基于健康監(jiān)測(cè)的夏季智能勞保服設(shè)計(jì)

季婷婷　叢杉　張永楊

【摘 要】建筑工人長(zhǎng)期處于熱濕環(huán)境下，容易受到熱應(yīng)力的侵害，設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及預(yù)警報(bào)警功能的勞保服，便于了解建筑工人的身體情況。本文從勞保服的面料、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及硬件植入方式四個(gè)方面設(shè)計(jì)，保證了服裝穿著的舒適性、功能性以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】健康監(jiān)測(cè);勞保服;預(yù)警

中圖分類號(hào)：TS941文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1007-0125（2020）07-0209-02

智能服裝是將賦予人工智能的微型電子元件整合到服裝中，可支持多種交互方式，在保障服裝穿著舒適性的前提下，為用戶提供智能分析、決策支持和反饋控制[1-3]。目前市面上大多數(shù)智能服裝主要應(yīng)用在健康監(jiān)測(cè)、安全定位、運(yùn)動(dòng)健身方面。

夏季著裝行為是影響建筑工人安全、健康的重要因素。中暑、昏厥等危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)體溫升高、心率加快等情況，設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度、心率數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)信息的智能勞保服，能有效地保障建筑工人的健康安全。

一、夏季建筑工人的需求

夏季建筑工人長(zhǎng)期處于潮濕悶熱的環(huán)境下，舒適安全的勞保服有助人體的排汗散熱。建筑工人的主要需求如下：（一）服裝穿著的舒適性及功能性;（二）生理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遇到危險(xiǎn)情況時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

二、智能服裝設(shè)計(jì)思路

智能服裝因?yàn)槭袌?chǎng)推廣、信息安全等問題，普及率不是很高。在設(shè)計(jì)前，對(duì)建筑工人的需求進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合微型化電子元件，選取合適監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)闹踩敕绞奖ＷC服裝的美觀性、舒適性與功能性。如2014年，Mimo公司推出一款智能嬰兒連體衣監(jiān)測(cè)寶寶睡覺時(shí)的呼吸、體溫以及活動(dòng)，傳感器隱藏在可拆卸的烏龜殼內(nèi)，通過藍(lán)牙技術(shù)， 將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息推送到智能手機(jī)的應(yīng)用程序上[4]。與智能服裝連接的傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，可通過藍(lán)牙、NFC、RFID、ZigBee等無線傳感技術(shù)[5]傳輸?shù)絺€(gè)人設(shè)備的APP上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

三、智能勞保服設(shè)計(jì)方法

（一）面料選擇

從織物的風(fēng)格預(yù)測(cè)出發(fā)，根據(jù)織物的基本物理屬性、通透性等指標(biāo)，綜合分析各個(gè)部位的性能需求，選取熱濕性能最優(yōu)面料。面料的顏色盡量選擇深色系的。雖然深色系的服裝在短時(shí)間內(nèi)穿著會(huì)比深色系服裝更熱，但建筑工人受日曬的時(shí)間比較久，日曬十幾分鐘后情況會(huì)發(fā)生改變。因?yàn)槿梭w的熱量可以通過輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流、蒸發(fā)的方式向外發(fā)散，吸收的熱量可以成為衣服內(nèi)空氣對(duì)流的動(dòng)力[6]。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)不僅會(huì)影響服裝的美觀，對(duì)服裝的舒適性、功能性也有很大的影響。設(shè)計(jì)上衣時(shí)，版型寬松，側(cè)縫轉(zhuǎn)移，加幾個(gè)口袋的設(shè)計(jì)用于放置輕便工具，插肩袖的設(shè)計(jì)便于運(yùn)動(dòng)，加上一些反光條的設(shè)計(jì)利于知道位置避免施工危險(xiǎn);設(shè)計(jì)褲子時(shí)，臀寬加大，腰部半彈性設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)腰圍尺寸不適用皮帶更透氣，部分區(qū)域可增加口袋設(shè)計(jì)和反光條的應(yīng)用。

（三）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選擇以Arduino[7]程序設(shè)計(jì)為主控板操作平臺(tái)，通過無線藍(lán)牙技術(shù)與手機(jī)APP連接。首先，溫濕度傳感器、心率傳感器與主控板相連，通過相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)提取并處理溫度和濕度模塊所接收到的數(shù)據(jù)信息;其次，在達(dá)到溫濕度、心率設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍時(shí)，蜂鳴器及時(shí)地預(yù)警和報(bào)警;同時(shí)，藍(lán)牙模塊與主控板和手機(jī)終端相連接，通過低功耗無線傳輸再次將獲得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。

