基于DS18B20和CC1101的智能溫控衣服研究

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行研發，主要利用了無線通信技術，溫控模塊，傳感器技術等實現對衣服的升溫降溫，同時通過傳感器來監測人體與外界的體溫差距以自動對衣物溫度進行控制，也可以在手機端手動控制溫度高低，同時還可在手機上觀看自己一天的運動量，并顯示健康狀況，如血壓、心率、體溫、呼吸速率等。用戶通過手機端根據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、低電壓模塊實現諸多功能，因此人身安全可得到有效保障。考慮到人體會因劇烈運動而產生汗液，為防止汗液進入電路中導致電路老化，故我們采用新型防水絕緣材料。

關鍵詞：無線通信；傳感器技術；智能控制；防水絕緣

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

現階段，智能科技幾乎涵蓋了人類生活工作的所有方面，而我們研制的產品符合現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，行動不便，不符合年輕人穿衣單、薄、輕便的風格；到了夏天，由于天氣比較炎熱，出汗后衣物貼在身上不舒服。基于這些原因我們設計了一款智能溫控衣服，通過智能傳感器采集信息，由手機端實現身體狀況的監測并分析信息來控制衣服的溫度，首先解決保暖問題，其次實現制冷。這款衣服不僅可以滿足普通大眾的需要，還對風濕病有一定的緩解作用。現階段是云計算、物聯網、計算機的時代。而智能溫控衣服實現了通過云計算促進硬件與軟件互通互融，促進新型商業模式快速革新的目的。目前智能手機的功能發展迅速，可直接通過手機App進行控制，實現全智能化。

1 智能溫控衣服的工作原理

智能溫控衣服的設計主要包括手機和衣服上溫控電路的無線連接，智能控制技術和衣服材料的選擇。

1.1 智能溫控原理基于DS18B20傳感器

美國Dallas半導體公司生產的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其內部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術[1]。所有的傳感器件和轉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造傳感器網絡，為溫控系統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濟、靈活、精致，方便使用者充分發揮“一線總線”的優點。與DS1820相比，DS18B20同樣兼容單總線連接方式，測溫區間為-55℃～+125℃，在-10～+85℃區間內，精確度的浮動約為±0.5℃[2]。DS1822的測溫精度較低區間為±2℃。實際溫度可直接用單總線的數字形式傳輸，極大地提升了系統的抗干擾能力，使其能夠適應各種惡劣的環境，如測溫類消費電子產品、設備或過程控制、環境控制等。且新的溫度傳感器支持低電壓，使用電壓范圍為3～5.5 V，使得系統設計更加精致，實用性強。

1.1.1 DS18B20、DS1822的特性

DS18B20的精度為±0.5℃，程序可設置為9到12位的分辨率，可使用更寬的電壓區間與更精致的封裝方法。用戶報警的溫度和分辨率設置保存在E2PROM中，即使突然斷電也可實現自動保存。DS18B20是新一代產品中的佼佼者，性價比極為出色，DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本，但去掉了保存使用者報警溫度的功能，且精度下降為±2℃，適用于對資源嚴格控制，性能不做要求的環境中。自“一線總線”出現后，DS1820開創了溫度傳感器技術的新理念[3]。通過DS18B20和DS1822可以建立經濟的測溫系統，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℃，對應的分辨率在9～12位，可實現高精度測量。

（2）接口方式獨特，DS18B20僅需一條口線就可實現與微處理器的雙向通訊。

（3）DS18B20的所有傳感器件及轉換電路均集聚在極小的電路中，且多個DS18B20可同時并聯在單獨的三線上，實現組網多點測溫。

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

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

（6）測得的數據輸出為數字溫度信號，可傳送CRC校驗碼，也可通過“一線總線”串行的方式將其傳送到CPU，擁有很強的抗干擾糾錯能力。

（7）負壓特性：當電源的正負反接時，芯片不會被燒壞。

1.1.2 硬件原理

圖2中低溫系數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數器1。高溫度系數晶振隨溫度的改變變化很大，因此新信號作為計數器2的脈沖輸入。溫度寄存器和計數器1被暫時存放在-55℃對應的基數值上。計數器1對低溫系數晶振產生脈沖信號，產生的脈沖信號做減1計數，當計數器1的預置值減為0時，溫度寄存器的值加1，此時計數器1的預置值將會重新被裝入，計數器1再次對低溫系數晶振產生的脈沖信號計數，循環往復，直到計數器2的計數值為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℃。主界面設有溫度降、升按鈕，還設有加熱電路關閉和啟動按鈕，系統出現故障時能夠通過手動方式來調節溫度。此外，該App中還設有保護系統，當智能溫控衣服內的溫度高于39℃時，蜂鳴器自動報警并切斷加熱電路；當智能溫控衣服內溫度低于11℃時，蜂鳴器自動報警并開啟加熱電路；當DS18B20出現故障時，蜂鳴器報警并關閉電路。經過反復測試，最終發現在選擇12 V供電電源時可達與人體相近的溫度，有力保障了人身安全。打開手機主界面自動溫控系統，點擊“連接設備”，設置密碼，防止其他手機接入，手機端的溫度在設置框內只能輸入11～39之間的數字。當溫度高于39℃時，手機界面顯示“溫度過高”斷開加熱電路；當溫度低于11℃時，手機界面顯示“溫度過低”打開加熱電路[5]。測溫流程如圖3所示。endprint

