嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝設(shè)計

唐 茜， 張冰冰， 鄭笑雨

(湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計學(xué)院， 湖北 武漢 430000)

隨著社會的發(fā)展，嬰幼兒生活的家庭及社會環(huán)境發(fā)生著巨大的變化，當(dāng)代青年父母對于自我角色的認知程度要求越來越高，他們在面對現(xiàn)代社會工作壓力的同時還要學(xué)習(xí)如何當(dāng)合格的父母，這也是傳統(tǒng)上依靠家庭實現(xiàn)照護正在面臨的挑戰(zhàn)[1]。同時，消費者觀念的轉(zhuǎn)變及科技的迅速發(fā)展，智能服裝在嬰幼兒消費市場中所占比例也逐漸加大。信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，加快了智能監(jiān)測服裝的發(fā)展，也將是服裝行業(yè)的重大變革[2]。

目前，國內(nèi)外市場上出現(xiàn)了多種多樣的嬰幼兒健康監(jiān)測設(shè)備，如可穿戴式嬰幼兒測溫計、可穿戴式兒童物理退熱儀、嬰幼兒智能連體衣、智能襪等[3-4]。這些嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測設(shè)備在一定程度上可滿足嬰幼兒的溫度監(jiān)測，并通過手機APP進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，但僅監(jiān)測出是否發(fā)燒，而沒有起到嬰幼兒的照護功能。

本文以嬰幼兒功能性照護方式為研究方向，在現(xiàn)有智能可穿戴監(jiān)測設(shè)備單一的基礎(chǔ)上，增加新的照護功能。以手機APP為交互平臺，實時監(jiān)測嬰幼兒的溫度及出汗量數(shù)據(jù)，當(dāng)嬰幼兒溫濕度達到限定值時，手機APP將發(fā)出報警提示。

1 用戶需求分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，較多新手父母對于照看嬰幼兒的經(jīng)驗存在不足，因此，不能及時發(fā)現(xiàn)嬰幼兒發(fā)燒、感冒等常見狀況。可穿戴智能監(jiān)測服裝的直接使用者為嬰幼兒，監(jiān)測信息接收者和行動者為照護人，通過用戶場景觀察、問卷調(diào)查、用戶訪談等方式進行調(diào)研，并對調(diào)研結(jié)果進行分析得出用戶有以下幾點功能性需求：智能服裝的安全性、舒適性；能夠及時提醒照護人；可以監(jiān)測體溫健康數(shù)據(jù)；有一定的照護功能。

2 整體設(shè)計方案

嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝的設(shè)計方案主要以服裝款式設(shè)計、硬件監(jiān)測模塊、監(jiān)測平臺3個方面為核心。服裝本體設(shè)計參考中國傳統(tǒng)嬰幼兒裹肚款式；硬件監(jiān)測模塊主要通過服裝內(nèi)置的電子元件采集、處理人體生理數(shù)據(jù)[5]；監(jiān)測平臺向照護人傳遞數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)功能性需求：硬件監(jiān)測模塊分為電源供電模塊、開發(fā)板數(shù)據(jù)處理模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊。電源模塊為數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊供電，由于衣物附著于人體表面，服裝中內(nèi)置的傳感器模塊進行人體數(shù)據(jù)監(jiān)測，開發(fā)板控制器對傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，通過無線傳輸模塊上傳至監(jiān)測平臺——用戶手機端進行儲存、顯示。監(jiān)測平臺包括溫濕度數(shù)據(jù)、報警提醒、監(jiān)測報告、育兒論壇圈，照護人可根據(jù)監(jiān)測平臺(手機APP)實時監(jiān)控嬰幼兒身體溫濕度狀態(tài)，溫濕度到達設(shè)定報警值時，監(jiān)測平臺可發(fā)出報警提醒，同時監(jiān)測平臺也可查看監(jiān)測報告，照護人通過觀察嬰幼兒溫濕度變化，達到更好的照護效果，同時照護人使用育兒論壇圈分享交流育兒經(jīng)驗。監(jiān)測服裝整體框架如圖1所示。

