梁盈春,戴 鴻,梁皓春

(1.陜西服裝工程學(xué)院 服裝學(xué)院,陜西 西安 712046; 2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 陜西 西安 710048;3.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

體溫監(jiān)測(cè)器是反映人體健康指標(biāo)必不可少的設(shè)備。兒童作為特殊人群,自身抵抗力較差,在發(fā)病過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)高燒驚厥的情況,危及生命,更加需要及時(shí)監(jiān)測(cè)體溫。

隨著健康測(cè)溫產(chǎn)品的革新?lián)Q代,各種電子測(cè)溫設(shè)備不斷涌現(xiàn)于消費(fèi)市場(chǎng),如常見(jiàn)的紅外電子傳感測(cè)溫器,主用于額溫瞬時(shí)測(cè)量,但其易受環(huán)境影響導(dǎo)致測(cè)溫精準(zhǔn)性不高[1]。此外還有廣泛使用的熱敏電阻測(cè)溫器,可通過(guò)藍(lán)牙、Wifi等通信模塊進(jìn)行測(cè)量顯示,多應(yīng)用于幼童測(cè)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(shè)計(jì),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(cè),也容易出現(xiàn)幼童因好奇誤食測(cè)溫器的問(wèn)題[2-3]。

為更有針對(duì)性地解決目前幼童市場(chǎng)測(cè)溫設(shè)備穿戴問(wèn)題。研究針對(duì)智能溫度監(jiān)測(cè)穿戴設(shè)備構(gòu)建體系進(jìn)行創(chuàng)新探索,以服裝人體工程學(xué)、人體生理學(xué)、服裝結(jié)構(gòu)工藝學(xué)、服裝衛(wèi)生學(xué)、電磁通信學(xué)等知識(shí)作為指導(dǎo),融合服裝智能領(lǐng)域新興的柔性織物導(dǎo)電技術(shù)與NFC無(wú)線射頻傳感技術(shù),通過(guò)文獻(xiàn)綜述法、實(shí)驗(yàn)法、數(shù)據(jù)分析法、三維建模等方法進(jìn)行幼童可穿戴式智能體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì),以期為幼童體溫監(jiān)測(cè)產(chǎn)品及技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新的突破,實(shí)現(xiàn)智能服裝的柔性穿戴,快速精準(zhǔn)讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),微縮體積及高效測(cè)控信息,為幼童的健康成長(zhǎng)保駕護(hù)航。

1 幼童溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的確定

幼童一般指1～3歲年齡區(qū)段的兒童,國(guó)家兒童身高標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)要求,為更加科學(xué)地選擇溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,反映兒童冷熱舒適性,參考《人體生理學(xué)》[4],結(jié)合真人實(shí)驗(yàn)判定最佳監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。并以“顯性出汗”這一生理特征確定臨界出汗時(shí)的溫度范圍,來(lái)設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控參數(shù)區(qū)間。

1.1 12個(gè)溫度區(qū)位劃分

參考人體部位溫度的初級(jí)劃分,將幼童溫度大致劃分為12個(gè)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(cè)量區(qū)位劃分如圖1所示。

圖1 幼童人體溫度測(cè)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(cè)點(diǎn)位篩選

為達(dá)到智能可穿戴設(shè)備上監(jiān)測(cè)設(shè)備的微縮性設(shè)計(jì),通過(guò)《人體生理學(xué)》得到12個(gè)區(qū)位的出汗量相對(duì)值及出汗臨界溫度。對(duì)12個(gè)溫度區(qū)位進(jìn)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(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)區(qū)位[5]。選擇出汗量相對(duì)值超過(guò)10%、出汗臨界溫度相對(duì)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(gè)區(qū)位,并對(duì)其熱敏度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位確定

整理分析人體5個(gè)區(qū)位出汗量相對(duì)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(guò)設(shè)計(jì)真人氣候調(diào)解室模擬運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),收集數(shù)據(jù)整理,擬定出汗量相對(duì)值較大、顯性出汗臨界溫度較為折中的腋下為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)位[6]。

