胡欣宇++常晉宇++王亞松++王博++王濤

摘 要：文中通過基于無線溫控模塊對智能溫控衣服進(jìn)行研發(fā)，主要利用了無線通信技術(shù)，溫控模塊，傳感器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對衣服的升溫降溫，同時(shí)通過傳感器來監(jiān)測人體與外界的體溫差距以自動(dòng)對衣物溫度進(jìn)行控制，也可以在手機(jī)端手動(dòng)控制溫度高低，同時(shí)還可在手機(jī)上觀看自己一天的運(yùn)動(dòng)量，并顯示健康狀況，如血壓、心率、體溫、呼吸速率等。用戶通過手機(jī)端根據(jù)自身需要可智能控制衣服溫度以使人體感到舒適。此外，由于該智能溫控衣服均使用低功耗、低電壓模塊實(shí)現(xiàn)諸多功能，因此人身安全可得到有效保障?？紤]到人體會(huì)因劇烈運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生汗液，為防止汗液進(jìn)入電路中導(dǎo)致電路老化，故我們采用新型防水絕緣材料。

關(guān)鍵詞：無線通信；傳感器技術(shù)；智能控制；防水絕緣

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

現(xiàn)階段，智能科技幾乎涵蓋了人類生活工作的所有方面，而我們研制的產(chǎn)品符合現(xiàn)階段人們的穿衣需求。目前，冬天人們大都依賴棉、毛等天然物品制成的衣物來保暖，但穿上由這些材料制成的衣物后使我們變得臃腫，行動(dòng)不便，不符合年輕人穿衣單、薄、輕便的風(fēng)格；到了夏天，由于天氣比較炎熱，出汗后衣物貼在身上不舒服?；谶@些原因我們設(shè)計(jì)了一款智能溫控衣服，通過智能傳感器采集信息，由手機(jī)端實(shí)現(xiàn)身體狀況的監(jiān)測并分析信息來控制衣服的溫度，首先解決保暖問題，其次實(shí)現(xiàn)制冷。這款衣服不僅可以滿足普通大眾的需要，還對風(fēng)濕病有一定的緩解作用?，F(xiàn)階段是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)的時(shí)代。而智能溫控衣服實(shí)現(xiàn)了通過云計(jì)算促進(jìn)硬件與軟件互通互融，促進(jìn)新型商業(yè)模式快速革新的目的。目前智能手機(jī)的功能發(fā)展迅速，可直接通過手機(jī)App進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全智能化。

1 智能溫控衣服的工作原理

智能溫控衣服的設(shè)計(jì)主要包括手機(jī)和衣服上溫控電路的無線連接，智能控制技術(shù)和衣服材料的選擇。

1.1 智能溫控原理基于DS18B20傳感器

美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)[1]。所有的傳感器件和轉(zhuǎn)換電路均集成在很小的集成電路中。一線總線可使使用者輕松構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)，為溫控系統(tǒng)的搭建引入新的理念。目前，新一代DS18B20相比其他溫度傳感器而言更加經(jīng)濟(jì)、靈活、精致，方便使用者充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。與DS1820相比，DS18B20同樣兼容單總線連接方式，測溫區(qū)間為-55℃～+125℃，在-10～+85℃區(qū)間內(nèi)，精確度的浮動(dòng)約為±0.5℃[2]。DS1822的測溫精度較低區(qū)間為±2℃。實(shí)際溫度可直接用單總線的數(shù)字形式傳輸，極大地提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，如測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品、設(shè)備或過程控制、環(huán)境控制等。且新的溫度傳感器支持低電壓，使用電壓范圍為3～5.5 V，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加精致，實(shí)用性強(qiáng)。

