梁盈春,戴 鴻,梁皓春

(1.陜西服裝工程學院 服裝學院,陜西 西安 712046; 2.西安工程大學 服裝與藝術設計學院, 陜西 西安 710048;3.西安交通大學 電氣工程學院,陜西 西安 710049)

體溫監(jiān)測器是反映人體健康指標必不可少的設備。兒童作為特殊人群,自身抵抗力較差,在發(fā)病過程中往往會出現(xiàn)高燒驚厥的情況,危及生命,更加需要及時監(jiān)測體溫。

隨著健康測溫產(chǎn)品的革新?lián)Q代,各種電子測溫設備不斷涌現(xiàn)于消費市場,如常見的紅外電子傳感測溫器,主用于額溫瞬時測量,但其易受環(huán)境影響導致測溫精準性不高[1]。此外還有廣泛使用的熱敏電阻測溫器,可通過藍牙、Wifi等通信模塊進行測量顯示,多應用于幼童測溫。但由于此類產(chǎn)品常用硬質(zhì)的電路板、繼電器等組件設計,芯片體積及厚度大,質(zhì)地硬,不能很好地滿足幼童穿戴監(jiān)測,也容易出現(xiàn)幼童因好奇誤食測溫器的問題[2-3]。

為更有針對性地解決目前幼童市場測溫設備穿戴問題。研究針對智能溫度監(jiān)測穿戴設備構建體系進行創(chuàng)新探索,以服裝人體工程學、人體生理學、服裝結(jié)構工藝學、服裝衛(wèi)生學、電磁通信學等知識作為指導,融合服裝智能領域新興的柔性織物導電技術與NFC無線射頻傳感技術,通過文獻綜述法、實驗法、數(shù)據(jù)分析法、三維建模等方法進行幼童可穿戴式智能體溫監(jiān)測設備的創(chuàng)新設計,以期為幼童體溫監(jiān)測產(chǎn)品及技術領域帶來新的突破,實現(xiàn)智能服裝的柔性穿戴,快速精準讀取測溫數(shù)據(jù),微縮體積及高效測控信息,為幼童的健康成長保駕護航。

1 幼童溫度監(jiān)測點位的確定

幼童一般指1～3歲年齡區(qū)段的兒童,國家兒童身高標準為70～90 cm,體態(tài)短,身體各部位溫差較小,結(jié)合童裝穿戴便捷高效性設計要求,為更加科學地選擇溫度監(jiān)測點位,反映兒童冷熱舒適性,參考《人體生理學》[4],結(jié)合真人實驗判定最佳監(jiān)測點位。并以“顯性出汗”這一生理特征確定臨界出汗時的溫度范圍,來設計溫度監(jiān)控參數(shù)區(qū)間。

1.1 12個溫度區(qū)位劃分

參考人體部位溫度的初級劃分,將幼童溫度大致劃分為12個區(qū)位。分別是面額部、胸部、背部、腋下、腹部、腰部、大臂、小臂、手、大腿、小腿、腳部。幼童人體溫度測量區(qū)位劃分如圖1所示。

圖1 幼童人體溫度測量區(qū)位劃分Fig.1 Location division of body temperature measurement for young children. (a) Front; (b) Back

1.2 熱敏監(jiān)測點位篩選

為達到智能可穿戴設備上監(jiān)測設備的微縮性設計,通過《人體生理學》得到12個區(qū)位的出汗量相對值及出汗臨界溫度。對12個溫度區(qū)位進行二次篩選,以尋找熱敏感度高、有明顯汗感、近似反映人體體溫的重點溫度監(jiān)測區(qū)位[5]。選擇出汗量相對值超過10%、出汗臨界溫度相對較集中的溫值區(qū)間,判定各區(qū)位的熱敏感度。篩選出胸部、背部、腰部、腹部、腋下5個區(qū)位,并對其熱敏度進行監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測點位確定