2 智能可穿戴設(shè)備的構(gòu)建

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

2.1 面輔料的設(shè)計(jì)與選擇

智能可穿戴設(shè)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(jìn)行拼接設(shè)計(jì),后背、前腋采用異料拼接設(shè)計(jì),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(shè)備的服裝衣身設(shè)計(jì);圖3(b)為蝶網(wǎng)鏤空面料,用于拼接部位設(shè)計(jì);圖3(c)為輔料錦綸粘扣,用于開合設(shè)計(jì)。

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(qiáng)的蝶網(wǎng)面料,面密度較小。表1為智能可穿戴設(shè)備所用的面料參數(shù)。

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

2.2 舒適性與功能性設(shè)計(jì)

智能可穿戴設(shè)備的舒適性和功能性設(shè)計(jì)[7-8]如圖4所示。

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

穿戴設(shè)備整體結(jié)構(gòu)采取“8+1”字型背帶設(shè)計(jì),同時(shí)進(jìn)行適宜的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)。整體利用纏繞式結(jié)構(gòu),“X”型設(shè)計(jì)分散了背部和腰部方向的壓力,讓整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行開合設(shè)計(jì),可調(diào)節(jié),方便穿脫。

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

在智能可穿戴設(shè)備的左側(cè)腋下部位中植入智能NFC溫度監(jiān)測(cè)芯片(深圳中領(lǐng)物聯(lián)智能科技公司)。芯片外部采用親膚的乳膠貼片設(shè)計(jì);內(nèi)部利用銀導(dǎo)電織物,柔性布線;配備貼體金屬測(cè)溫探頭,熱塑壓合在穿戴設(shè)備的預(yù)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(cè)幼童體表溫度的功能。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考GB/T 1335.3—2009《服裝號(hào)型 兒童》將1～3歲幼童的服裝號(hào)型按幼童的年齡、身高、體型劃分為S～XL 4類號(hào)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(xì)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(zhǎng)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(shè)備的號(hào)型設(shè)計(jì),結(jié)合幼童生理發(fā)展特征進(jìn)行了不規(guī)律的結(jié)構(gòu)檔差設(shè)計(jì),如表2所示。

表2 智能可穿戴設(shè)備的號(hào)型設(shè)計(jì)Tab.2 Smart wearable device size design

智能可穿戴設(shè)備結(jié)構(gòu)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(yīng)用服裝CAD軟件繪制服裝結(jié)構(gòu)圖,圖中F指智能可穿戴設(shè)備的正面、BL指左背部、BR指右背部。圖中肩帶長(zhǎng)50 cm,寬4 cm、胸帶長(zhǎng)49 cm,寬7 cm、凈胸圍47 cm、成衣胸圍49 cm。

圖5 智能可穿戴設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Smart wearable device structure diagram

2.4 智能可穿戴設(shè)備的服用性能測(cè)試

對(duì)智能可穿戴設(shè)備的服用性能進(jìn)行測(cè)試,主要包括起毛起球性、強(qiáng)力、透氣性、體感壓力,以確保穿戴設(shè)備的耐用性、易活動(dòng)性、透氣性和壓力舒適性。

2.4.1 起毛起球性測(cè)試

利用YG502型織物起毛起球儀(溫州際高檢測(cè)儀器有限公司)對(duì)智能可穿戴設(shè)備(穿戴主體所選用的彈力棉面料)進(jìn)行耐磨性測(cè)試。參照GB/T 21196.1—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)定 第1部分:馬丁代爾耐磨實(shí)驗(yàn)儀》判定磨損程度。織物起毛起球性測(cè)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(wú)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(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備在服用過(guò)程中主要以服裝穿戴為主要摩擦方式,故穿戴設(shè)備的面料設(shè)計(jì)基本能夠滿足日?；顒?dòng)的磨損需求。