1.1.1 DS18B20、DS1822的特性

DS18B20的精度為±0.5℃，程序可設(shè)置為9到12位的分辨率，可使用更寬的電壓區(qū)間與更精致的封裝方法。用戶報(bào)警的溫度和分辨率設(shè)置保存在E2PROM中，即使突然斷電也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保存。DS18B20是新一代產(chǎn)品中的佼佼者，性價(jià)比極為出色，DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本，但去掉了保存使用者報(bào)警溫度的功能，且精度下降為±2℃，適用于對資源嚴(yán)格控制，性能不做要求的環(huán)境中。自“一線總線”出現(xiàn)后，DS1820開創(chuàng)了溫度傳感器技術(shù)的新理念[3]。通過DS18B20和DS1822可以建立經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)，原理如圖1所示。

DS18B20的主要特性如下所示：

（1）可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，對應(yīng)的分辨率在9～12位，可實(shí)現(xiàn)高精度測量。

（2）接口方式獨(dú)特，DS18B20僅需一條口線就可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。

（3）DS18B20的所有傳感器件及轉(zhuǎn)換電路均集聚在極小的電路中，且多個(gè)DS18B20可同時(shí)并聯(lián)在單獨(dú)的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。

（4）測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。

（5）電壓適用區(qū)間為3.0～5.5 V，可通過外接電壓提供（充電寶，太陽能電池等）。

（6）測得的數(shù)據(jù)輸出為數(shù)字溫度信號(hào)，可傳送CRC校驗(yàn)碼，也可通過“一線總線”串行的方式將其傳送到CPU，擁有很強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

（7）負(fù)壓特性：當(dāng)電源的正負(fù)反接時(shí)，芯片不會(huì)被燒壞。

1.1.2 硬件原理

圖2中低溫系數(shù)晶振的振率對溫度的影響非常小，生成的固定頻率直接傳送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度的改變變化很大，因此新信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。溫度寄存器和計(jì)數(shù)器1被暫時(shí)存放在-55℃對應(yīng)的基數(shù)值上。計(jì)數(shù)器1對低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)做減1計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減為0時(shí)，溫度寄存器的值加1，此時(shí)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將會(huì)重新被裝入，計(jì)數(shù)器1再次對低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，循環(huán)往復(fù)，直到計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值為0，則終止對溫度寄存器值的疊加，此刻溫度寄存器中的數(shù)值就是目前的溫度。

溫控原理如圖2所示[4]。

1.1.3 測溫流程

智能溫控App的初始溫度為15℃。主界面設(shè)有溫度降、升按鈕，還設(shè)有加熱電路關(guān)閉和啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠通過手動(dòng)方式來調(diào)節(jié)溫度。此外，該App中還設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)智能溫控衣服內(nèi)的溫度高于39℃時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警并切斷加熱電路；當(dāng)智能溫控衣服內(nèi)溫度低于11℃時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警并開啟加熱電路；當(dāng)DS18B20出現(xiàn)故障時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并關(guān)閉電路。經(jīng)過反復(fù)測試，最終發(fā)現(xiàn)在選擇12 V供電電源時(shí)可達(dá)與人體相近的溫度，有力保障了人身安全。打開手機(jī)主界面自動(dòng)溫控系統(tǒng)，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，設(shè)置密碼，防止其他手機(jī)接入，手機(jī)端的溫度在設(shè)置框內(nèi)只能輸入11～39之間的數(shù)字。當(dāng)溫度高于39℃時(shí)，手機(jī)界面顯示“溫度過高”斷開加熱電路；當(dāng)溫度低于11℃時(shí)，手機(jī)界面顯示“溫度過低”打開加熱電路[5]。測溫流程如圖3所示。endprint

1.2 無線技術(shù)的原理

智能溫控衣服主要使用C8051F310單片機(jī)最小系統(tǒng)和CC1101無線通信模塊。通常最簡單的無線控制系統(tǒng)由單片射頻收發(fā)芯片、微控制器及顯示設(shè)備和少量外圍等構(gòu)成。

該溫控衣服由外接電路、接收模塊、處理單元、發(fā)射模塊等構(gòu)成。當(dāng)發(fā)射模塊發(fā)出信號(hào)時(shí)，接收模塊會(huì)做出回應(yīng)，如LED燈。

