基于可穿戴計算技術的保暖服監(jiān)控系統(tǒng)設計*

翟軍輝，薛天宇

基于可穿戴計算技術的保暖服監(jiān)控系統(tǒng)設計*

翟軍輝，薛天宇

（北京服裝學院信息工程學院，北京100029）

可穿戴計算技術是一種將計算機穿戴在人體上進行各種應用的國際性前沿計算機技術，是智能環(huán)境的一個主要研究課題。可穿戴計算技術并非是簡單地把計算機微小化后直接穿戴在人們身上，它需要解決很多關鍵性的技術才能真正發(fā)展起來，以滿足人們的應用需求。其中最重要的四項技術為人機交互技術、嵌入式控制系統(tǒng)技術、無線連接技術和高效能源技術。若將可穿戴計算技術應用于智能服裝，可為人們提供一個舒適的智能環(huán)境。因此，可以用Android智能手機作為上位機，AVR單片機作為微控制器，采用藍牙無線通信方式，大容量鋰離子電池作為能源，為運動受限的病人設計一款智能保暖服裝，為他們提供一個舒適的生活環(huán)境。

可穿戴計算技術；Android智能手機；藍牙無線通信；智能保暖服裝

0　引言

可穿戴計算技術是探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進用戶衣服或配件的設備的科學技術。其最核心的理念是讓人們能夠更便捷地使用智能化的設備而感覺不到它的特殊存在。可穿戴健康設備是把可穿戴技術應用于健康領域，對用于檢測身體情況、統(tǒng)計運動數據及改善健康狀況的設備的統(tǒng)稱。可穿戴計算是隨著新的通信技術、計算機技術、微電子技術不斷發(fā)展而產生的。可穿戴設備是目前市場熱點，要設計、生產該類電子設備，選擇高性能、高可靠性的專用集成電路是其關鍵因素。可穿戴計算系統(tǒng)是一個人與計算機密不可分的集合體，因此，人機交互技術是可穿戴計算機系統(tǒng)中的關鍵技術，它解決了人與計算機之間的交互問題，人通過這種交互提高了對環(huán)境感知的能力。而Android智能手機已實現人機交互，通過自帶的藍牙設備即可實現與智能

服裝的交互式通信。因此，將“智能化保暖”引入醫(yī)療裝備行業(yè)，用Android智能手機通過藍牙無線通信方式實時監(jiān)控保暖服溫度。該系統(tǒng)能夠根據用戶需求設定溫度，實現保暖服的自動保暖功能，為其提供智能保暖，為研制新型醫(yī)用智能服裝奠定軟硬件基礎。

1　系統(tǒng)構成與試驗方法

1.1系統(tǒng)硬件構成及功能

本系統(tǒng)的硬件部分由Android智能手機、藍牙通信模塊、主控模塊組成。其中主控模塊集成了以ATmega16芯片為核心的主控板、DS18B20溫度檢測電路、BQ27210電量檢測電路、加熱電路。硬件系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)整體框架

目前，在短距離無線通信中所使用的技術主要有無線局域網（IEEE802.11）、HomeRF和藍牙，它們均工作在2.4 GHz頻段，除此之外還有紅外技術。考慮到手機控制終端和遠程溫度控制器之間的距離一般不會超過10 m，而且用在開放的環(huán)境中，還要降低成本，所以選擇手機藍牙無線通信方式。

把手機作為人機交互的終端，主要用于保暖服監(jiān)控系統(tǒng)的溫度設置、保暖服實時溫度的顯示、環(huán)境溫度的顯示、供電電源剩余電量的顯示等。另外手機端還控制著主控模塊加熱電路的開啟和停止。手機屏上的自動溫控系統(tǒng)軟件圖標如圖2所示。

圖2　自動溫控系統(tǒng)軟件圖標

點擊自動溫控系統(tǒng)圖標進入圖3所示的手機控制頁面。

點擊“連接設備”，手機自動搜索附近藍牙設備，該系統(tǒng)默認藍牙名稱為HC-07，連接到該藍牙設備需輸入密碼，默認密碼為1234，藍牙名稱和配對密碼可以通過藍牙串口助手修改，但為了安全起見，不允許用戶修改。