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

2.4.2 強(qiáng)力測(cè)試

對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)力和彈性測(cè)試,以判斷其能否滿足幼童活動(dòng)過(guò)程中的舒適性需求。利用YG026PC型電子織物強(qiáng)力機(jī)(江西貝諾儀器有限公司)對(duì)智能可穿戴設(shè)備的同料、異料拼接部位進(jìn)行強(qiáng)力測(cè)試,保證測(cè)試長(zhǎng)度和行車位置盡量相同,設(shè)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(yù)加張力設(shè)定為0.5 N。強(qiáng)力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 強(qiáng)力測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Data of strength test

智能可穿戴設(shè)備采用的彈力棉部分,緯向的彈性較大,伸長(zhǎng)率較長(zhǎng),回彈性較好,斷裂強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)力大于經(jīng)向,屬于中度強(qiáng)力;智能可穿戴設(shè)備的蝶網(wǎng)部位,經(jīng)向的彈性較大,伸長(zhǎng)率較緯向略長(zhǎng),斷裂強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)力略大于緯向,屬于中低度強(qiáng)力?？p合部位斷裂強(qiáng)力及強(qiáng)度較弱,伸長(zhǎng)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(qiáng)力的測(cè)定(抓樣法)》,可知3個(gè)測(cè)試部位的強(qiáng)力測(cè)試數(shù)據(jù)總體符合服裝設(shè)計(jì)要求。

2.4.3 透氣性測(cè)試

利用YG461E型數(shù)字式織物透氣量?jī)x(南通三思機(jī)電科技有限公司)對(duì)智能可穿戴設(shè)備的服裝彈力棉面料區(qū)進(jìn)行透氣性測(cè)試。選擇與面料相配伍的4號(hào)噴嘴,安裝在氣流量筒內(nèi),預(yù)設(shè)參數(shù)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試樣面積選定為3、4、5 cm2,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,透氣量試樣流量測(cè)試高于2 700 L/h時(shí)停止運(yùn)行儀器,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)多次,平均透氣性測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,結(jié)果顯示透氣性較好。

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

2.4.4 壓力測(cè)試

利用style3D建模軟件構(gòu)建智能可穿戴設(shè)備進(jìn)行仿真穿著,通過(guò)著裝壓力感線得出穿戴設(shè)備時(shí)身體各部位的壓力分布,完成智能可穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)松量矯形。具體為:通過(guò)style3D建模軟件對(duì)不同部位進(jìn)行不同放松量(+0、+0.5、+1、+2 cm)的仿真壓力測(cè)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(lán)色代表無(wú)壓感)判定智能穿戴設(shè)備是否達(dá)到人體著裝舒適的壓力范圍,確定智能可穿戴設(shè)備放松量設(shè)計(jì)的合理性[10]。3D仿真壓力測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示,對(duì)應(yīng)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(duì)3次不同放松量的3D仿真壓力測(cè)試結(jié)果分析得出,測(cè)試1:肩部、胸部放松變量為0 cm時(shí),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(cè)試2:肩部放松變量為0.5 cm、胸部放松量為1 cm時(shí),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(jìn)一步調(diào)整放松量參數(shù)。測(cè)試3:肩部放松變量為1 cm、胸部放松量為2 cm時(shí),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(wú)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(cè)試儀(日本圖技株式會(huì)社)進(jìn)行智能可穿戴設(shè)備的著裝壓力測(cè)試。利用70 cm高(約2歲)的幼童軟體假人模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖8(a)所示。對(duì)附著穿戴服裝的體表部位,進(jìn)行仿真呼吸沖壓模擬實(shí)驗(yàn)。對(duì)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(gè)部位進(jìn)行可沖壓式貼片測(cè)控。最終得出:當(dāng)肩部放松量為1 cm、胸部放松量為2 cm時(shí),各區(qū)位實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)值平和低緩,無(wú)明顯壓感,設(shè)計(jì)符合壓力穿著需求,且能夠最大程度的貼體,減少體溫測(cè)量誤差。具體實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)如圖8(b)所示。

