摘 要：針對全球增溫導致極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)衣服已無法完全滿足人們出行的需求等問題，本文設(shè)計了一種基于NB-IoT通信技術(shù)的智能多傳感衣服，提出了一種將無線通信技術(shù)引入衣物，以實現(xiàn)遠程定位、智能控溫、心率監(jiān)測以及實時通信等功能。該設(shè)計搭載了DS18B20溫度傳感器并引入心率傳感器、語音通信模塊和智能充電3種核心模塊。以石墨烯為主要材料設(shè)計多傳感器衣服。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TN 91" " " " " " 文獻標志碼：A

服飾的功能隨著社會進步和人們生活水平提高變得多樣化，除了遮體保暖等基本功能外，還出現(xiàn)了各種針對不同需求的功能性衣服。目前，市場中的保溫衣服存在溫度控制不智能、發(fā)熱片不易拆洗以及功能單一等缺點，不能適應復雜多變的工作和生活環(huán)境，影響人們的使用體驗。雖然文獻[1]和文獻[2]設(shè)計了多功能智能保溫衣服，但是都沒有考慮網(wǎng)絡(luò)拓展能力和多傳感器的融合，應用還有一定的局限性。為了解決這些問題，本文設(shè)計一種利用NB-IoT通信技術(shù)實現(xiàn)智能多傳感衣服的方案。智能多傳感器衣服是一種具有多種功能的衣服，它不僅可以利用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)自動保溫，還具有遠程定位、心率監(jiān)測和語音通信等功能，使監(jiān)護人可以通過App實時了解家人的位置、身體狀況和語音信息，方便及時溝通和關(guān)懷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該智能多傳感衣服的設(shè)計材質(zhì)選用石墨烯面料，具有柔軟、透氣、安全和可水洗的特點。在帽檐內(nèi)設(shè)置語音通信模塊，可實時進行語音通信交流。衣服靠近心臟的位置搭載心率傳感器，通過心率監(jiān)測模塊可以實時監(jiān)測心率。在衣服左右口袋位置分別設(shè)置溫度傳感器以及控制按鈕，智能溫度調(diào)控模塊可以根據(jù)外界以及人體的溫度，自適應或手動調(diào)整溫度。

這種衣服基于NB-IoT通信，以CC2530模組搭建的無線Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，融合多種傳感器。其中，主要采用收集技術(shù)，底層數(shù)據(jù)檢測采用高性能DS18B20溫度傳感器、光電式心率傳感器 ADPD174 模塊以及語音播放模塊，將采集的數(shù)據(jù)與NB-IoT模塊通信，經(jīng)過算法融合，打包發(fā)送至用戶終端，可實時監(jiān)測傳感器信息，與此同時，用戶也可以通過在終端設(shè)置不同的溫度值和傳輸語音指令等信息傳至CC2530模組，然后加熱模塊根據(jù)用戶設(shè)置的溫度值進行調(diào)節(jié)。其中，溫度控制通過獲取終端提供的天氣情況進行溫度分析，并通過PID算法智能調(diào)節(jié)至人體最適溫度。NB-IoT模塊與用戶終端建立聯(lián)系，并提供用戶的實時位置信息，保障用戶的安全。其分為4層系統(tǒng)架構(gòu)，分別為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務層以及綜合應用層。

1.1 感知識別層

感知識別層的作用為獲取當前位置信息、溫度、心率以及語音內(nèi)容，及時獲取上述信息，并將其發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，接收用戶終端的指令并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層傳達至各傳感器，如圖1所示。麥克風接收語音信號，再通過基于藍牙協(xié)議的語音通信模塊收集語音內(nèi)容?；赯igbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括DS18B20溫度傳感器和ADPD174心率傳感器，溫度傳感器通過電子加熱模塊采集人體溫度信息、心率傳感器采集人的心率信息，再通過NB-IoT通信模塊實現(xiàn)感知識別功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層是智能多傳感器衣服的核心層，它負責傳遞和處理各種信息，類似人體的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦。如圖2所示，該層采用Zigbee和NB-IoT協(xié)議相結(jié)合的方式，保證傳感器之間和云服務器之間的有效通信，同時通過云服務器與用戶端進行間接通信。另外，音頻傳輸模塊通過Bluetooth協(xié)議直接與用戶端進行通信。這樣，感知層獲取的信息就可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層的處理和傳遞，達到下一層。