（1）發(fā)射和接收裝置。無線收發(fā)單元使用CC1101芯片。C8051F310單片機(jī)和CC1101采用串行外設(shè)接口連接，該芯片功耗低、體積小，數(shù)據(jù)速率在6、35、56、100 MHz波段工作，支持-30～10 dBm輸出功率，同時(shí)，還可以控制在1.2～500Kb/s范圍內(nèi)編程。文中CC1101工作在6 MHz的頻率上，采用偏移調(diào)變調(diào)制方式，信道間隔為200 kHz，數(shù)據(jù)速率為100 Kb/s。

（2）處理單元。選擇兼容性較好，性能穩(wěn)定的C8051F310單片機(jī)作為處理單元，該單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓范圍為2.7～3.6V。

C8051F310單片機(jī)使用射頻片上系統(tǒng)實(shí)施無線通訊技術(shù)，是開發(fā)低功耗、低成本無線通訊應(yīng)用系統(tǒng)的理想方案。射頻片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)特，使微處理器與高頻線路與無線芯片之間可默契合作，將數(shù)字電路對高頻通訊的影響降到最??；C8051F310單片機(jī)從無線芯片到天線之間只有簡單的濾波電路，無需對高頻電路另行設(shè)計(jì)，由于其將高頻部分電路全部集成到了電路內(nèi)部，同時(shí)C8051F310是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，因此具有價(jià)格低廉、體積小巧、控制靈活、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，配置一個(gè)簡單的電路即可設(shè)計(jì)完成整個(gè)電路系統(tǒng)。

2 本產(chǎn)品具有的功能

2.1 智能控制溫度功能

通過傳感器感應(yīng)內(nèi)部和外部的變化來進(jìn)行控制，如光、熱、電磁、震動(dòng)、應(yīng)力等的強(qiáng)度和變化[6]。智能衣服的功能框圖如圖4所示。

通過對自身、紡織品及電子器件的接口進(jìn)行分析，通過溫濕度自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、均壓性技術(shù)及其他技術(shù)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)、衣服與人的交互，使智能溫控衣服變成人們的穿衣必備品。通過使用低電壓小型接口來產(chǎn)生熱量以滿足人體生理所需，顧客可以通過手機(jī)自己調(diào)控衣服和身體之間的溫度變化來達(dá)到最舒適的效果。這套智能溫控衣服加熱技術(shù)的主要成份是很細(xì)的導(dǎo)電纖維，穿插在襯里與表層之間，每根導(dǎo)電纖維的粗細(xì)可與毛發(fā)匹及，這些加熱組件具有彈性和防水性。感應(yīng)器安裝在對人體、氣溫敏感的地方，可以迅速感應(yīng)人體和外界溫度，通過編寫Java代碼設(shè)定適合人體的最佳溫度。當(dāng)后臺(tái)設(shè)定與外界變化的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，可自動(dòng)對衣服升降溫，也可通過手機(jī)App手動(dòng)操作，如圖5所示。

2.2 測量生命體征的功能

通過選擇合適的面料以及其他防水材料來實(shí)現(xiàn)防汗液、耐洗、無線網(wǎng)絡(luò)體能分析與抗壓功能。在手機(jī)端顯示各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生命體征的測量，它能檢測、追蹤使用者的身體狀況，智能顯示用戶最近的健康狀況，并通過大數(shù)據(jù)對比來分析個(gè)人的情況，為每個(gè)用戶制定一套專屬的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，由傳感器智能檢測并顯示血壓、心電、血氧、脈搏等其他各項(xiàng)生理指標(biāo)。

