在分析汗液的過(guò)程中，因?yàn)橛写x物和電解質(zhì)的存在，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地反映患者狀況。具有可穿戴性質(zhì)的三電極電化學(xué)生物傳感器是基于彈性纖維的一種生物傳感器，用于監(jiān)測(cè)汗液中的葡萄糖。

2.1.3 血壓傳感器

選用壓電式HK-2000B脈搏傳感器，靈敏度高，能無(wú)創(chuàng)采集人體脈搏信號(hào)[4]。采用脈搏波測(cè)量血壓的原理在于脈搏波傳播速度受動(dòng)脈血管壁的緊張程度影響。因此，可以根據(jù)脈搏波傳遞速度判斷血壓數(shù)值：脈搏波傳遞速度越快，證明動(dòng)脈壁在收縮，血壓在上升，反之亦然。具體數(shù)值可以根據(jù)英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯·楊提出的公式推導(dǎo)出[5]：

式中：P是血壓，γ是表示血管特征的一個(gè)量值，ρ是密度，d是管內(nèi)直徑，S是橫截面面積，T是脈搏傳導(dǎo)時(shí)間，a是加速度，E0是動(dòng)能。由式（1）推導(dǎo)出血壓變化與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間之間的關(guān)系：

式中：?P為動(dòng)脈血壓變化值，?T為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，γ是表示血管特征的一個(gè)量值。

2.1.4 傳感器位置

為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠度，傳感器的位置非常重要。首先指出心率傳感器的位置，心率值可以在許多位置實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)；其次結(jié)合服裝種類(lèi)，選擇人體前軀干作為傳感器的安裝位置。本設(shè)計(jì)將傳感器放在9處位置，分別是左腋中線平第五肋間、胸骨左緣第四肋間、右鎖骨中線第二肋、左鎖骨下窩內(nèi)1/3處、胸骨右緣第四肋間、左鎖骨下窩中1/3處、左鎖骨中線第五肋間處、胸骨左緣第四肋正上方、右腋中線第四肋間。

2.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由中央控制器和輔助處理器組成。系統(tǒng)的主要軟件在不同的處理器平臺(tái)上運(yùn)行不同的程序，完成各自的處理任務(wù)。

2.2.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)編譯軟件簡(jiǎn)介

目前，主流的編程語(yǔ)言——C語(yǔ)言被用于編寫(xiě)單片機(jī)程序，優(yōu)勢(shì)在于可讀性更強(qiáng)、代碼維護(hù)人員更多，有利于單片機(jī)程序的開(kāi)發(fā)與維護(hù)。使用Microsoft Visual Studio作為編譯器的優(yōu)勢(shì)在于包含統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）工具、代碼管控工具、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）等；支持多種編程語(yǔ)言編寫(xiě)，適用性與實(shí)用性較強(qiáng)。

選擇STC89C52微處理器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，該型號(hào)的單片機(jī)使用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多改進(jìn)，使芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位中央處理器（CPU）和在系統(tǒng)可編程Flash，使STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了高靈活性、超有效的解決方案[6]。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

將心率、血糖、血壓等傳感器監(jiān)測(cè)和采集的生理參數(shù)嵌入服裝中的多個(gè)微處理器中進(jìn)行特征提取、模式識(shí)別和模式分析，并對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算和處理，構(gòu)成服裝的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是智能服裝功能系統(tǒng)的核心，包括電源、存儲(chǔ)器和中央處理器。將數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)放在服裝中完成，進(jìn)而有效避免上機(jī)位軟件系統(tǒng)因信號(hào)弱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確、信號(hào)儲(chǔ)存不及時(shí)等問(wèn)題。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將分析結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式傳輸至智能服裝的交互式系統(tǒng)，進(jìn)而及時(shí)反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)護(hù)的功能。數(shù)據(jù)分析模塊具有以下功能：數(shù)值計(jì)算、生理參數(shù)顯示、測(cè)量狀態(tài)選擇、根據(jù)狀態(tài)判斷身體情況和危險(xiǎn)度，并且將計(jì)算的生理參數(shù)、計(jì)算時(shí)間、診斷結(jié)果存入歷史記錄。

3 老年人生理監(jiān)測(cè)服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 老年人生理與心理特征

研究表明，老年人群是糖尿病、高血壓、冠心病等疾病的高發(fā)人群，部分老年人的監(jiān)護(hù)人無(wú)法長(zhǎng)期陪伴其身旁，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)老年人身體出現(xiàn)的問(wèn)題并進(jìn)行及時(shí)治療。老年人在心理上大多不愿經(jīng)常去醫(yī)院檢查身體，更不愿將個(gè)人生理參數(shù)告知監(jiān)護(hù)人，進(jìn)而導(dǎo)致身體出現(xiàn)異常情況但沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而錯(cuò)過(guò)治療的最佳時(shí)期。研究表明，通過(guò)各項(xiàng)生理參數(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)身體的異常，對(duì)在住院前進(jìn)行急救具有重要作用，有助于降低患者的發(fā)病率以及其他突發(fā)事件發(fā)生的概率，進(jìn)而降低醫(yī)療成本。

