基于柔性電子技術的可穿戴產品系統設計研究

摘 要：在柔性電子技術的基礎上，對于可穿戴產品的系統設計，是在可穿戴設備得到迅猛發展的背景下，運用電子的柔性技術的功能，進行產品的開發和應用，這是一個具有重要應用前景的課題。在分析其可行性后如何深入挖掘可穿戴產品的運用價值，生產智能穿戴產品，通過分析典型用戶角色，利用其改善人們的生活。本文針對智能穿戴產品的發展趨勢展開研究，在柔性電子技術的基礎上，運用系統設計方法和要素進行技術論證，并對其運用領域和發展前景作出闡述。以柔性電子技術為對象，對該技術的產業發展現狀和技術原理進行分析，提出基于柔性電子技術的模塊化設計方法，期望為人類成功設計出柔性電子技術融合在內的智能穿戴設備技術的發展提供參考作用，并明確未來智能穿戴產品進一步發展的方向。

關鍵詞：柔性電子技術；可穿戴產品；系統設計

中圖分類號：TP368.33文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）01-0092-03

Research on the Design of Wearable Product System Based on Flexible

Electronic Technology

CUI Wenjing

（Foshan Traffic Mechanic School，Foshan 528000，China）

Abstract：Based on flexible electronic technology，system design for wearable products，wearable devices are in the context of the rapid development of electronic technology，using the flexible features，development and application of the product，which is a very important application prospect. After analyzing its feasibility，we can deeply tap the application value of wearable products，produce intelligent wearable products，and improve people's lives by analyzing typical user roles. In this paper，the development trend of smart wearable products is studied. Based on the flexible electronic technology，we use the system design method and elements to carry out the technology demonstration，and elaborate the application field and development prospect. Based on the flexible electronic technology as the object of the present situation and the technical principle of the technology is analyzed，the flexible modular design method based on electronic technology，expect to provide reference for human development successfully designed smart wearable devices technology integration，flexible electronics，and clearly the future direction of further development of intelligent wearable products.

Keywords：flexible electronic technology；wearable products；system design

0 引 言

所謂可穿戴技術，包括眼鏡、手表、服裝等，廣義上指的是功能齊全、尺寸大的設備，狹義上是某一具有應用功能的能夠隨著用戶需求變遷的智能設備。可穿戴技術在國內外學術界和工業界得到廣泛的關注。相關的設備以及產品的生產，具有了多元化的功能，并支持全觸摸操作。

1 研究柔性可穿戴設備產品系統的意義

從智能手表到VR眼鏡，智能可穿戴技術在世界范圍內得到迅猛的發展。在芯片、存儲、屏幕技術上，智能可穿戴技術已經與眾多高科技領域融合。我國的可穿戴技術具備了學習、辦公、定位等多種功能，獲得了巨大的市場規模。智能可穿戴設備的應用如此廣泛，對其進行設計和研究，就擁有了極強的驅動力[1]。

通過人類的創新意識，人們的新需求與技術創新融合在一起，柔性技術基礎上可穿戴產品擁有了不同的功能，滿足了人們的想象力和應用需求。柔性電子產品不會損壞產品本身的性能，能夠發揮各種電子器件的性能，為人類提供各種尖端服務。

2 智能可穿戴產品設計要求

智能可穿戴設備的設計要求具備可調整的時間、可設置的計時器、可以定位的地圖，具有GPS功能，能夠進行數據的解析，并且能夠根據手勢的變化進行相應的圖像的顯示。例如根據設計的要求，智能手表連接方式的設計方案為圖1所示。

設計方案一采用單片機作為主控制器，進行簡單的操作和低廉的價格即能實現用戶的需求。但是此方案的IO口的數量少。采用高性能單片機進作為主控制器的方案二，具有流暢的操作系統，能夠以較小的體積和能耗滿足用戶的需求。采用搭配控制芯片的屏幕，顯示效果十分細膩。加速度傳感器設計在實現計步功能的時候同時利用GPS模塊進行移動距離的記錄。能夠精確檢測到行走的時候三個軸上的加速度變化。識別出用戶的行走姿態和記錄。