藍牙通信協(xié)議直接對字節(jié)消息格式編碼，代碼移植性差，對平臺依賴性強。為了消除這種依賴，把藍牙通信協(xié)議提供的接口封裝成為藍牙轉串口通信接口。封裝后的藍牙轉串口通信接口很好地滿足了要求，符合編程習慣［1-6］。封裝以后，實現了協(xié)議無關，不需要對協(xié)議命令格式的考究，只需連接到單片機串口，按照串口通信協(xié)議編程即可，增加了應用層軟件開發(fā)的靈活度和可靠度。藍牙轉串口模塊如圖4所示。核心模塊使用HC-07從模塊，引出接口包括RXD、TXD、GND、VCC等，可直接連接單片機串口。

圖3　手機控制頁面

圖4　藍牙轉串口模塊

主控系統(tǒng)接收手機端發(fā)來的數據或命令，并作出相應動作。控制器核心是由微控制器ATmega16構成的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫度傳感器感知保暖服裝溫度，不斷地與溫度設定值進行比較、計算溫度偏差，控制算法依據溫度偏差的大小和控制參數計算出控制量，按計算出的控制量控制保暖服裝加熱裝置的加熱時間，最終實現將保暖服裝的溫度控制到預先設定的溫度值附近。

主控系統(tǒng)有3個溫度傳感器DS18B20，其中兩個用來測量衣服內兩個點的溫度，系統(tǒng)把這兩個點的溫度的平均值發(fā)送到手機端，另外一個用來測量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度值也通過主控系統(tǒng)發(fā)送到手機端［7］。

BQ27210是TI公司的一款電池監(jiān)測器件，對由獨立單體鋰離子和鋰聚合物電池構成的電源系統(tǒng)進行高精度的監(jiān)測與報告。該器件能夠對電池的容量、溫度和放電速率等進行相應補償，以便在各種工作條件下提供剩余電量等信息。在從滿電到無電的放電周期內，自動重新校準或獲取電池容量。該器件內部寄存器記錄了電池容量、電流、電壓等信息。外部控制器可通過I2C串行總線與BQ27210進行通信，讀取芯片內部寄存器中記錄的電池容量等實時信息。BQ27210與外部處理器通信的典型電路如圖5所示。

圖5　BQ27210典型電路

PACK+、PACK-分別接充電器的正負極，SCL、SDA各接一個單片機端口。BQ27210檢測到的電池信息通過I2C總線發(fā)送到主控板，經主控板處理后發(fā)送到手機端顯示。

加熱電路的核心器件是XL4016，該器件為大功率降壓型DC-DC電源變換器芯片，具有低功耗、高頻率、高效率、大電流、高可靠性等特點，另外其內置有過流保護、過熱保護、輸出短路保護，很容易實現PWM控制。加熱電路如圖6所示。其中FB接單片器端口，輸出端接入衣服，衣服由我校材料院用特殊加熱絲織成，衣服導電能產生熱量。

圖6　加熱電路

1.2藍牙通信協(xié)議設計

藍牙模塊只是手機與主控系統(tǒng)通信的中轉站，手機與主控系統(tǒng)之間的數據交換和數據區(qū)分還需要特殊的通信協(xié)議。

手機與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議如表1所示。當手機端依次接收到0X01、0X00兩個字節(jié)數據后，下一個字節(jié)是剩余電量數據，把電量數據顯示到手機端，依次類推，上傳數據都是以該模式進行的。當用戶點擊手機端“打開”或“關閉”時，手機端分別下發(fā)0X00、0XFF，當主控系統(tǒng)接收到數據后，分別做出打開加熱電路、關閉加熱電路的動作。用戶設置的溫度數據直接下發(fā)到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)就可以接收到。

表1　手機與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議

1.3試驗方法

通過試穿衣服，記錄下身體感受，調節(jié)各控制參數，盡量達到用戶體驗最佳的狀態(tài)。另外，體感溫度受環(huán)境溫度和個人體質等各方面的影響，用戶可以自行調節(jié)溫度，直到自己感覺舒適。

