定位元件在兒童服裝設計中的近場定位性能

吳 艷，洪文進，沈 雷，唐 穎

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122;2.浙江橫店影視職業學院表演藝術學院，浙江 東陽 322118)

近年來智能定位服裝中傳統的定位元件逐漸被低功耗藍牙傳感定位元件取代，尤其在近場定位環境中，藍牙傳感定位元件不僅定位準確，還具有與服裝結合的靈活性以及可水洗的特點，因此滿足穿戴的舒適安全性。

iBeacon定位元件是指以低功耗藍牙傳感技術為核心［1－3］，實現近場定位信號與設備間的傳輸，以此獲取準確定位信息的微型定位芯片［4］。目前用于近場定位的元件有NFC(near field communication)芯片［5］、wifi 輔助下的高性能 GPS(global positioning system)定位器［6］，元件嵌入并固定在以針織設計為主的服裝局部部位。Rantanen J［7］通過GPS與電子指南針結合的方式將其嵌入雪地救援智能服裝，解決走失和救援的問題;壽弘毅［8］用GPS定位元件固定在以雙層封袋的PU覆膜內，構建了一個定位容器模型(防水透氣指數:耐水壓大于等于49000Pa;透濕指數大于等于5000g/(m2·24 h)。

本文在前人研究的基礎上，確定以iBeacon定位元件為主要定位器，并分析在有障礙和無障礙環境下定位信號的靈敏度以及在不同彈性針織面料中的融合度、舒適壓、擬合度，為兒童近場定位安全服裝設計提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

iBeacon內置信號元件(北京四月兄弟科技有限公司)，可低功耗藍牙識別定位，數字接收信號強度指數(RSSI)較好，有定位軟件跟蹤，圖標顯示超出監測距離30 m，定位元件與軟件中心自動報警提示;2+2羅紋滌/棉(65/35)針織面料(紹興萬鼎紡織品有限公司)。

1.2 實驗儀器

UTP2102CEL數字信號存儲示波器，東莞優利德科技有限公司;Agilent 34401A數字萬用表，深圳市明泰儀器儀表有限公司;iPad mini，美國蘋果集團。

1.3 實驗環境

在溫度為26℃，相對濕度為63% ～67%環境下進行實驗。

1.4 試樣制備

Blesticker型號的iBeacon定位元件主要用于定位信號靈敏度的評估，以內置的低功耗藍牙天線傳遞信號，用不同環境下的距離與RSSI值域的關系表示，因此本文選用在有障礙和無障礙環境下進行測試。以不同彈性的滌/棉針織面料作為兒童服裝用料，試樣為緯向20 cm、經向8 cm的矩形織片，均為普通滌棉紗線，彈性不同，主要分為弱彈、低彈、中彈和高彈，每種彈性的針織面料試樣1塊，共4塊。織物結構參數如表1所示。

表1 織物結構參數Tab.1 Structure parameter of knitted fabric

1.5 定位信號靈敏度與面料舒適性指標

低功耗藍牙(4.0)信號傳輸速率和顯示終端的信息反饋是iBeacon定位元件信號靈敏度的主要參數，可用元件間距與RSSI值域關系表示。

定位元件嵌入固定在不同彈性面料中，其整體融合性和面料壓是影響服裝舒適安全性的關鍵指標，其中Sig.值是衡量面料擬合度的主要指標，可通過方程Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn計算得出。

2 結果與討論

2.1 靈敏度

低功耗藍牙頻射信號靈敏度受多種外界因素的影響，其中藍牙設備間距離和障礙物間阻隔是影響頻射信號的主要因素。其距離與RSSI間的關系是信號靈敏度測試的關鍵，因此本文測試在戶外環境下，分別在有障礙與無障礙條件下進行測試，結果如表2所示。

表2 戶外環境下藍牙設備間RSSI信號值Tab.2 Distance between devices and the RSSI measurements in outdoor environment

從表2可知，當有障礙第7、8次測試時，信號斷開，因此沒有測量值。在數據分析時，以5次數據的平均值來表示測試的RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指數)值，分析結果如圖1所示。