1.硬件選擇

LilyPad Arduino[8]是為可穿戴設(shè)備和電子紡織品而開發(fā)的特殊版本，小而薄可通過導(dǎo)電線與其他電子元件相連，并且元件防水可與衣物一起洗滌。西班牙巴塞羅產(chǎn)品設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的能記錄舞蹈路徑的芭蕾舞鞋E-TRACES[9]運(yùn)用LilyPad Arduino為主控板，通過舞鞋與地板接觸產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與APP相連后可將舞者的滑翔、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作可視化，方便矯正姿態(tài)等。

藍(lán)牙模塊選用HC-05適合手機(jī)或電腦跟設(shè)備間通過藍(lán)牙串口通信，如數(shù)據(jù)采集，串口打印機(jī)，智能車，戶外點(diǎn)陣屏控制等。

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，具有小體積、低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、范圍廣、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

MAX30102[10]是一款用于可穿戴健康設(shè)備的高靈敏度集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊，具有體積小、極低功率、數(shù)據(jù)輸出快等優(yōu)點(diǎn)。

蜂鳴器作為本文的智能預(yù)警和報(bào)警的實(shí)時(shí)反饋裝置，便于建筑工人在工作過程中遇到危險(xiǎn)情況可以更為直觀地了解。

2.總體軟件設(shè)計(jì)

LilyPad中的2號(hào)輸入數(shù)字引腳與AM2302傳感器對(duì)應(yīng);LilyPad中的3號(hào)輸入數(shù)字引腳與MAX30102傳感器相連接;蜂鳴器對(duì)應(yīng)LilyPad中的9號(hào)輸出數(shù)字引腳。

由于LilyPad Main Board不帶有USB接口，所以本文選擇CH340G下載器連接。CH340G是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，體積小、功能強(qiáng)大，可作為串口通信、單片機(jī)下載器、路由下載器、硬盤固件修復(fù)。

3.手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本文手機(jī)端的作用主要是通過藍(lán)牙的無線傳輸技術(shù)接收Arduino端傳來的數(shù)據(jù)，在手機(jī)端查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫濕度與心率數(shù)據(jù)。藍(lán)牙串口助手APP的主要功能是用于調(diào)試藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口透?jìng)髂K，屬于硬件調(diào)試工具，并通過藍(lán)牙搜索、設(shè)備連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

（四）硬件植入

以導(dǎo)電縫紉線的方式實(shí)現(xiàn)電子元件與服裝的固定與導(dǎo)電。將主控板LilyPad放置在服裝背面的下方不影響日常活動(dòng)，溫濕度傳感器放置于左側(cè)腋下熱濕變化明顯的部位，心率血氧傳感器置于左手腕部便于感應(yīng)的位置，作為報(bào)警信號(hào)裝置的蜂鳴器置于右側(cè)下擺處貼身部位，以達(dá)到適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)需求、服裝舒適性需求、電路連接安全、準(zhǔn)確性以及通信傳輸?shù)男枨蟆Ｋ{(lán)牙模塊硬件根據(jù)其無線傳輸?shù)姆秶Y(jié)合溫濕度傳感器以及心率血氧傳感器的安裝位置，最終確定將藍(lán)牙模塊硬件安裝于左肩部位。

四、結(jié)論

本文結(jié)合夏季建筑工人的工作環(huán)境，在保證舒適性的前提下設(shè)計(jì)一款具有報(bào)警和預(yù)警功能的智能勞保服。以Lilypad Arduino為主控板，根據(jù)硬件監(jiān)測(cè)范圍、準(zhǔn)確性選取最優(yōu)的藍(lán)牙模塊、溫濕度傳感器、心率血氧傳感器等，通過無線傳輸技術(shù)將Arduino監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)生理數(shù)據(jù)異常時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

電子元件向微型化柔性化持續(xù)發(fā)展，由于兼容性、生產(chǎn)成本高并沒有得到廣泛應(yīng)用。未來的健康監(jiān)測(cè)服裝將朝著柔性化、美觀性、精確性不斷進(jìn)步。

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