基于全織物傳感網絡的溫敏服裝設計

陳 慧， 王 璽， 丁 辛， 李 喬

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

慢性疾病(如心臟病、糖尿病和高血壓等)的增加成為許多國家公共衛生領域的一大挑戰，加重了醫療護理系統的測試時間、測試成本及工作人員的負擔[1-2]。一些疾病會使人的體溫調節機制發生障礙而引起體溫的變化[3]，因此，準確實時地監測體溫不僅可以掌握人體是否發燒發熱，還可為疾病的治療提供指導[4-5]，實現對老年人及嬰幼兒健康的實時監護[7]。現階段，對人體溫度的持續監測技術多限制在室內的操作，其儀器笨重，測試過程煩瑣，造成了醫學資源的浪費。少量已研發的織物溫度傳感器多采用嵌入法或縫合法制備，在實際使用中容易產生滑移錯位，且部分傳感器容易引起人體刺癢感和不適感，影響測試結果；部分采用織入法將熱阻材料與織物相結合，但牢固性較差。同時，柔性傳感器輸出信號的采集受到采集模塊及接收器的限制，且數據存儲顯示系統有待進一步改進。鑒于上述問題，本文將設計并制備應用于人體溫度持續監測的溫敏服裝，著重研究組成溫敏服裝重要部分的全織物傳感網絡的設計、制備及性能，開發數據采集和顯示系統，進行溫敏服裝可靠性的驗證。

為制備基于全織物傳感網絡的溫敏服裝，本文根據實際應用，利用大變形的織物電路板，設計彈性導電通道陣列，將其連接多個織物柔性溫度傳感器，實現全織物傳感網絡；根據應用要求，設計并制備含全織物傳感網絡的溫敏服裝；模擬應用環境，測試全織物傳感網絡的拉伸-回復性對傳感網絡受拉伸影響的程度進行評價，評估溫敏服裝溫度測試數據的可重復性；設計并開發數據采集存儲系統，實現數據傳輸與顯示功能；采用溫敏服裝系統實時監測人體皮膚溫度，結合實際應用進一步分析實驗數據。

1 溫敏服裝的設計與制備

1.1 設 計

1.1.1 測試點的選擇

人體皮膚溫度的分布不均勻，常采用14點法測試。人體表面可分為14個面積相等的區域，不同部位皮膚的溫度存在差異；但同一部位左右兩側相比則差異不明顯[8]，故分別選擇7個區域測試。圖1示出測試點的位置分布。圖中：1為肩胛，2為腋下，3為胸部，4為大臂，5為后腰，6為小臂，7為腹部。

圖1 測試點位置的分布Fig.1 Measurement points. (a) Front; (b) Back

1.1.2 電路設計

采用并聯的方式集成7個電阻式織物基溫度傳感器，設計全織物傳感網絡。圖2示出并聯電路。R1～R7為7個電阻，電阻大小會隨溫度的變化而變化。圖3為全織物傳感網絡設計圖。此傳感網絡分為2部分：C1和C2。 傳感網絡C1包括分布在測試點2、3、4、6、7的5個織物溫度傳感器及其對應的導電通道S2、S3、S4、S6、S7。傳感網絡C2包括分布在測試點1、5的2個織物溫度傳感器及其對應的導電通道S1、S5。每條傳感網絡均含1個地線G1和G2，分別與各測試點及對應的信號線形成閉合回路，各回路相互獨立、互不干擾。

圖2 并聯電路Fig.2 Parallel circuit

圖3 傳感網絡設計圖Fig.3 Design of sensing networks

1.1.3 服裝基體的選擇

具有可穿戴性能的溫敏服裝對服裝基體有一定的要求：良好的彈力回復、透氣性以及面料舒適性。故選用女士針織緊身壓縮衣作溫敏服裝基體，本文選用具有羅紋結構的服裝面料(奧林匹克裝甲(香港)有限公司生產，成分：80%錦綸、20%氨綸；尺碼：M)。

1.2 制 備

1.2.1 全織物溫度傳感網絡的制備

傳感網絡的制備采用TNY101B-20型全自動劍桿小樣織機(上海雙九實業有限公司)，選用1上3下右斜紋組織進行織造。以氨綸/錦綸/錦綸包纏紗(振德醫療用品股份有限公司生產，線密度為30.8 tex/4.4 tex/4.4 tex)作經紗，在特定位置加入1根或2根鍍銀導電紗作經紗，棉紗線作緯紗。織物幅寬分別為10 cm(C1全織物傳感網絡，共計6個導電通道，其中5個為信號線、1個為地線)和5 cm(C2全織物傳感網絡，共計3個導電通道，其中2個為信號線、1個為地線)。