1.2 無線技術的原理

智能溫控衣服主要使用C8051F310單片機最小系統和CC1101無線通信模塊。通常最簡單的無線控制系統由單片射頻收發芯片、微控制器及顯示設備和少量外圍等構成。

該溫控衣服由外接電路、接收模塊、處理單元、發射模塊等構成。當發射模塊發出信號時，接收模塊會做出回應，如LED燈。

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

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

C8051F310單片機使用射頻片上系統實施無線通訊技術，是開發低功耗、低成本無線通訊應用系統的理想方案。射頻片上系統設計獨特，使微處理器與高頻線路與無線芯片之間可默契合作，將數字電路對高頻通訊的影響降到最小；C8051F310單片機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計，由于其將高頻部分電路全部集成到了電路內部，同時C8051F310是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，因此具有價格低廉、體積小巧、控制靈活、重量輕等優點，配置一個簡單的電路即可設計完成整個電路系統。

2 本產品具有的功能

2.1 智能控制溫度功能

通過傳感器感應內部和外部的變化來進行控制，如光、熱、電磁、震動、應力等的強度和變化[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行分析，通過溫濕度自動控制技術、無線通信技術、均壓性技術及其他技術可實現手機、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生熱量以滿足人體生理所需，顧客可以通過手機自己調控衣服和身體之間的溫度變化來達到最舒適的效果。這套智能溫控衣服加熱技術的主要成份是很細的導電纖維，穿插在襯里與表層之間，每根導電纖維的粗細可與毛發匹及，這些加熱組件具有彈性和防水性。感應器安裝在對人體、氣溫敏感的地方，可以迅速感應人體和外界溫度，通過編寫Java代碼設定適合人體的最佳溫度。當后臺設定與外界變化的數據不一致時，可自動對衣服升降溫，也可通過手機App手動操作，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現防汗液、耐洗、無線網絡體能分析與抗壓功能。在手機端顯示各項指標，實現生命體征的測量，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，并通過大數據對比來分析個人的情況，為每個用戶制定一套專屬的運動計劃，由傳感器智能檢測并顯示血壓、心電、血氧、脈搏等其他各項生理指標。

2.3 體驗音頻的輸出功能

隨著科技的發展，芯片進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、顯示器、存儲器、傳感器、鍵盤和驅動器[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，因此有很多服裝設計師在設計滿足人們防寒保溫、審美需求的衣物。而智能溫控衣服是在這兩個基本的功能需求上增加了智能溫控的功能。要實現這些需求，首先要有較好、合適的布料。

經研究，實驗打算選用一種防水、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。德國斯圖加特大學和霍恩斯坦因研究所共同研制出了一個肩部太陽能電池，小巧、柔軟，可為智能溫控衣服提供充足的電源。現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

現如今，隨著科技的發展，電子產品越來越趨向于輕便可攜帶的產品，計算機的鼻祖是一臺巨型的，約兩噸重的大機器，而現在，可攜帶的筆記本已成為主流，更小型的電腦即智能手機重不到半斤。目前研究人員正在尋求使電子產品與衣服相結合的方式，通過這種方式可以安裝開關及傳感器，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，而電子產品必須做成適應于衣服的舒適度，因此需要開發軟鍵盤、柔性開關、軟化接口和軟觸界面柔性開關等。

3.4 傳感器的選擇

DS18B20是常見的溫度傳感器，具有精度高，抗干擾能力強等特點。且外接電壓較小（3～5 V），安全系數比較高，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

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

4 結 語

通過上面的陳述，我們研制的智能溫控衣服在技術、材料、功能等方面都是可行的，該款衣物可以自動調節溫度或手動調節溫度，滿足人體的不同需求，同時還可以測試其他數據，如濕度、光照、震動等，感知現階段衣服的濕度，并測得現階段是在行走還是在跑步狀態。還可以通過光照感知天氣的好壞，全方面對身體進行實時監測。因此具有很好的發展空間，未來或許會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、運動員及有風濕病的老年人與喜歡單薄輕便衣物的年輕人等。

參考文獻

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