3.2 老年人生理監(jiān)測(cè)服裝功能要求

老年人生理監(jiān)測(cè)服裝需要具備的主要功能包括心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、血糖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、血壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；诶夏耆诉@一特殊受用主體，本智能服裝應(yīng)滿足以下需求。

3.2.1 舒適性

老年人群在選擇服裝時(shí)，會(huì)將服裝的舒適性作為首要需求。目前，大多數(shù)智能服裝為保證生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，會(huì)選擇貼身款式，再加上大量智能纖維和電子元件被加入服裝中，用戶體驗(yàn)的舒適性降低。因此，服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保證用戶體驗(yàn)的舒適性。

3.2.2 便利性

智能服裝的使用便利性對(duì)老年人來(lái)說(shuō)尤為重要，無(wú)論是穿脫便利性還是清潔便利性，都影響著智能健康監(jiān)護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 安全性

智能服裝裝有大量的導(dǎo)電線與電子元件，存在電子輻射的風(fēng)險(xiǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中也存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)。安全性保障既是智能服裝設(shè)計(jì)的底層要求，也是智能服裝的命脈。

3.3 面料選擇及工藝設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)原料選用棉、錦綸和氨綸混合制成的面料，棉織物的吸濕透氣性強(qiáng)、保暖性好，符合老年人的生活習(xí)慣；質(zhì)地柔軟，符合老年人的舒適度要求；光澤柔和、簡(jiǎn)約，符合老年人對(duì)服飾外觀的需求。但是，由于純棉織物彈性差、易起皺、褶皺不易恢復(fù)、易霉變和變質(zhì)，需要與其他材料混紡。錦綸結(jié)實(shí)耐磨，產(chǎn)品更輕，穿著更舒適；織物的彈性和回彈性好，但織物在外力作用下容易變形。氨綸彈性較強(qiáng)。將上述3種材料混合制成的織物具有穿著舒適、光澤明亮、手感光滑飽滿、收縮小、保暖性好、抗皺性強(qiáng)、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)，改善了純棉面料易霉變、純錦綸面料易變形的缺點(diǎn)?？茖W(xué)運(yùn)用智能服裝材料，可以保障服裝的合體性，進(jìn)一步提高服裝的美觀效果[8]，滿足老年人的穿著要求。

老年智能服裝設(shè)計(jì)整體使用物理復(fù)合的方式，利用縫制工藝中貼附、縫合或內(nèi)嵌等方便拆卸的方式，將電子材料器件內(nèi)嵌到服裝中，使服裝對(duì)人體健康起到監(jiān)測(cè)的作用。這種方法直接且易于服裝清洗。針對(duì)中老年人對(duì)服裝舒適性、保暖性、透氣性、耐用性的要求，實(shí)現(xiàn)智能化、微型化、便攜化等特點(diǎn)。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能服裝應(yīng)滿足老年人日常活動(dòng)所需的服裝寬松度和基本呼吸量，針對(duì)中老年人群體的穿著習(xí)慣與喜好，該款智能服裝結(jié)構(gòu)選擇將合身背心的胸圍尺寸在凈胸圍的基礎(chǔ)上增加4.0 cm，在服裝上增加了分割線和省道，在后腰打褶以提高測(cè)量精度，使背心更加貼身，且為了使智能服裝更符合人體活動(dòng)的要求，對(duì)服裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部收緊和放松。該設(shè)計(jì)將胸腰省道轉(zhuǎn)換為肩省道，并將其組合在一起，使整個(gè)背心更貼合人體，減少誤差，使衣服肩部更舒適。采用雙層織物和雙層襯里的組合，內(nèi)層有襯里和夾套表面?？紤]到老年人在日?；顒?dòng)中以坐姿、躺姿居多，故馬甲內(nèi)層圍度會(huì)因呼吸、摩擦、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致縫份開(kāi)合。因此，本設(shè)計(jì)在接縫時(shí)下擺為4.0 cm，襯里周?chē)鸀?.5 cm，以此在底擺處或后中、側(cè)縫處形成掩皮量，避免上述情況發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

基于WSN的生理監(jiān)測(cè)服裝是將傳感器嵌入服裝中，依靠SPP-C藍(lán)牙模塊等進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，及時(shí)上傳到移動(dòng)客戶端，以達(dá)到對(duì)人體生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)方便、及時(shí)、高效的智能服裝，既能滿足老年人隨時(shí)關(guān)注自身身體狀況的需要，同時(shí)也能解決因監(jiān)護(hù)人不能隨時(shí)陪伴而無(wú)法發(fā)現(xiàn)身體異常的問(wèn)題。在國(guó)家相關(guān)醫(yī)療體系以及社會(huì)保障制度的配合下，此種智能服裝可以給我國(guó)老齡化人群養(yǎng)老提供更多的解決方法以及更強(qiáng)的技術(shù)支持。