在未變形的傳感網絡相應位置上連接前期研發的織物溫度傳感器[2]，將傳感器兩端電極分別與傳感網絡導電通道的信號線、地線纏繞連接。導電通道與導電線纏繞固定后，為避免導線晃動影響測試結果，將導電線縫合在織物基底上，進行封裝固定，圖4為封裝后全織物溫度傳感網絡的實物圖，封裝減少了整個組件被外力拉伸時接觸區域中的可能應變，增強了機械強度[9]。

圖4 全織物傳感網絡實物圖Fig.4 Full fabric sensing network

1.2.2 溫敏服裝的制備

圖5為溫敏服裝的設計圖。各織物溫度傳感器與人體測試點的位置相對應。2條全織物傳感網絡連接導電線的部分交匯于服裝左腹部的位置，以便后期數據的采集。選用手縫無膠魔術貼的方式將傳感網絡與服裝結合，該方式快捷方便、環保衛生且成本低。

圖5 溫敏服裝的設計圖Fig.5 Design of temperature-sensitive garment

1.3 性能測試與分析

1.3.1 數據穩定性

對全織物溫度傳感網絡的性能進行測試。測試傳感網絡在0%、15%、30%應變下電阻與溫度的關系。將傳感網絡平鋪在加熱平臺上，溫度范圍設置為25～45 ℃，同時利用安捷倫(Agilent 34970a)數據采集器(安捷倫科技有限公司)測試不同應變下的傳感網絡的輸出電阻，測試結果如圖6所示。結果表明靈敏度無明顯降低趨勢，故拉伸應變對傳感網絡監測溫度時輸出數據的準確性無顯著影響。

圖6 不同應變下的電阻-溫度關系Fig.6 Resistance-temperature relationship at different strains

為評估重復機械變形對傳感網絡的影響，在相同溫度(25 ℃)條件下，將全織物傳感網絡夾持在JF-9003型電腦拉力試驗機(東莞市尖峰儀器儀表有限公司)的2個夾頭上，對其進行10 000次30%應變的循環拉伸，同時利用Agilent 34970a數據采集器測試傳感網絡的輸出電阻，測試結果如圖7所示。結果表明，循環拉伸后，傳感網絡的電阻產生從71.5 Ω到72.5 Ω的輕微變化，可忽略不計。故全織物溫度傳感網絡在重復軸向拉伸時表現出非常穩定的性能。

圖7 30%應變下的拉伸循環測試Fig.7 Tensile cyclic test at 30% strain

1.3.2 靈敏度

作為實時監測人體溫度的產品，溫敏服裝必須具備良好的靈敏度。模擬實際使用情況測試溫敏服裝的靈敏度，測試不同溫度下各傳感點對應的電阻值。圖8示出各織物溫度傳感器和傳感網絡中地線及信號線的電阻變化與溫度的關系。其中：曲線0表示沒有連接導電通道的織物溫度傳感器在不同溫度下的電阻變化率；曲線1～7表示傳感網絡不同測試點1～7分別對應的織物溫度傳感器和導電通道的電阻變化率。結果表明，該傳感網絡均具有良好的電阻-溫度線性關系，且具有較高的靈敏度。

圖8 靈敏度測試結果Fig.8 Test results of sensitivity

1.3.3 重復性

圖9示出服裝面料的橫向拉伸-回復性能和縱向拉伸-回復性能。10次循環拉伸測試結果表明，該服裝面料回復時具有遲滯性。圖9(a)示出橫向拉伸-回復性能測試結果，經計算得遲滯率為14.25%；圖9(b)示出縱向拉伸-回復性能測試結果，經計算得遲滯率為13.26%。

圖9 織物的拉伸測試結果Fig.9 Tensile test result of knitted fabric. (a) Horizontal direction; (b) Longitudinal direction

2 數據采集存儲系統的設計與開發

圖10為溫敏服裝的數據采集系統示意圖。將全織物傳感網絡集成到服裝基體得到溫敏服裝Ⅰ，傳感網絡一端的導電線連接到開發板數據采集器Ⅱ，將采集到的數據藍牙傳輸到接收器并顯示。

圖10 溫敏服裝的數據采集系統Fig.10 Data acquisition system of temperature-sensitive garment. (a) Data acquisition device; (b) Display system

從溫敏服裝的數據采集系統到遠程接收器，開發出3種系統配置模式，區別是運用了3種不同類型的遠程接收器，即臺式計算機、筆記本電腦和智能手機。模式1使用的遠程接收器是具有藍牙適配器的臺式計算機，由于受試者受藍牙適配器輻射范圍的限制，該模式適用于臨床或實驗室研究。模式2使用的遠程接收器是帶有集成藍牙模塊的筆記本電腦，相比模式1，筆記本電腦雖可在室外環境中比較方便地使用，但受試者仍受限于筆記本電腦藍牙模塊的輻射范圍，故這種模式僅限于小區域戶外活動的測量。模式3是最靈活的配置模式，其遠程接收器是帶有嵌入式藍牙模塊、可隨身攜帶的智能手機，可在測試期間記錄受試者不同部位溫度而不受任何空間限制，適合長時間戶外測試。本文重點介紹模式3，即智能手機作接收器。