1.3 管理服務層

管理服務層是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈條的核心環(huán)節(jié)，它在整體設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。如圖3所示，該層根據(jù)用戶端反饋的信息，通過預設(shè)的算法控制傳感器的工作狀態(tài)，同時通過NB-IoT通信模塊與感知層和綜合應用層進行雙向通信，為綜合應用層提供應用開發(fā)能力和統(tǒng)一接口。

1.4 綜合應用層

綜合應用層的設(shè)計主要通過用戶終端實現(xiàn)位置信息獲取、智能溫控和音頻輸出等功能，用戶可以根據(jù)自己的需求對溫度、音量等參數(shù)進行設(shè)定，并實時監(jiān)測和提示自己的心率狀況。此外，后端服務中心還對用戶上傳的數(shù)據(jù)進行分析和整合，并根據(jù)用戶反饋的意見進行優(yōu)化，保證更好的服務質(zhì)量，如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

2.1 NB-IoT遠程定位技術(shù)

衣物采用的NB-IoT技術(shù)作為互聯(lián)網(wǎng)通信的分支，屬于新興的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]。其支持待機時間長，同時還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT具有以下4個特點：1）廣覆蓋。在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力，在信號較弱場景下同樣具備較強的網(wǎng)絡(luò)覆蓋功能。2）具備支撐連接的能力。NB-IoT一個扇區(qū)理論上能夠支持10萬臺設(shè)備連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3）功耗更低。新興的NB-IoT技術(shù)發(fā)展之初就是為吞吐量、成本和能耗都很低的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供支撐。4）模塊成本更低。得益于上述優(yōu)勢，該項目遵循安全穩(wěn)定與低功耗的原則，使用NB-IoT技術(shù)進行遠程定位與通信，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)遠程實時傳入終端。衣物內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議主要為近距離通信效率非常高的紫峰ZigBee技術(shù)。由于其技術(shù)的傳輸范圍為10m～100m，通信距離過短，因此通過與NB-IoT節(jié)點間的接力，形成協(xié)議調(diào)節(jié)器，增加其通信距離。NB-IoT技術(shù)是借助各大運營商的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了廣域的覆蓋和無線的移動。本項目將NB-IoT用于無線傳感網(wǎng)接入應用的通道。不僅如此，由于衣服內(nèi)部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在系統(tǒng)復雜、安全性不夠以及聯(lián)網(wǎng)接入難度較大等問題，因此該項目將傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和面向低功耗、低成本、廣覆蓋和大容量需求的NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合。對NB-IoT-WSN組網(wǎng)方案進行對比，結(jié)合當前的現(xiàn)實條件，提出目前可以推廣應用的可行方案。在該基礎(chǔ)上設(shè)計一種能夠進行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換和處理的雙模網(wǎng)關(guān)，在WSN 網(wǎng)與NB-IoT網(wǎng)之間進行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)融合。

2.2 基于PID的智能控溫算法

衣物的內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)主要采用PID算法，PID算法是常見的過程控制算法，在溫度、壓力以及流量等控制領(lǐng)域[4]被廣泛應用。傳統(tǒng)PID算法如公式（1）所示。

（1）

式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間；Td為微分時間；u（t）為控制器的輸出值；e（t）為系統(tǒng)輸出值和觀測值的誤差。在實際應用中，需要將該連續(xù)公式轉(zhuǎn)化為離散公式，因此需要進行替換，如公式（2）所示。

（2）

式中：Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e（k）為第k個時刻的系統(tǒng)輸出值與觀測值的誤差。

本項目采用單一控制和復合控制相結(jié)合的溫控儀控制算法，該算法需要溫度傳感器檢測人體溫度和環(huán)境溫度，然后通過遺傳PID算法[5]對溫度進行調(diào)節(jié)。遺傳PID算法是一種基于遺傳算法的優(yōu)化方法，它可以有效地避免傳統(tǒng)PID算法由于參數(shù)設(shè)定不合理而導致的局部最優(yōu)或者控制效果不佳的問題。遺傳PID算法具有調(diào)試方便、控制精度高以及抗干擾性強等特點，能夠適應復雜環(huán)境的變化。用戶設(shè)定一個期望的溫度閾值，與溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行比較，然后通過遺傳PID算法計算當前誤差、歷史偏差和最近偏差，并根據(jù)這些偏差對溫度傳感器的溫度進行調(diào)節(jié)，使其逐漸趨于穩(wěn)定，并達到人體舒適的范圍。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓展能力突出