圖1 嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝整體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of wearable intellegent moitoring clothing for infants

嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝與普通的嬰幼兒防護服裝有所不同，服裝本體內(nèi)置監(jiān)測人體健康數(shù)據(jù)的傳感器，整個系統(tǒng)方案功能豐富，服裝本體防護與智能監(jiān)測為一體，傳統(tǒng)與科技相融合滿足嬰幼兒與照護人的共同需求。

3 服裝款式設(shè)計

由于嬰幼兒自身的特殊性，在服裝的色彩、面料、造型上有特殊的需求。嬰幼兒皮膚嬌嫩，材質(zhì)上選取吸濕性、透氣性好的面料，如棉質(zhì)面料提高服裝的保暖性。色彩在一定程度上可影響嬰幼兒的情緒[6]，服裝的主題顏色選用紅色，代表著吉祥，男女均適用。款式選用中國傳統(tǒng)服飾中最為典型的代表——裹肚，其在中國服飾文化中具有特殊性，能夠體現(xiàn)民族特質(zhì)和豐富的民族文化。在造型、材質(zhì)、紋樣的表現(xiàn)上都具有一定的審美趣味。嬰幼兒裹肚是傳統(tǒng)裹肚中的基本類別，為嬰幼兒遮擋肚臍以防著涼。在注重功能的同時，裹肚上的紋樣、圖案也有美好的寓意。服裝款式設(shè)計如圖2所示。

圖2 裹肚設(shè)計Fig.2 Belly wrapping design. (a)Front view; (b)Back view

由于人體各部位蒸發(fā)散熱量不同，為達到所測數(shù)據(jù)的有效性、準確性，同時判斷嬰幼兒的熱濕舒適性，將濕度傳感器放于汗腺密集、出汗量較大的位置[7]左胸接近腋下部位；腋下更加接近于人體體表溫度，將溫度傳感器置于人體腋下部位。

4 硬件監(jiān)測模塊設(shè)計

嬰幼兒智能服裝監(jiān)測模塊主要分為電源供電模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、開發(fā)板數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊[8]。隨著互聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，柔性電子技術(shù)在智能服裝中的應(yīng)用較為廣泛，其中柔性電子元件具有質(zhì)量輕、體積小、功耗低等優(yōu)點。

根據(jù)嬰幼兒智能監(jiān)測服裝的設(shè)計需求，電源供電模塊選用LG柔性電纜型電池，具有優(yōu)良的比容量、優(yōu)異的彎曲特性和循環(huán)穩(wěn)定性。溫濕度使用可穿戴式柔性傳感器進行監(jiān)測，溫度數(shù)據(jù)采集模塊使用14J20柔性NTC溫度傳感器，其采用富溫SMT高精度熱敏電阻和柔性基板聚酰亞胺(FPC)，通過精密焊接設(shè)備加工而成(長度可在8～800 mm 之間定制，厚度僅為0.5 mm)，具有較高的靈敏性以及優(yōu)良的柔性；濕度數(shù)據(jù)采集模塊使用蘇州能斯達電子所研發(fā)的SH2090柔性薄膜濕度傳感器[9]，優(yōu)點是在柔韌輕薄材料上印刷附著力強、耐彎折，對濕度監(jiān)測具有較高的靈敏性。開發(fā)板數(shù)據(jù)處理模塊選取STM32F103C8T6微控制器，具有體積小、性價比高的特點。無線傳輸模塊選取LG Innotek公司推出的新型藍牙低功耗(BLE)模塊，具有成本低的優(yōu)點，可實現(xiàn)短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。硬件模塊分布如圖3所示。