整理分析人體5個區(qū)位出汗量相對值和兒童顯性出汗臨界溫度可知,腋下部位為最容易出汗、汗量較大,且顯性出汗溫度較折中的部位,即腋下最有可能影響幼童的穿著舒適性。因此通過設計真人氣候調(diào)解室模擬運動實驗,收集數(shù)據(jù)整理,擬定出汗量相對值較大、顯性出汗臨界溫度較為折中的腋下為主要監(jiān)測點位[6]。

2 智能可穿戴設備的構建

從面料選擇、結(jié)構設計、功能性設計及穿戴壓力舒適性設計入手構建智能可穿戴設備。選擇常見的“X”字型雙背帶設計,以保證均勻受力,適體不緊繃,方便幼童活動;背部采用錦綸黏扣開合設計,以提升穿著安全性;腋下、后肩胛點特殊部位采用異料拼接進行特殊處理;在左側(cè)腋下部位,采用微型測溫器、聚酯軟膜線路、銀導電織物及薄膜乳膠封層構成柔性測溫芯片,熱塑嵌套于智能可穿戴設備,無感貼合皮膚,并進行實時測溫監(jiān)控。智能可穿戴設備如圖2所示。

2.1 面輔料的設計與選擇

智能可穿戴設備的面料部分主要采用棉混紡彈力針織面料和蝶網(wǎng)面料進行拼接設計,后背、前腋采用異料拼接設計,以提升穿著親膚、透氣性和彈力舒適性。面輔料選用如圖3所示,圖3 (a)為彈力棉面料,用于設備的服裝衣身設計;圖3(b)為蝶網(wǎng)鏤空面料,用于拼接部位設計;圖3(c)為輔料錦綸粘扣,用于開合設計。

圖3 面輔料選用Fig.3 Fabric and auxiliary materials selection.(a)Stretch cotton fabric; (b) Mesh fabric; (c)Polyamide fastener

彈力棉的成分為棉/氨綸(80/20)的混紡針織面料,具有良好的彈性,屬于中彈混紡棉織物,適用于幼童穿著;織物組織類型為經(jīng)向針織羅紋組織,緯向的拉伸力大于經(jīng)向;織物密度較高;拼接面料采用透氣性較強的蝶網(wǎng)面料,面密度較小。表1為智能可穿戴設備所用的面料參數(shù)。

表1 智能可穿戴設備面料參數(shù)Tab.1 Smart wearable device fabric parameter

2.2 舒適性與功能性設計

智能可穿戴設備的舒適性和功能性設計[7-8]如圖4所示。

圖4 舒適性與功能性設計圖Fig.4 Comfort and functional design.(a) Right posterior; (b) Left anterior lateral

穿戴設備整體結(jié)構采取“8+1”字型背帶設計,同時進行適宜的運動曲線設計。整體利用纏繞式結(jié)構,“X”型設計分散了背部和腰部方向的壓力,讓整體結(jié)構設計更加穩(wěn)定。

胸椎3～4節(jié)、胸椎7～8節(jié)采用柔性錦綸貼扣布進行開合設計,可調(diào)節(jié),方便穿脫。

異料結(jié)構處采用拼接設計,在穿戴雙背部、兩側(cè)腋窩處加入網(wǎng)目透氣設計,提升設備穿戴熱濕舒適性;肩部利用彈力棉面料進行彈力背帶設計,背帶上加固柔軟條帶墊肩設計,提升穿著壓力舒適性。

在智能可穿戴設備的左側(cè)腋下部位中植入智能NFC溫度監(jiān)測芯片(深圳中領物聯(lián)智能科技公司)。芯片外部采用親膚的乳膠貼片設計;內(nèi)部利用銀導電織物,柔性布線;配備貼體金屬測溫探頭,熱塑壓合在穿戴設備的預留配孔中,并縫合加固與服裝穿戴主體產(chǎn)生嵌套,起到監(jiān)測幼童體表溫度的功能。