圖1 戶外環境RSSI模型Fig.1 Outdoor environment model

由圖1分析可知，無論是2個距離間有障礙物還是無障礙物，RSSI值均隨著距離的拉長而不斷減小，當距離為30 m時，RSSI值急驟下降，信號靈敏度降低。該點為信號強度鄰界點。從圖中可看出，在該鄰界點時，無障礙戶外環境下的RSSI值大于有障礙時的值。因此兒童近場定位安全服裝測試環境可以近似認為是相對自由空間。且低功耗藍牙頻射信號強度與距離成正比，與有無障礙成反比。測試結果得出，當距離在30 m臨界點時，無障礙物條件下，距離最遠，頻射信號最強，準確性最好;當距離在40～50 m之間，頻射信號較弱，準確性較低。在兒童近場定位安全中，近場定位距離為30～50 m。

2.2 整體融合性與舒適壓

彈性針織面料主要分為高彈、中彈和低彈面料，其彈性又可分為經彈和緯彈［9］。在兒童近場定位安全服裝設計研究中，為了避免定位元件在人體活動時隨意晃動和較大的服裝壓對人體造成不舒適，對4種不同彈性的滌/棉針織面料拉伸性和彈性回復性進行測試，同時進行相關因子的提取與分析，結果如圖2所示。

測得基礎參數(厚度、質量、經密與緯密)，并通過SPSS17.0軟件的相關性分析，得出織物的厚度與質量、經緯密成反比，回歸分析結果如表3所示。

圖2 滌/棉針織面料不同彈性的服裝壓力值Fig.2 Elastic clothing pressure value of pure polyester cotton knitting fabric

表3 織物回歸擬度參數Fig.3 Analysis of fabric regression fitting degree

當Sig.值為F，并大于F臨界值的概率，表3結果說明，當回歸方程包含不同的自變量其顯著概念性值均小于0.001，即拒絕回歸系數均為0的原假設［10］。因此，根據 Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn，計算出估計值，其中 b0為常數，b1、b2、…、bn稱為 y對應于 x1、x2、…、xn的偏回歸系數，偏回歸系數表示假設在其他所有自變量不變的情況下，某個自變量變化引起因變量變化的比率［11］。得出有4個自變量時，方程回歸性很好。

由圖2還可看出，當選取2+2羅紋滌/棉弱彈針織面料時，服裝壓(1.56 kPa)最低，滿足兒童服裝穿著鄰界壓;2+2羅紋滌/棉低彈與中彈面料壓分別為1.85 kPa和2.96 kPa，均符合兒童服裝穿著舒適壓范圍(1.96～3.92 kPa);而2+2羅紋滌/棉高彈針織面料壓為5.98 kPa，將定位元件設計其上，接觸面與皮膚頻繁摩擦，造成服裝穿著的不舒適。從表1可知，當Sig.值越接近零，回歸擬合度越好，面料對人體產生的的壓力越小，人體穿著服裝時的運動阻礙性最低，適合在功能性服裝設計中應用，尤其是以不同物理屬性物體附著在織物表面的元件設計。

從上述實驗分析總結可知，在兒童近場定位安全服裝設計中，2+2羅紋滌/棉弱彈針織面料是該系列服裝設計的最優用料。

3 結論

隨著距離的變化，iBeacon定位元件的低功耗藍牙信號傳輸靈敏度與距離成反比，距離越遠時，信號傳輸靈敏度低，定位距離短，反之亦然。在等距離情況下，無障礙環境中RSSI值大于有障礙環境中的RSSI值，當定位距離超過零界點30 m，其距離逐漸減小。實驗結果表明，當iBeacon定位元件融合固定在針織面料中，其面料彈性為2+2羅紋組織弱彈，Sig.值接近零，回歸擬合度最強，面料對兒童人體產生的舒適壓為1.56 kPa，符合兒童服裝穿著舒適壓范圍(1.96～3.92 kPa)。實驗證明，以低功耗藍牙技術為核心的iBeacon定位元件與2+2羅紋滌/棉針織面料的融合設計，可滿足兒童服裝定位要求，同時達到兒童服裝舒適安全性設計原則。

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