注：1—溫度數(shù)據(jù)采集模塊；2—濕度數(shù)據(jù)采集模塊；3—無線傳輸模塊； 4—開發(fā)板數(shù)據(jù)處理模塊；5—電源供電模塊。圖3 硬件模塊分布圖Fig.3 Hardware module distribution diagram

利用溫濕度傳感器對人體溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，通過微控制芯片進行數(shù)據(jù)信息處理，并通過藍牙傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)測平臺(手機APP)，照護人可使用手機APP實時監(jiān)測嬰幼兒的溫濕度變化，超出設(shè)定溫濕度值時，手機APP可發(fā)出報警聲音。

5 監(jiān)測平臺構(gòu)建

在交互設(shè)計的理念下，嬰幼兒智能服裝設(shè)計不僅是服裝與環(huán)境的交互，更重要的是照護人與嬰幼兒之間的一種交互[10]，并通過移動終端來傳遞所需信息。圖4示出手機監(jiān)測界面。

圖4 手機監(jiān)測界面Fig.4 Mobile phone monitoring interface. (a)Mobile APP temperature monitoring interface;(b)Mobile APP relative humidity monitoring interface; (c)Mobile APP parenting forum circle interface

嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝通過手機APP達到一種全新的交互模式[11]，利用無線接收模塊將所接收的數(shù)據(jù)傳輸至手機APP，照護人能夠直觀地監(jiān)測到嬰幼兒的溫濕度信息。通過無線傳輸功能模塊將智能服裝與手機配對連接，注冊登錄賬號可顯示監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)嬰幼兒體溫在36.5～37.5 ℃、相對濕度在40%～70%時，手機APP無報警提醒，當(dāng)嬰幼兒體溫>37.5℃或相對濕度>70%時，手機APP將向照護人發(fā)出報警提醒；手機APP中的監(jiān)測報告可向照護人提供3 d內(nèi)的溫濕度信息,如圖4(a)、(b)所示；育兒論壇圈中能夠為照護人提供新手媽媽攻略，照護人之間通過育兒論壇圈互相學(xué)習(xí)育兒知識,如圖4(c)所示。

6 應(yīng)用與評價

為驗證所設(shè)計的嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝的整體性能，本文使用Arduino開源電子平臺進行功能性驗證。

6.1 系統(tǒng)調(diào)試

為測試該智能監(jiān)測服裝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在湖北省武漢市幸福佳苑社區(qū)選擇6名健康的嬰幼兒作為受試者進行試驗，其中6名受試者的年齡為6～15個月，實驗時間為1 d，地點選擇各受試者當(dāng)前居住地進行實驗。首先將6名嬰幼兒穿著智能監(jiān)測服裝，打開串口監(jiān)視器記錄30 min內(nèi)測量的溫濕度數(shù)據(jù)，計算每位嬰幼兒溫濕度數(shù)據(jù)的平均值；使用水銀溫度計及皮膚濕度測量儀分別對以上6名嬰幼兒測量3次體溫、濕度，并記錄每位嬰幼兒的平均測量值，如表1所示。

表1 6名嬰幼兒2種溫濕度測量方式數(shù)據(jù)Tab.1 Data of 6 infants from two temperature-humidity measurements

對于以上對比數(shù)據(jù)，使用回歸方程可得出以下相關(guān)系數(shù)：r1≈0.95，r2≈0.99 (r1為溫度相關(guān)系數(shù)，r2為濕度相關(guān)系數(shù))，均接近1，說明2種測量方式的相關(guān)性較強，即智能監(jiān)測服裝系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

由于電子元件未直接接觸人體表面，所測數(shù)據(jù)會存在一定誤差，經(jīng)過以上6名嬰幼兒測量的試驗數(shù)據(jù)得出，傳感器所監(jiān)測的平均溫度數(shù)據(jù)比水銀體溫計所測的平均溫度低0.67 ℃，相對濕度誤差維持在5%。根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，溫度監(jiān)測精度超過誤差允許范圍為±0.2 ℃，為使溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精準，使用差值補償?shù)姆绞綄囟缺O(jiān)測程序進行誤差校正，使監(jiān)測平臺上顯示的溫度更加接近人體實際溫度；相對濕度監(jiān)測精度在誤差范圍之內(nèi)，無需校正。