2.3 結(jié)構設計

參考GB/T 1335.3—2009《服裝號型 兒童》將1～3歲幼童的服裝號型按幼童的年齡、身高、體型劃分為S～XL 4類號碼[9];1～2歲幼童體態(tài)變化較小,除凈胸圍與肩寬尺寸有所增加,其它細分部位如肩帶寬度、成衣胸帶寬度等尺寸保持不變。此外,幼童期兒童生長速度較快,隨著年齡的變化,身體各部位尺寸呈不規(guī)律變化,故智能可穿戴設備的號型設計,結(jié)合幼童生理發(fā)展特征進行了不規(guī)律的結(jié)構檔差設計,如表2所示。

表2 智能可穿戴設備的號型設計Tab.2 Smart wearable device size design

智能可穿戴設備結(jié)構圖如圖5所示。以S碼作為基型,根據(jù)新文化原型和表2中涉及的各部位尺寸,應用服裝CAD軟件繪制服裝結(jié)構圖,圖中F指智能可穿戴設備的正面、BL指左背部、BR指右背部。圖中肩帶長50 cm,寬4 cm、胸帶長49 cm,寬7 cm、凈胸圍47 cm、成衣胸圍49 cm。

圖5 智能可穿戴設備結(jié)構圖Fig.5 Smart wearable device structure diagram

2.4 智能可穿戴設備的服用性能測試

對智能可穿戴設備的服用性能進行測試,主要包括起毛起球性、強力、透氣性、體感壓力,以確保穿戴設備的耐用性、易活動性、透氣性和壓力舒適性。

2.4.1 起毛起球性測試

利用YG502型織物起毛起球儀(溫州際高檢測儀器有限公司)對智能可穿戴設備(穿戴主體所選用的彈力棉面料)進行耐磨性測試。參照GB/T 21196.1—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第1部分:馬丁代爾耐磨實驗儀》判定磨損程度?？椢锲鹈鹎蛐詼y試結(jié)果如圖6所示,可以看出,將試樣面料放置在平滑面和顆粒面分別摩擦后,試樣1摩擦后(放置平滑摩擦面)的面料外觀無根本性改變,試樣2摩擦后(放置顆粒摩擦面)外觀產(chǎn)生輕微起絨現(xiàn)象。本文設計的可穿戴設備在服用過程中主要以服裝穿戴為主要摩擦方式,故穿戴設備的面料設計基本能夠滿足日常活動的磨損需求。

圖6 織物起毛起球性測試結(jié)果Fig.6 Fabric fuzzing balloon instrument and test results.(a)Sample 1;(b)Sample 2

2.4.2 強力測試

對可穿戴設備進行強力和彈性測試,以判斷其能否滿足幼童活動過程中的舒適性需求。利用YG026PC型電子織物強力機(江西貝諾儀器有限公司)對智能可穿戴設備的同料、異料拼接部位進行強力測試,保證測試長度和行車位置盡量相同,設置拉伸速度200 mm/min,上下夾鉗的隔距調(diào)整為100 mm,起拉力值、預加張力設定為0.5 N。強力測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 強力測試數(shù)據(jù)Tab.3 Data of strength test

智能可穿戴設備采用的彈力棉部分,緯向的彈性較大,伸長率較長,回彈性較好,斷裂強度和斷裂強力大于經(jīng)向,屬于中度強力;智能可穿戴設備的蝶網(wǎng)部位,經(jīng)向的彈性較大,伸長率較緯向略長,斷裂強度和斷裂強力略大于緯向,屬于中低度強力。縫合部位斷裂強力及強度較弱,伸長率較短,間接反映彈力較差,這主要是由于縫紉線跡、縫紉密度及縫線材料造成的。參照GB/T 3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能 第2部分:斷裂強力的測定(抓樣法)》,可知3個測試部位的強力測試數(shù)據(jù)總體符合服裝設計要求。

2.4.3 透氣性測試

利用YG461E型數(shù)字式織物透氣量儀(南通三思機電科技有限公司)對智能可穿戴設備的服裝彈力棉面料區(qū)進行透氣性測試。選擇與面料相配伍的4號噴嘴,安裝在氣流量筒內(nèi),預設參數(shù)后進行實驗。試樣面積選定為3、4、5 cm2,在標準大氣壓下,透氣量試樣流量測試高于2 700 L/h時停止運行儀器,重復上述實驗多次,平均透氣性測試數(shù)據(jù)見表4。參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,結(jié)果顯示透氣性較好。