衣物內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓展不僅是指設(shè)備連接到手機等終端，而是連接其他功能組件的能力。單純的智能服裝連接到Internet成為一個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或說大數(shù)據(jù)節(jié)點，但是這并不能說明是完整的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該衣物使用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh Network）是其本質(zhì)和最佳拓撲結(jié)構(gòu)，因為在這種網(wǎng)絡(luò)下，每個設(shè)備節(jié)點可以與其他任一設(shè)備節(jié)點通信，實現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)交換或控制功能，這就給任一節(jié)點帶來了功能的拓展?jié)摿Γ谝欢ǔ潭壬蠝p少用戶端的復雜操作，為后期衣物內(nèi)部軟件的迭代更新提供便利。

3 硬件設(shè)計

通過多傳感器模塊將數(shù)據(jù)上傳至CC2530核心芯片，再通過BC260全網(wǎng)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到用戶終端。用戶可通過設(shè)備顯示屏觀察穿衣者相應的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)位置查找、溫度控制等功能。其中，主要通過NB-IoT技術(shù)進行定位，溫度通過PID算法調(diào)控將人體溫度調(diào)控到最適宜的溫度。

3.1 NB-IoT全網(wǎng)通信模塊

NB-IoT通信模塊是與手機App、各無線傳感器之間交換傳輸數(shù)據(jù)信息的重要通道，NB-IoT通信模塊一般以串口的形式與單片機相連。通信匹配成功后，可以作為全雙工串口使用，支持數(shù)據(jù)位位數(shù)8位、停止位位數(shù)1位的通信格式。用戶端通過與NB-IoT通信模塊建立連接，由通信模塊向無線傳感器發(fā)送消息，NB-IoT通過協(xié)議調(diào)節(jié)器與基于Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立連接，相應傳感器接收消息后做出相應的動作，可以實現(xiàn)智能控溫、遠程實時定位等功能。

3.2 智能溫控模塊

智能控溫模塊采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器對衣服內(nèi)外部的溫度進行感知與數(shù)據(jù)傳送，主板再通過遺傳PID算法將溫度調(diào)節(jié)至人體最適溫度。其具有以下4個方面的優(yōu)勢：1）采用單總線的接口方式，與微處理器連接時只需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。2）不需要任何外圍元件，多個DS18B20并聯(lián)在唯一的單線上，實現(xiàn)多點測溫。由于單總線經(jīng)濟性好、抗干擾能力和惡劣環(huán)境適應能力強，因此測量誤差控制在±0.5℃。3）供電方式靈活，DS18B20通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高。4）掉電保護功能。DS18B20內(nèi)部含有EEPRoM，在系統(tǒng)掉電以后，仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。另外，該智能控溫系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)及溫度控制也可以通過一鍵式按鈕進行調(diào)控。長按按鈕即可開啟/關(guān)閉加熱功能，短按則為調(diào)溫。衣服有3檔默認加熱溫度，高檔約為65℃，中檔約為 55℃，低檔約為45℃。三檔溫度可以通過用戶終端重新設(shè)置，能靈活應對天氣溫度的變化，滿足不同的保暖需求。

3.3 語音通信模塊

智能多傳感衣服的帽子和衣領(lǐng)搭載了語音通信模塊，衣服的帽子設(shè)置了WT2605-24SS 音頻藍牙芯片，WT2605芯片專為音頻藍牙應用而設(shè)計，是一款高品質(zhì)MP3語音編解碼藍牙芯片，包括一個功能強大的DSP（數(shù)字信號處理器）核心，通過UART接口與外部器件進行訪問以及數(shù)據(jù)交互，操作簡單，具有以下3個功能：1）芯片內(nèi)置的模擬接口為用戶提供高品質(zhì)的音頻輸入和輸出，外設(shè)接口豐富，可滿足不同用戶的需求。2）支持標準音頻藍牙功能，具有高信噪比的ADC以及DAC外設(shè)，分辨率高達16bit。3）支持錄音功能，可實現(xiàn)MIC錄音以及AUX錄音，也可實現(xiàn)音頻藍牙錄音。

衣服通過Bluetooth協(xié)議與WT2605-24SS音頻藍牙芯片進行通信，具有藍牙功能的用戶端與其連接后可以播放相應的音頻。也可以通過衣領(lǐng)使用錄音功能，錄音數(shù)據(jù)通過 UART 接口實時輸出，方便用戶對音頻數(shù)據(jù)進行操作，例如上傳到服務器或語音識別等。