硬件部分的設計，選用了最小系統電路、接口電路、LCD觸摸屏模塊、存儲器等進行了設計。單片機性能高，是專門設計的嵌入式內核單片機，擁有直接內存訪問功能，實現數據保存功能。外圍電路提供的能量完全滿足系統的運行，具有固定電源、內部電流限制、過流保護的特性。運動處理組件擁有三軸的加速度傳感器和和陀螺儀，利用數據解算的方式輸出完整的姿態融合解算數據，該模塊體積小，適合適用于可穿戴設備。SD卡傳輸速度快、體積小、容量大、移動靈活、SPI模式接口簡單、成本低。存儲器能夠在系統配置信息的時候，提供數據備份，保存的數據量較大，能夠遵循二線制協議，具有體積小、數據掉電不丟失等特點[2]。

軟件部分的設計分為系統開發工具、程序整體框圖、文件系統移值，GUI程序設計等部分。開發工具是實用集成開發軟件，可以進行微型控制器的驅動，進行新芯片的支持和中間庫的升級，包含了微控制器的所有組件，可穿戴設備的程序運行按照用戶的實際操作需求，將程序在一個個狀態之間進行切換。

圖形用戶界面采用圖形方式顯示在計算機操作用戶界面上，大量使用相關函數進行裁剪之后，為系統運行所用。系統開機之后運用硬件的初始化和觸摸屏的校準功能，進入桌面狀態，加載表盤顯示時間，按照桌面圖標的按下狀態，停留在WHILE狀態，語句發生跳轉，畫板提供多種顏色可以選擇。

主界面按下畫板圖標之后，系統自動跳轉到界面上，采用不同的掃描方式進行選擇，保證畫筆的連貫性。地圖的功能利用GPS模塊獲得定位點的經緯度坐標，發送服務器請求，設置縮放級別、分辨率等[3]，如圖2所示。

系統功能測試分析，對系統進行實際的功能測試，首先進行開機主界面測試。顯示良好后，進行萬年歷的功能測試，判斷時間的合法性。單擊開始，系統開始自動計時，按照順序打印上一次計時的時間，復位按鈕被按下后，所有時間清零，經過反復測試，秒表功能運行正常，達到了系統的設計要求。系統的鬧鐘功能可以設置和刪除。系統設計的鬧鐘支持8個鬧鐘時間。經過測試，系統設計的鬧鐘功能完善。測試結果顯示，系統設計的萬年歷、秒表、鬧鐘、畫板、地圖等功能可以很好地實現，在算法、計步準確性、鬧鐘功能上還需要完善，本次設計很好的實現了既定功能，完成了設計指標。

3 柔性電子技術的可穿戴產品應用與發展思路

隨著電子科學技術的發展，人們對日常生活的需要不斷提升。通過創新思維，柔性可穿戴電子技術發展起來了，能夠適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。在不損壞電子性能的基礎上，進行制作材料的創新。柔性可穿戴電子的研究領域已經體現在很多方面，例如電子皮膚、柔性電路、導電組織等等[4]。

柔性可穿戴電子的應用，當前運用到醫學檢測、運動健身、航空航天、通信娛樂等領域。例如醫學檢測，能夠通過柔性可穿戴電子產品進行人體生命信號的檢測，對病人進行健康數據采集，疾病跟蹤等。高分子聚合物制備的電子皮膚具有感知功能，應用在體外診斷的可穿戴接觸式傳感器，多功能人體器官輔助設備等，柔性技術為可穿戴設備帶來了自我修復、自我能量采集、透明性等功能。

在運動健身領域，柔性可穿戴電子產品能夠提供監測數據和預警，運動鞋具有信息反饋系統，能夠進行運動量提醒、運動量統計，可以提供相關運動輔助性通信娛樂的柔性電子技術表現在柔性電路上，例如筆狀態可卷曲顯示器，看起來像一支筆，實際上是手機產品。