表4 平均透氣性測試數(shù)據(jù)Tab.4 Data of average air permeability test

2.4.4 壓力測試

利用style3D建模軟件構建智能可穿戴設備進行仿真穿著,通過著裝壓力感線得出穿戴設備時身體各部位的壓力分布,完成智能可穿戴設備的結(jié)構松量矯形。具體為:通過style3D建模軟件對不同部位進行不同放松量(+0、+0.5、+1、+2 cm)的仿真壓力測試,并根據(jù)3D壓力感線(紅色代表壓感明顯;綠色代表壓感輕微;藍色代表無壓感)判定智能穿戴設備是否達到人體著裝舒適的壓力范圍,確定智能可穿戴設備放松量設計的合理性[10]。3D仿真壓力測試數(shù)據(jù)如表5所示,對應的3D壓力感線分布如圖7所示。

圖7 3D壓力感線分布圖Fig.7 3D pressure sensing line distribution diagram.(a) Test 1; (b) Test 2; (c) Test 3

人體著裝舒適的壓力范圍1.96～3.92 kPa[4],對3次不同放松量的3D仿真壓力測試結(jié)果分析得出,測試1:肩部、胸部放松變量為0 cm時,圖7(a)中肩帶處產(chǎn)生了紅色壓力區(qū),壓感明顯,平均壓力為5.61 kPa,超出人體著裝舒適壓力范圍,判定仿真著裝壓力舒適度差。測試2:肩部放松變量為0.5 cm、胸部放松量為1 cm時,平均壓力為2.44 kPa,符合人體著裝舒適壓力范圍,但參看圖7(b)發(fā)現(xiàn)在背中部服裝區(qū)域仍存在紅色壓力區(qū),局部壓感明顯,需要進一步調(diào)整放松量參數(shù)。測試3:肩部放松變量為1 cm、胸部放松量為2 cm時,平均壓力1.61 kPa,接近人體著裝舒適壓力范圍,壓力較小,且參看圖7(c)基本無紅色壓力線區(qū),分析判定3D仿真著裝壓力舒適度良好。

利用GRAPHTEC壓力測試儀(日本圖技株式會社)進行智能可穿戴設備的著裝壓力測試。利用70 cm高(約2歲)的幼童軟體假人模型進行實驗,如圖8(a)所示。對附著穿戴服裝的體表部位,進行仿真呼吸沖壓模擬實驗。對包括后頸部、雙肩部、雙側(cè)背部、后背中、前胸部、胸部底圍、雙腋下10個部位進行可沖壓式貼片測控。最終得出:當肩部放松量為1 cm、胸部放松量為2 cm時,各區(qū)位實驗壓力數(shù)值平和低緩,無明顯壓感,設計符合壓力穿著需求,且能夠最大程度的貼體,減少體溫測量誤差。具體實驗動態(tài)監(jiān)測如圖8(b)所示。

2.5 智能可穿戴設備的設計構成

2.5.1 智能可穿戴設備的3D設計

經(jīng)過對智能可穿戴設備服裝部分的初步構思、設計、制作及實驗,最終確定服裝部分的構成,并通過Style3D軟件進行了虛擬試穿,如圖9所示。

圖9 智能可穿戴設備三維試穿圖Fig.9 Smart wearable device 3D fitting diagram.(a) Front; (b) 1/8 left front;(c) Left;(d) Back

2.5.2 智能可穿戴設備的外觀設計

利用兒童傳統(tǒng)穿戴生肖屬相服裝、配飾的禮儀習俗,選取十二生肖紋樣進行卡通圖案設計,并應用在智能可穿戴設備中,提供給用戶更多自主選擇的空間。十二生肖主題設計如圖10所示。

圖10 十二生肖主題設計Fig.10 Chinese zodiac theme design.(a) Zodiac "dragon" design;(b) Zodiac "tiger" design

3 智能可穿戴設備溫測系統(tǒng)