圖10(b)示出智能手機端的數據顯示界面。1～7分別表示溫敏服裝上7個傳感區域，右側為溫度坐標軸。傳感區域溫度不同，根據右側坐標軸所顯示出相應位置的顏色也不同。其優點在于可直觀反映人體不同部位在同一時間的溫度值。該軟件擁有參數設置界面，可根據溫敏服裝上織物基溫度傳感器的性能針對性地設置參數，提高數據的準確性及可靠性。

3 溫敏服裝的穿戴性分析

3.1 舒適性

采用調查問卷的方式測試溫敏服裝的舒適性。將問卷分發給隨機抽取的10名年齡在20～30歲之間、身體健康的受試者。對每個項目評分：1分表示非常不同意；2分表示不同意；3分表示勉強同意；4分表示同意；5分表示非常同意。

評估結果如表1所示。該溫敏服裝為大多數受試者提供舒適的穿著體驗，例如：服裝的透氣性(Q4)、傳感器(Q7)和電子元件(Q8)在服裝中的集成以及服裝外觀的時尚感(Q9)雖有待改進，但Q3的平均等級為3.9，這表明對服裝舒適性的反饋接近一致(4.0)。該溫敏服裝具有良好的穿戴舒適性。

表1 溫敏服裝舒適性評估Tab.1 Comfort assessment of temperature-sensitive garment

3.2 穿戴溫敏性

3.2.1 織物基溫度傳感器的校準

為保證后期測試結果的準確性，對織物溫度傳感器的測試結果進行校準。在恒溫恒濕環境下，同時采用電子紅外溫度計和織物基溫度傳感器測試人體區域溫度，結果如圖11所示。織物溫度傳感器所測溫度略低于紅外電子溫度計所測溫度，故需對其進行校準。

圖11 溫度對比結果Fig.11 Result of temperature comparison

3.2.2 人體溫度分布的測試

在使用溫敏服裝進行人體溫度監測前需測試受試者各監測區域的平均溫度分布。本文實驗測試平靜呼吸時人體不同部位的溫度。1名受試者在恒溫恒濕環境中靜坐30 min以保證自身狀態與當前環境達到動態平衡，測試結果如圖12所示。

圖12 不同部位皮膚溫度的分布Fig.12 Distribution of skin temperature in different parts

3.2.3 人體不同部位的實時溫度

在恒溫恒濕環境下,將溫敏服裝平鋪于實驗臺表面靜置30 min；同時受試者在恒溫恒濕環境下保持平緩的心態靜坐30 min，并保證測試前1 h內無劇烈運動。受試者緩慢穿上測試服后在恒溫恒濕環境中靜站10 min以提高實驗數據的可靠性，保證傳感器正面感溫區域緊密貼合人體皮膚而不會對皮膚造成物理傷害或妨礙人體正常活動。根據預定方案進行體溫監測。實驗方案：平靜呼吸60 s為1組；平靜呼吸頻率：吸1 s→呼1 s→停頓2 s、4 s為1個周期。

全織物傳感網絡在測試過程中表現出極佳的可靠性，所有織物基溫度傳感器組件都能很好地運行，沒有故障。不同測試點的溫度測試結果如圖13所示。受試者皮膚溫度的變化具有一定規律：溫度的變化以4 s為1個周期，每個周期均存在波峰，60 s內共15個周期(即15個明顯波峰，個別周期存在異常值，已被剔除)，與平靜呼吸的頻率及周期一致，且皮膚表面溫度總是隨著吸氣逐漸升高，隨著呼氣逐漸下降。

圖13 不同測試點的測試結果Fig.13 Test results at different measurement points. (a) Upper chest; (b) Abdomen;(c) Scapula; (d) Back waist

查閱相關文獻可知，呼吸循環系統與血液循環系統緊密相關[10]；而皮膚溫度與心臟泵血引起的血液流動有關[11]，故可通過監測人體皮膚溫度得到人體的呼吸狀態。從圖13看出，不同區域在人體呼吸時溫度變化幅度不同，腹部和后腰具有更明顯的波動幅度，胸部次之，肩胛最小。基本可通過人體溫度的變化曲線追蹤人體的呼吸狀態，信號曲線較為平滑，存在細小的波動，這是由于呼吸時傳感器電阻有較小的波動狀態，但不影響對呼吸狀況的基本判斷。

4 結束語

體溫作為主要生理指標之一，可直接反映人體生理狀況，故可通過監測人體溫度來反映人體健康狀況。現有溫度監測多采用硬質傳感網絡，會引起人體不適，且易滑移，影響測試的準確性。針對現有問題，本文結合大變形的織物電路板及彈性導電通道陣列，設計并制備溫敏服裝及數據采集系統，采用溫敏服裝系統實時監測人體皮膚溫度，實現了人體皮膚溫度實時監測，在一定程度上減輕了醫療負擔。