2.5 智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)成

2.5.1 智能可穿戴設(shè)備的3D設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)智能可穿戴設(shè)備服裝部分的初步構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作及實(shí)驗(yàn),最終確定服裝部分的構(gòu)成,并通過(guò)Style3D軟件進(jìn)行了虛擬試穿,如圖9所示。

圖9 智能可穿戴設(shè)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(shè)備的外觀設(shè)計(jì)

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

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

3 智能可穿戴設(shè)備溫測(cè)系統(tǒng)

智能可穿戴設(shè)備的溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)溫芯片的硬件設(shè)計(jì)部分及管理溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖糠謽?gòu)成[11]。本文將針對(duì)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成的重點(diǎn)內(nèi)容,包括硬件總體架構(gòu)、應(yīng)用到的NFC技術(shù)、導(dǎo)電銀織物的應(yīng)用、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 NFC技術(shù)

NFC(Near Field Communication,NFC)是一種短距離無(wú)線射頻通訊技術(shù)。它可以將各類協(xié)議標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸至具有NFC功能的移動(dòng)終端及智能設(shè)備上,通過(guò)智能設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)處理功能,在不需要傳統(tǒng)單片機(jī)讀取計(jì)算耗時(shí)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(zhǔn)、造價(jià)低等的優(yōu)勢(shì),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(lái)常被用于服裝智能裝備的設(shè)計(jì)中。本文設(shè)計(jì)的智能可穿戴設(shè)備同樣利用NFC技術(shù)進(jìn)行人體溫度信息的采集及傳輸。

3.2 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

溫度監(jiān)測(cè)芯片的硬件設(shè)計(jì)主要由三大部分組成,即溫度傳感器元件、NFC電子標(biāo)簽協(xié)議卡、TISSU導(dǎo)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(cè)的熱敏電阻元件,用來(lái)獲取幼童體溫,其次選用NFC-NTAG 216標(biāo)簽智能卡(深圳中領(lǐng)物聯(lián)科技公司)與手機(jī)NFC線圈的無(wú)線射頻發(fā)送溫度測(cè)量命令,進(jìn)行信息交換及數(shù)據(jù)處理,完成整個(gè)溫度測(cè)控過(guò)程的系統(tǒng)設(shè)計(jì),最后選用TISSU導(dǎo)電銀織物膠布(河南鳳之凰實(shí)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(guò)良好的導(dǎo)電、儲(chǔ)電性,加大NFC芯片內(nèi)部電容量,實(shí)現(xiàn)溫度持續(xù)監(jiān)測(cè)。硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖11所示。

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

3.2.1 NFC無(wú)線無(wú)源電路設(shè)計(jì)

測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路圖如圖12所示。通過(guò)A端的溫度探測(cè)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(biāo)簽智能貼片集成組件,保證中控的小體積、高溫度傳導(dǎo)性[13]。NFC芯片提供SPI接口,通過(guò)標(biāo)簽協(xié)議讀取溫度探測(cè)器數(shù)據(jù),利用I2C總線進(jìn)行通信。B端外圍設(shè)計(jì)大量無(wú)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(gè)功能,當(dāng)測(cè)溫芯片與手機(jī)NFC內(nèi)置靠近時(shí),會(huì)產(chǎn)生中距讀取器場(chǎng),天線輸出溫測(cè)數(shù)據(jù)以供移動(dòng)手機(jī)讀取。同時(shí),天線輸入端將吸收手機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的瞬時(shí)無(wú)線射頻放電。將天線線圈VCC與VOUT端口相連,通過(guò)電磁感應(yīng),把大量電磁存儲(chǔ)并環(huán)繞在排線內(nèi),實(shí)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(wú)源供電設(shè)計(jì)