表2示出6名嬰幼兒溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。可知溫度補償后，6名嬰幼兒使用傳感器監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)與表1中水銀溫度計測量的平均溫度值進行對比，2種測量方式所測數(shù)據(jù)無明顯差異。

表2 6名嬰幼兒溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值Tab.2 Average temperature monitoring data for 6 infants

6.2 應(yīng)用與分析

由于該智能監(jiān)測服裝使用對象為照護人與嬰幼兒，試驗隨機選取武漢市幸福佳苑社區(qū)中10位3～18個月的嬰幼兒作為受試者進行功能性效果測試。試驗時間為2 d：第1天10位受試者未穿著智能監(jiān)測服裝，記錄其24 h內(nèi)的哭鬧次數(shù)總和為39次；第2天 10位受試者穿著智能監(jiān)測服裝，記錄其24 h內(nèi)的哭鬧次數(shù)總和為22次。通過以上數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，穿著智能監(jiān)測服裝的受試者哭鬧次數(shù)明顯減少；當(dāng)嬰幼兒穿著智能監(jiān)測服裝時，出現(xiàn)出汗量過多、踢被子等情況時，手機APP向照護人發(fā)送報警提醒，照護人及時為嬰幼兒添減衣物，使其感到舒適。

嬰幼兒24 h內(nèi)穿著智能監(jiān)測服裝與未穿著智能監(jiān)測服裝，研究照護人的焦慮感程度發(fā)現(xiàn)，夜間照護人最為焦慮；當(dāng)嬰幼兒穿著智能監(jiān)測服裝時，照護人焦慮程度較低，主要依附于智能監(jiān)測服裝的報警提醒功能，照護人心情得到放松，如圖5所示。

圖5 照護人焦慮感曲線圖Fig.5 Graph of caregiver anxiety

6.3 效果評價

通過試驗驗證嬰幼兒可穿戴智能監(jiān)測服裝功能的可行性，該智能服裝從功能上滿足照護人的照護需求，將傳統(tǒng)款式服裝作為載體，加強嬰幼兒的照護程度。嬰幼兒穿著智能監(jiān)測服裝時，嬰幼兒哭鬧次數(shù)減少，照護人焦慮程度降低。然而在試驗的過程中也發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測服裝的不足之處：監(jiān)測數(shù)據(jù)更新速度較慢；小幾率地出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

本文通過對嬰幼兒及照護人的需求進行分析，運用傳感器技術(shù)、交互技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等對嬰幼兒溫濕度信息進行采集、處理和反饋，設(shè)計了1款嬰幼兒智能監(jiān)測服裝。在服裝款式上選取傳統(tǒng)的嬰幼兒裹肚樣式，達到科技與傳統(tǒng)的相互碰撞。將傳感器置入服裝中，通過試驗得出智能監(jiān)測服裝系統(tǒng)具有很強的穩(wěn)定性，對比監(jiān)測數(shù)據(jù)得到誤差值，并使用差值補償?shù)姆椒ㄟM行誤差校正，使智能監(jiān)測服裝的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加接近人體平均溫度。該嬰幼兒智能服裝具有一定的照護功能，異常情況時出現(xiàn)報警提醒，讓照護人與嬰幼兒通過監(jiān)測平臺直觀地交流。本智能監(jiān)測服裝在一定程度上為照護人提供幫助，初步實現(xiàn)對嬰幼兒身體溫濕度的監(jiān)測功能，未來可從智能服裝的舒適性、可持續(xù)性、精確性等方向進行深入，滿足用戶需求，達到更佳的使用效果。