2.3 體驗(yàn)音頻的輸出功能

隨著科技的發(fā)展，芯片進(jìn)入衣服已成為一種趨勢，這些微芯片首先被植入衣服中，不但使用方便，還不會(huì)影響穿著的舒適性。

音頻模塊由多媒體卡模塊與可拆卸電池、語音處理芯片和微處理器、話筒和耳機(jī)以及柔韌的傳感器鍵盤等組成。音頻芯片可直接連接到話筒、耳機(jī)、顯示器、存儲(chǔ)器、傳感器、鍵盤和驅(qū)動(dòng)器[7]。

3 材料的選擇

3.1 防水透氣絕緣材料

衣服是生活中與人體最貼近的一種必須物品，因此有很多服裝設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)滿足人們防寒保溫、審美需求的衣物。而智能溫控衣服是在這兩個(gè)基本的功能需求上增加了智能溫控的功能。要實(shí)現(xiàn)這些需求，首先要有較好、合適的布料。

經(jīng)研究，實(shí)驗(yàn)打算選用一種防水、透氣、防電的高性能布料。這種布料在基本布料柔軟、舒服的基礎(chǔ)上增加了防水、防潮、透氣性好、防滲透的功能。

3.2 使用太陽能電池

現(xiàn)階段智能穿戴最大的問題就是供電，太陽能電池的使用可以有效解決該問題。德國斯圖加特大學(xué)和霍恩斯坦因研究所共同研制出了一個(gè)肩部太陽能電池，小巧、柔軟，可為智能溫控衣服提供充足的電源?，F(xiàn)階段太陽能電池主要的爭議在電池的耐久度與衣服之間的銜接性及是否舒適等問題，這些問題如果得到解決，那么就可以廣泛使用在服裝上[8]。

3.3 微型元器件的使用

現(xiàn)如今，隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越趨向于輕便可攜帶的產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)的鼻祖是一臺(tái)巨型的，約兩噸重的大機(jī)器，而現(xiàn)在，可攜帶的筆記本已成為主流，更小型的電腦即智能手機(jī)重不到半斤。目前研究人員正在尋求使電子產(chǎn)品與衣服相結(jié)合的方式，通過這種方式可以安裝開關(guān)及傳感器，并將其集成在衣服中，不影響用戶的穿著舒適度[9]。由于每一件衣服都需要具有良好的耐用性、柔軟性及便于清洗等特點(diǎn)，而電子產(chǎn)品必須做成適應(yīng)于衣服的舒適度，因此需要開發(fā)軟鍵盤、柔性開關(guān)、軟化接口和軟觸界面柔性開關(guān)等。

3.4 傳感器的選擇

DS18B20是常見的溫度傳感器，具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且外接電壓較小（3～5 V），安全系數(shù)比較高，對人體穿衣的舒適度影響較小，適合穿戴。硬件開銷小，成本低，能為普通大眾接受。綜上，DS18B20是最適合的溫度傳感器。

3.5 加熱材料的選擇

本產(chǎn)品主要運(yùn)用碳纖維加熱絲。碳纖維作為發(fā)熱體具有耐氧化、升溫快、耐高溫、電熱轉(zhuǎn)化效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了碳化硅、金屬絲等電熱材料強(qiáng)度低，使用壽命短、易氧化的問題，成為上述電熱材料的替代品。智能溫控衣服實(shí)物如圖6所示。

4 結(jié) 語

通過上面的陳述，我們研制的智能溫控衣服在技術(shù)、材料、功能等方面都是可行的，該款衣物可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度或手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，滿足人體的不同需求，同時(shí)還可以測試其他數(shù)據(jù)，如濕度、光照、震動(dòng)等，感知現(xiàn)階段衣服的濕度，并測得現(xiàn)階段是在行走還是在跑步狀態(tài)。還可以通過光照感知天氣的好壞，全方面對身體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此具有很好的發(fā)展空間，未來或許會(huì)成為人們穿衣的一種潮流，可滿足各類群體，如南極考察者、登山愛好者、運(yùn)動(dòng)員及有風(fēng)濕病的老年人與喜歡單薄輕便衣物的年輕人等。

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