NFC作為一種低功耗的通信技術(shù),每次測(cè)量數(shù)據(jù)讀取協(xié)議標(biāo)簽信息時(shí),只需要150 μA的電流,即可完成數(shù)據(jù)采集,持續(xù)待機(jī)也僅需20 μA的電流。無(wú)源供電設(shè)計(jì)利用支持NFC功能的手機(jī)靠近天線線圈,形成磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生電源,以供DS18B20測(cè)溫器繼電。設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)備的持續(xù)供電。手機(jī)一次采溫的瞬時(shí)放電,設(shè)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(wèn)題。NFC無(wú)源供電原理圖如圖13所示。

圖13 NFC無(wú)源供電原理圖Fig.13 NFC schematic diagram of passive power supply

3.3 芯片設(shè)計(jì)

3.3.1 造型及規(guī)格設(shè)計(jì)

測(cè)溫芯片主體設(shè)計(jì)為“骨棒”型。為減少采溫電磁干擾,將溫度傳感帽頭設(shè)計(jì)在A端進(jìn)行溫度采集。溫度處理、傳感射頻設(shè)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(yīng)夾層、導(dǎo)電銀織物膠布夾層。測(cè)溫芯片分解如圖14所示。

圖14 測(cè)溫芯片分解圖Fig.14 Temperature core breakdown diagram

測(cè)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(cè)控范圍25～45 ℃,溫度測(cè)量精度±0.1 ℃(25～45 ℃)/±0.2 ℃(25～29 ℃)。測(cè)溫芯片嵌套在智能可穿戴設(shè)備中,需遵循NFC安卓手機(jī)服務(wù)協(xié)議,配備安卓系統(tǒng)5.0以上的移動(dòng)設(shè)備使用。

3.3.2 芯片柔性設(shè)計(jì)

測(cè)溫芯片具有柔性設(shè)計(jì)特點(diǎn),整體利用聚脂薄膜(PET)為線路底板,通過(guò)超聲波進(jìn)行植線。加裝測(cè)溫組件時(shí),可自動(dòng)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(shè)計(jì)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(cè)溫芯片整體更加輕薄柔韌,提升探頭測(cè)溫的精準(zhǔn)度及穿戴舒適度。芯片柔性設(shè)計(jì)如圖15所示。

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

圖16 芯片實(shí)物圖Fig.16 Chip design

3.4 導(dǎo)電銀織物在芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

銀織物是近年來(lái)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(dǎo)電性能及可穿戴性能[14]。在本文設(shè)計(jì)中,導(dǎo)電銀織物膠片的應(yīng)用主要起到3個(gè)作用:①利用銀織物優(yōu)良的導(dǎo)電性能,當(dāng)移動(dòng)終端靠近NFC天線發(fā)生電磁反應(yīng),釋放電能后,銀織物可以充當(dāng)天線線圈儲(chǔ)電板,幫助柔性印刷電路板儲(chǔ)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(guò)程中靜電對(duì)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(guò)黏膠貼合方式可以對(duì)柔性印刷電路板進(jìn)行保護(hù)。芯片實(shí)物圖如16所示。

3.5 軟件測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5.1 數(shù)據(jù)傳輸途徑

總體數(shù)據(jù)傳輸途徑為:測(cè)量的電磁數(shù)據(jù)通過(guò)NFC線圈,向支持NFC協(xié)議的移動(dòng)設(shè)備發(fā)送電磁數(shù)據(jù),并通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備讀寫體溫信息、記錄體溫?cái)?shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)讀取方法為:從NFC標(biāo)簽導(dǎo)出智能可穿戴設(shè)備測(cè)量的NDEF格式的溫度數(shù)據(jù),在編寫程序的過(guò)程中先設(shè)定Android使用的協(xié)議版本和安裝的信息,定義可接收標(biāo)簽組件項(xiàng)目,配置安卓系統(tǒng)的Launch Mode啟動(dòng)模式。當(dāng)利用射頻獲得移動(dòng)終端自行運(yùn)行的許可后,判斷NFC標(biāo)簽數(shù)據(jù)類型為讀卡器模式,讀取相關(guān)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(dòng)終端設(shè)備