智能可穿戴設備的溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)主要由測溫芯片的硬件設計部分及管理溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖糠謽嫵蒣11]。本文將針對溫度監(jiān)測系統(tǒng)構成的重點內(nèi)容,包括硬件總體架構、應用到的NFC技術、導電銀織物的應用、軟件系統(tǒng)的設計構成進行說明。

3.1 NFC技術

NFC(Near Field Communication,NFC)是一種短距離無線射頻通訊技術。它可以將各類協(xié)議標簽數(shù)據(jù)傳輸至具有NFC功能的移動終端及智能設備上,通過智能設備自帶的數(shù)據(jù)處理功能,在不需要傳統(tǒng)單片機讀取計算耗時耗力、占用芯片體積的情況下,完成信息的采集與顯示[12]。NFC芯片具有低功耗、微模型、高精準、造價低等的優(yōu)勢,由于其磁感線圈可以被柔性印刷,具有良好的扭曲性,所以近年來常被用于服裝智能裝備的設計中。本文設計的智能可穿戴設備同樣利用NFC技術進行人體溫度信息的采集及傳輸。

3.2 系統(tǒng)硬件總體架構

溫度監(jiān)測芯片的硬件設計主要由三大部分組成,即溫度傳感器元件、NFC電子標簽協(xié)議卡、TISSU導電銀織物膠布。首先選定DS18B20微型貼片式溫度傳感器(深圳市金三晶電子科技有限公司)作為溫度監(jiān)測的熱敏電阻元件,用來獲取幼童體溫,其次選用NFC-NTAG 216標簽智能卡(深圳中領物聯(lián)科技公司)與手機NFC線圈的無線射頻發(fā)送溫度測量命令,進行信息交換及數(shù)據(jù)處理,完成整個溫度測控過程的系統(tǒng)設計,最后選用TISSU導電銀織物膠布(河南鳳之凰實業(yè)股份有限公司),減少著裝摩擦中產(chǎn)生的電磁數(shù)據(jù)干擾,通過良好的導電、儲電性,加大NFC芯片內(nèi)部電容量,實現(xiàn)溫度持續(xù)監(jiān)測。硬件系統(tǒng)構成如圖11所示。

圖11 硬件系統(tǒng)構成圖Fig.11 Hardware system structure chart

3.2.1 NFC無線無源電路設計

測溫系統(tǒng)硬件電路圖如圖12所示。通過A端的溫度探測帽,接觸皮膚收集人體體表溫度,溫度數(shù)據(jù)值靠 DQ 引腳傳輸通向B端,B端中心附有微型貼片封裝的DS18B20溫度芯片及互聯(lián)NFC標簽智能貼片集成組件,保證中控的小體積、高溫度傳導性[13]。NFC芯片提供SPI接口,通過標簽協(xié)議讀取溫度探測器數(shù)據(jù),利用I2C總線進行通信。B端外圍設計大量無線線圈,作為邊緣處理單元。線圈具有數(shù)據(jù)輸出及電流輸入2個功能,當測溫芯片與手機NFC內(nèi)置靠近時,會產(chǎn)生中距讀取器場,天線輸出溫測數(shù)據(jù)以供移動手機讀取。同時,天線輸入端將吸收手機采集數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的瞬時無線射頻放電。將天線線圈VCC與VOUT端口相連,通過電磁感應,把大量電磁存儲并環(huán)繞在排線內(nèi),實現(xiàn)芯片內(nèi)部自主供電。

圖12 硬件電路圖Fig.12 Hardware circuit diagram

3.2.2 無源供電設計

NFC作為一種低功耗的通信技術,每次測量數(shù)據(jù)讀取協(xié)議標簽信息時,只需要150 μA的電流,即可完成數(shù)據(jù)采集,持續(xù)待機也僅需20 μA的電流。無源供電設計利用支持NFC功能的手機靠近天線線圈,形成磁場耦合產(chǎn)生電源,以供DS18B20測溫器繼電。設計的天線圈數(shù)及密集度越多,吸收的電容量就越大,從而保證監(jiān)測設備的持續(xù)供電。手機一次采溫的瞬時放電,設備可續(xù)充24 h的繼電,解決了傳統(tǒng)電池供電,體積大,需要更換的問題。NFC無源供電原理圖如圖13所示。