柔性薄膜電氣器件的發展為柔性電路發展創建了未來。拓寬了人們對電子產品的傳統認識的突破。柔性薄膜電子器件的柔韌性強，厚度較薄，最顯著的特點就是薄膜性、透明性和柔韌性，繼承了全位移的寄存器，機械性能好、熱穩定性高，成膜方法簡單可靠。柔性傳感器的應用十分廣泛，例如前面所敘述的電子皮膚。制備上使用了溫度傳感器、壓力傳感器等，柔性顯示器的應用采用了無機材料，顯示器的厚度很薄，外觀隨意。方便攜帶，柔軟可彎曲。擁有有機發光二極管。薄膜的太陽能電池成本較低、低碳環保、覆蓋面積較大，襯底不同，有硅基柔性薄膜太陽能，柔性薄膜太陽能電池等。可以集成在衣服上，為電子產品中的較為環保的系列[5]。

柔性材料上的電子設計，采用柔性基板代替了剛性基板。在柔性織造物體上進行基板的設計，能夠擁有柔性電路設計，可以在塑料等高分子聚合物上直接集成。紡織品的柔韌性可以實現隨意的彎曲和折疊，在柔性可穿戴電路的設計上，柔性織造物體為基底材料，人們利用可穿戴電路的輕便性和柔軟性的技術進行設計和織造。例如表面電阻值分布均勻的導電織造物體，采用鍍銀工藝，進行紡織面料的分層設計，利用傳感器的壓力感應進行信號的轉換，還能提供絕緣保護，避免短路發生。基于高分子聚合物的電路設計，具有很多特殊的功能，可以伸展，具有柔韌性，在高分子聚合物上可以發揮獨特性能。應用高分子聚合物材料設計的柔性傳感器具有多種制備方式，低溫濺射、溶液處理工藝、納米成型等等。

柔性可穿戴電子的發展，受到電子設備的功能性的制約，目前尚處在發展的初期。在電路設計上存在一些局限，例如柔性材料不成熟的問題，柔性電池可優化的問題，柔性電池的能量可持續問題等等，相對于傳統的電子器件的功耗，柔性電子器件的不足限制了柔性可穿戴產品的發展。在今后的發展上，對材料的選擇要慎重，除了考慮電路的功能，還要考慮人體的副作用。

4 結 論

隨著信息技術的不斷加快，人們與技術的融合是未來的發展趨勢，各種為電子器件已經呈現出柔性化的特點。可穿戴產品在更多的領域得到了應用。例如醫療設備與人體器官組織結合的應用，通信娛樂和運動的柔性穿戴產品的推出等等。電子技術為穿戴產品的時尚感、功能全面性提供了更好的技術支持，今后將向著精密、可靠、敏感的方向邁進。

參考文獻：

[1] 彭軍，李津，李偉，等.智能可穿戴設備發展現狀與展望 [J].西部皮革，2017，39（16）：116.

[2] 趙玲.智能可穿戴設備市場與新技術發展趨勢研究 [J].中國新技術新產品，2016（14）：19-20.

[3] 盧忠花，王卿璞，魯海瑞，等.柔性可穿戴電子的新進展 [J].微納電子技術，2014，51（11）：685-691+701.

[4] 侯建偉，田鵬，李瑞佼，等.應用于可穿戴式設備的柔性顯示技術的現狀及發展前景 [C].中國硅酸鹽學會電子玻璃分會2014年光電子玻璃技術研討會論文集，2014：39-49.

[5] 李琛，黃根茂，段煉，等.柔性有機發光二極管材料與器件研究進展 [J].中國材料進展，2016，35（2）：101-107.

作者簡介：崔文晶（1985.04-），女，漢族，吉林磐石人，助理講師，本科，畢業于吉林工程技術師范學院。研究方向：電子信息工程。