利用Eclipse軟件開發(fā)工具,調(diào)取NDEF協(xié)議監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù),并進(jìn)行APP軟件界面設(shè)計(jì)。最終打包成APK文件,方便使用者安裝軟件。手機(jī)程序界面分為溫度測(cè)量界面及溫度監(jiān)測(cè)界面,用戶可通過(guò)注冊(cè)登錄,保存以往記錄數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),繪制體溫曲線圖。軟件手機(jī)界面如圖17所示。

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

3.6 智能可穿戴設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試

智能可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)測(cè)試主要包括溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件總體KPI測(cè)試、性能測(cè)試、通信效率、權(quán)限、兼容性、穩(wěn)定性、電磁抗擾度、熱傳導(dǎo)性能等方面的測(cè)試。本文將重點(diǎn)對(duì)電磁干擾測(cè)試及熱傳導(dǎo)性能測(cè)試進(jìn)行分析。

3.6.1 電磁干擾測(cè)試

為保障采溫的精準(zhǔn)性,重點(diǎn)測(cè)試電磁對(duì)智能可穿戴設(shè)備采溫的抗干擾度,電磁干擾度測(cè)試結(jié)果如表6所示。參照GB/T 17626.2—2018《電磁兼容 實(shí)驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度實(shí)驗(yàn)》可知,在靜電放電測(cè)試中,實(shí)驗(yàn)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(cè)試均不適用,故排除設(shè)備在使用過(guò)程中,除靜電電磁干擾的其他情況。

表6 電磁干擾度測(cè)試Tab.6 Electromagnetic interference test

3.6.2 熱傳導(dǎo)性能測(cè)試

為保障柔性芯片夾層及外層設(shè)計(jì)不影響溫度采集的熱傳導(dǎo)性,利用Ansys Workbench 19.0軟件對(duì)模擬芯片采溫,進(jìn)行傳熱仿真模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)導(dǎo)入芯片上所用的所有材料屬性,細(xì)化模型網(wǎng)格,進(jìn)行控制單元?jiǎng)澐?構(gòu)建仿真?zhèn)鞲衅髂Ｐ?。具體導(dǎo)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(shè)置為37 ℃,加設(shè)對(duì)流載荷及系數(shù),設(shè)定對(duì)流系數(shù)為25 W/(m2·℃),監(jiān)測(cè)傳導(dǎo)時(shí)長(zhǎng)為10 s,溫度測(cè)定邊界為35～37 ℃,設(shè)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(jìn)行溫度場(chǎng)分析。模擬測(cè)試芯片分為不帶乳膠貼殼及導(dǎo)電銀織物、芯片僅帶導(dǎo)電銀織物、芯片同時(shí)裝帶乳膠貼殼及導(dǎo)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(shè)計(jì)對(duì)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(guò)溫度場(chǎng)熱成像圖可得,在統(tǒng)一參數(shù)設(shè)定,改變芯片貼層的情況下,柔性溫度傳感器均可以實(shí)現(xiàn)人體表面溫度的測(cè)量。測(cè)溫探頭帽部分、熱敏傳導(dǎo)纖維及溫度傳感器,均可以快速傳導(dǎo)設(shè)定的溫度,達(dá)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(duì)芯片升溫影響較小,傳熱功能滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以兒童體溫測(cè)量的重要性為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合市場(chǎng)兒童溫測(cè)設(shè)備存在的問(wèn)題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、3D建模、仿真測(cè)試等多種方法的綜合運(yùn)用,從溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的確定,到智能可穿戴設(shè)備的選料、設(shè)計(jì)、測(cè)試及制作,再到測(cè)溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試,一體化展示了智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)搭建的過(guò)程,設(shè)計(jì)出了一款針對(duì)幼童使用的智能可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備。綜合智能可穿戴設(shè)備測(cè)試結(jié)果得出,設(shè)備具有良好的服用性能,能夠滿足幼童活動(dòng)需求,確保幼童穿戴的舒適性、耐用性和體溫測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等。將為兒童健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新,為幼童的健康保障提供可靠支持。