圖13 NFC無源供電原理圖Fig.13 NFC schematic diagram of passive power supply

3.3 芯片設計

3.3.1 造型及規(guī)格設計

測溫芯片主體設計為“骨棒”型。為減少采溫電磁干擾,將溫度傳感帽頭設計在A端進行溫度采集。溫度處理、傳感射頻設置在B端。主體可分為4部分,上、下乳膠貼外殼層、中部芯片感應夾層、導電銀織物膠布夾層。測溫芯片分解如圖14所示。

圖14 測溫芯片分解圖Fig.14 Temperature core breakdown diagram

測溫芯片基本規(guī)格為:整體尺寸76 mm×35 mm×2 mm,質(zhì)量2 g,通信距離20～50 mm,溫度測控范圍25～45 ℃,溫度測量精度±0.1 ℃(25～45 ℃)/±0.2 ℃(25～29 ℃)。測溫芯片嵌套在智能可穿戴設備中,需遵循NFC安卓手機服務協(xié)議,配備安卓系統(tǒng)5.0以上的移動設備使用。

3.3.2 芯片柔性設計

測溫芯片具有柔性設計特點,整體利用聚脂薄膜(PET)為線路底板,通過超聲波進行植線。加裝測溫組件時,可自動碰焊。印刷的芯片背面為膠面,方便與其它組件相黏合,形成柔性印刷封裝的電路板。柔性芯片設計不僅可以將普通印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)的厚度壓縮為0.2 mm,也可使測溫芯片整體更加輕薄柔韌,提升探頭測溫的精準度及穿戴舒適度。芯片柔性設計如圖15所示。

圖15 芯片柔性設計Fig.15 Chip flexible design.(a) PET flexible printed circuit board; (b) Flexible bonding design

圖16 芯片實物圖Fig.16 Chip design

3.4 導電銀織物在芯片設計中的應用

銀織物是近年來服裝智能制造常用織物類別,由金屬銀纖維與化合纖維混紡制成,具有良好的導電性能及可穿戴性能[14]。在本文設計中,導電銀織物膠片的應用主要起到3個作用:①利用銀織物優(yōu)良的導電性能,當移動終端靠近NFC天線發(fā)生電磁反應,釋放電能后,銀織物可以充當天線線圈儲電板,幫助柔性印刷電路板儲存更多電容,加大供電量;②銀織物有良好的抗靜電性,可以減少在穿戴摩擦過程中靜電對電磁數(shù)據(jù)的干擾;③銀織物有良好的彎曲性和柔韌度,通過黏膠貼合方式可以對柔性印刷電路板進行保護。芯片實物圖如16所示。

3.5 軟件測溫系統(tǒng)設計

3.5.1 數(shù)據(jù)傳輸途徑

總體數(shù)據(jù)傳輸途徑為:測量的電磁數(shù)據(jù)通過NFC線圈,向支持NFC協(xié)議的移動設備發(fā)送電磁數(shù)據(jù),并通過移動終端設備讀寫體溫信息、記錄體溫數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)讀取方法為:從NFC標簽導出智能可穿戴設備測量的NDEF格式的溫度數(shù)據(jù),在編寫程序的過程中先設定Android使用的協(xié)議版本和安裝的信息,定義可接收標簽組件項目,配置安卓系統(tǒng)的Launch Mode啟動模式。當利用射頻獲得移動終端自行運行的許可后,判斷NFC標簽數(shù)據(jù)類型為讀卡器模式,讀取相關數(shù)據(jù),編譯為溫度值。完成硬件數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3.5.2 移動終端設備

利用Eclipse軟件開發(fā)工具,調(diào)取NDEF協(xié)議監(jiān)測數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù),并進行APP軟件界面設計。最終打包成APK文件,方便使用者安裝軟件。手機程序界面分為溫度測量界面及溫度監(jiān)測界面,用戶可通過注冊登錄,保存以往記錄數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù),繪制體溫曲線圖。軟件手機界面如圖17所示。