3.4 心率監(jiān)測模塊

為檢測使用者的心率，衣服內(nèi)部搭載了心率監(jiān)測模塊。主要采用光電式心率傳感器Si1144-AAGX HRM，其包括4個主要技術(shù)元件進行心率測量：1）光電發(fā)射器。由2個以上的光發(fā)射二極管（LED）構(gòu)成，將光波照進皮膚內(nèi)部。2）光電二極管和模擬前端（AFE），可以捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號用于計算心率數(shù)據(jù)。3）加速計?？蓽y量運動，與光信號結(jié)合運用，作為PPG算法的輸入。4）PPG算法。能夠處理來自AFE和加速計的信號，然后將處理過的信號疊加到PPG波形上，生成持續(xù)的、運動容錯的心率數(shù)據(jù)和其他生物計量數(shù)據(jù)。該模塊的關(guān)鍵特性在于有效降低腕上心率監(jiān)測（HRM）應用成本和復雜度，精確感測腕上微弱血流信號。

3.5 USBPD快速充電

衣物采用100 W快充方式，衣服內(nèi)部設(shè)計Type-C接口，采用PD協(xié)議。USBPD通信將協(xié)議層的消息調(diào)制成24MHz的FSK信號并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號來實現(xiàn)衣服和充電器通信的過程。

在USB PD 通信中是將24MHz的FSK通CAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平上的，為了使24MHz的FSK不對PowerSupply或者USBHost的VBUS 直流電壓產(chǎn)生影響，在回路中同時添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過濾掉FSK信號。根據(jù)公式：功率P=電流I×電壓U，實現(xiàn)快充提高衣服的充電功率，就需要提升充電的電流或者是充電的電壓，或者是兩者同時提升；目前，快充有高壓快充和高電流快充2種方案，本項目采用的是高電壓快充方案，高電流需要對充電線和充電電路進行加強，因此在線材的選擇范圍比高電壓方案差。

3.6 石墨烯面料

考慮到衣服的質(zhì)量問題，本項目的衣服面料采用導熱率很高的石墨烯面料。石墨烯具有極高的載流子遷移率和熱導率，遷移率為傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對于微電子器件來說是非常重要的參數(shù)，如果遷移率過低，將會導致產(chǎn)熱嚴重、響應頻率低等后果。因此，遷移率高、導熱好的石墨烯被認為是一種理想的電子器件材料。石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，其熔點達到3850℃，具有很好的穩(wěn)定性。作為新興材料，石墨烯面料在服裝面料領(lǐng)域還在嘗試階段，其具有很好的延展性以及抗靜電能力，可以安全承載各類傳感器裝置；同時具有抗菌性，肌膚舒適感好，有一定的保護作用。

4 結(jié)語

目前，市面上的智能多傳感器衣服功能單一，主要是溫度控制，而且技術(shù)水平有待提高。本文設(shè)計一種集成了溫度、心率、遠程定位和語音通信等多種功能的智能多傳感器衣服，采用NB-IoT模塊、智能溫控模塊、心率監(jiān)測模塊和語音通信模塊等先進技術(shù)，不僅彌補了現(xiàn)有保溫服的不足，也提供了多種實用功能。此外，這種衣服還配有專門的App，用戶可以通過終端設(shè)備方便地控制各傳感器以及接收各傳感器的數(shù)據(jù)，增強用戶的體驗感，為后續(xù)智能多傳感器衣服的設(shè)計提供參考。

參考文獻

[1]李龑，胡立夫，高銘悅.一種多功能智能控溫服設(shè)計[J].中國科技信息，2021，643（1）：45-46.

[2]楊守華，林桂全，李秋連，等.一種智能保溫衣服的設(shè)計[J].電子世界，2017，519（9）：79-80.

[3]馬斯斯，劉念，金鑫城.基于NB-IoT技術(shù)的智慧井蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及測試分析[J].粘接，2023，50（1）：187-191.

[4]李銀伢.滿意PID控制器設(shè)計理論[D].南京：南京理工大學，2006.

[5]王榮光，曹碩桐，田翔，等.基于改進的遺傳-PID算法的機組軸承油霧排放控制策略[J].應用科技，2019，46（3）：70-75.