2　系統(tǒng)測試與結果分析

2.1系統(tǒng)測試

主控系統(tǒng)啟動時默認設置溫度為15℃。主控板上設有加熱電路啟動和關閉按鈕，還有設置溫度增加和減小按鈕，保證主控系統(tǒng)在與上位機失去聯(lián)系時能單獨良好地運行。另外，主控系統(tǒng)中設有保護系統(tǒng)，當衣服內溫度低于11℃時，蜂鳴器報警并自動閉合加熱電路；當衣服內溫度高于39℃時，蜂鳴器報警并自動斷開加熱電路；當DS18B20有一個或多個故障時，蜂鳴器報警并斷開加熱電路。其實，經過多次試驗，選擇12 V供電電源，在直接對衣服通電的情況下，衣服最高溫度只能達到38. 7℃。如此很好地保護了用戶的安全。

打開手機端自動溫控系統(tǒng)，點擊“連接設備”，需要輸入密碼才能連接到藍牙設備，而且用戶手機一旦連接到該系統(tǒng)藍牙設備，其他手機就算密碼正確也不能再連接上該藍牙設備，再加上特殊設計的通信協(xié)議，保證了該系統(tǒng)通信的安全。

手機端溫度設置框內只能輸入11～39之間的數字。溫度低于11℃時，手機端報警顯示“溫度過低”并向下位機發(fā)送閉合加熱電路的命令；溫度高于39℃時，手機端報警顯示“溫度過高”并向下位機發(fā)送斷開加熱電路的命令。系統(tǒng)運行時手機端控制頁面如圖7所示。

2.2結果分析

由于溫度的慣性很大，為了提高控制的精度，需要采樣控制。采樣控制系統(tǒng)不同于連續(xù)控制系統(tǒng)，它的特點是系統(tǒng)中一處或幾處的信號具有脈沖序列或數字序列的形式。應用采樣控制，有利于提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，也有利于提高控制器的利用率和通用性。經過多次試驗，每5 s采樣一次，能達到很好的控制效果。

圖7　系統(tǒng)運行時手機頁面

3　結論

今后服裝行業(yè)的科技發(fā)展最主要的任務就是利用高新技術和信息技術改變和提升傳統(tǒng)服裝的功能，這主要體現在智能服裝的研究和開發(fā)上。可穿戴計算技術正成為服裝行業(yè)提升附加值的發(fā)展方向之一。現在，智能服裝正在從實驗室里走出來，邁向更加廣闊的市場。未來，本監(jiān)控系統(tǒng)將不再局限于調節(jié)溫度，可以增加一些傳感器，能夠檢測出人體心跳、呼吸頻率、血壓等各項生命特征，為研制醫(yī)用智能服裝奠定一些基礎，然后進一步實現醫(yī)用智能服裝市場化、商品化。

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的物聯(lián)網體系結構［J］.計算機科學，2013，40（5）：97-102.

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［7］馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.

Warm clothing design of monitoring system based on wearable computing technology

Zhai Junhui，Xue Tianyu
（Shool of Information Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology，Beijing 100029，China）

Wearable computing technology is an international advanced computer technology that puts a computer on the human body for a variety of app lications.It is one of the main research topics of intelligent environment.Wearable computing is not a technology that simply puts the computer miniaturized directly on people，it needs to solve many key technology before real development，in order to meet the app lication needs of the peop le.The four most important technologies include human-computer interaction technology，embedded control system technology，the wireless connection technologies and efficient energy technology.If the wearable computing technology is app lied to the intelligent clothing.It can provide a com fortable intelligent environment for people.Therefore，you can use the Android intelligent mobile phone as a host computer，AVR single-chip as a micro controller unit，Bluetooth wireless communication，large capacity lithium-ion battery as an energy source，to design an intelligent warm clothing for patients limitated in movement，which provides a comfortable living environment for them.

wearable computing technology；Android intelligent mobile phone；Bluetooth wireless communication；intelligent warm clothing

TP391.8

A

1674-7720（2015）04-0026-03

北京服裝學院2014年研究生科研創(chuàng)新項目（X2014-068）

（2014-09-24）

翟軍輝（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：計算機控制。

薛天宇（1963-），男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：電子技術與計算機應用。