圖17 軟件手機界面Fig.17 Mobile interface of software.(a) Temperature measuring interface;(b) Monitoring interface

3.6 智能可穿戴設備系統(tǒng)測試

智能可穿戴設備的系統(tǒng)測試主要包括溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件總體KPI測試、性能測試、通信效率、權限、兼容性、穩(wěn)定性、電磁抗擾度、熱傳導性能等方面的測試。本文將重點對電磁干擾測試及熱傳導性能測試進行分析。

3.6.1 電磁干擾測試

為保障采溫的精準性,重點測試電磁對智能可穿戴設備采溫的抗干擾度,電磁干擾度測試結(jié)果如表6所示。參照GB/T 17626.2—2018《電磁兼容 實驗和測量技術 靜電放電抗擾度實驗》可知,在靜電放電測試中,實驗電瓶與符合電瓶相吻合,靜電干擾較小,數(shù)據(jù)顯示正常。其他測試均不適用,故排除設備在使用過程中,除靜電電磁干擾的其他情況。

表6 電磁干擾度測試Tab.6 Electromagnetic interference test

3.6.2 熱傳導性能測試

為保障柔性芯片夾層及外層設計不影響溫度采集的熱傳導性,利用Ansys Workbench 19.0軟件對模擬芯片采溫,進行傳熱仿真模擬實驗。通過導入芯片上所用的所有材料屬性,細化模型網(wǎng)格,進行控制單元劃分,構建仿真?zhèn)鞲衅髂Ｐ?。具體導入的芯片材料參數(shù)如表7所示。

表7 芯片材料參數(shù)Tab.7 Chip material parameter

首先利用發(fā)熱圓環(huán)模型模擬人體體表,將發(fā)熱環(huán)溫度設置為37 ℃,加設對流載荷及系數(shù),設定對流系數(shù)為25 W/(m2·℃),監(jiān)測傳導時長為10 s,溫度測定邊界為35～37 ℃,設定恒定環(huán)境參數(shù)。然后將傳感器模型貼在發(fā)熱圓環(huán)外表面進行溫度場分析。模擬測試芯片分為不帶乳膠貼殼及導電銀織物、芯片僅帶導電銀織物、芯片同時裝帶乳膠貼殼及導電銀織物3種情況下傳溫的情況。最終,得到仿真溫度分布云圖如圖18所示,分析溫度傳感器芯片的夾層及外層設計對傳溫采集的影響。

圖18 仿真溫度分布云圖Fig.18 Simulated temperature distribution cloud map.(a) Chip; (b) Applied-fabric; (c) Applied-fabric and latex

通過溫度場熱成像圖可得,在統(tǒng)一參數(shù)設定,改變芯片貼層的情況下,柔性溫度傳感器均可以實現(xiàn)人體表面溫度的測量。測溫探頭帽部分、熱敏傳導纖維及溫度傳感器,均可以快速傳導設定的溫度,達到37 ℃,形成紅色溫域。附著的膠貼和面料雖然傳熱較金屬熱敏材料慢,但對芯片升溫影響較小,傳熱功能滿足設計需求。

4 結(jié)束語

文章以兒童體溫測量的重要性為出發(fā)點,結(jié)合市場兒童溫測設備存在的問題,通過實驗設計、數(shù)據(jù)分析、3D建模、仿真測試等多種方法的綜合運用,從溫度監(jiān)測點位的確定,到智能可穿戴設備的選料、設計、測試及制作,再到測溫系統(tǒng)的軟硬件設計及測試,一體化展示了智能化產(chǎn)品設計搭建的過程,設計出了一款針對幼童使用的智能可穿戴體溫監(jiān)測設備。綜合智能可穿戴設備測試結(jié)果得出,設備具有良好的服用性能,能夠滿足幼童活動需求,確保幼童穿戴的舒適性、耐用性和體溫測量的準確性、穩(wěn)定性等。將為兒童健康監(jiān)測領域帶來創(chuàng)新,為幼童的健康保障提供可靠支持。