基于NB-IoT通信技術的智能多傳感衣服設計

摘 要：針對全球增溫導致極端氣候頻發，傳統衣服已無法完全滿足人們出行的需求等問題，本文設計了一種基于NB-IoT通信技術的智能多傳感衣服，提出了一種將無線通信技術引入衣物，以實現遠程定位、智能控溫、心率監測以及實時通信等功能。該設計搭載了DS18B20溫度傳感器并引入心率傳感器、語音通信模塊和智能充電3種核心模塊。以石墨烯為主要材料設計多傳感器衣服。

關鍵詞：溫度傳感器；NB-IoT網絡；嵌入式系統

中圖分類號：TN 91" " " " " " 文獻標志碼：A

服飾的功能隨著社會進步和人們生活水平提高變得多樣化，除了遮體保暖等基本功能外，還出現了各種針對不同需求的功能性衣服。目前，市場中的保溫衣服存在溫度控制不智能、發熱片不易拆洗以及功能單一等缺點，不能適應復雜多變的工作和生活環境，影響人們的使用體驗。雖然文獻[1]和文獻[2]設計了多功能智能保溫衣服，但是都沒有考慮網絡拓展能力和多傳感器的融合，應用還有一定的局限性。為了解決這些問題，本文設計一種利用NB-IoT通信技術實現智能多傳感衣服的方案。智能多傳感器衣服是一種具有多種功能的衣服，它不僅可以利用DS18B20溫度傳感器實現自動保溫，還具有遠程定位、心率監測和語音通信等功能，使監護人可以通過App實時了解家人的位置、身體狀況和語音信息，方便及時溝通和關懷。

1 系統總體設計

該智能多傳感衣服的設計材質選用石墨烯面料，具有柔軟、透氣、安全和可水洗的特點。在帽檐內設置語音通信模塊，可實時進行語音通信交流。衣服靠近心臟的位置搭載心率傳感器，通過心率監測模塊可以實時監測心率。在衣服左右口袋位置分別設置溫度傳感器以及控制按鈕，智能溫度調控模塊可以根據外界以及人體的溫度，自適應或手動調整溫度。

這種衣服基于NB-IoT通信，以CC2530模組搭建的無線Zigbee傳感器網絡為核心，融合多種傳感器。其中，主要采用收集技術，底層數據檢測采用高性能DS18B20溫度傳感器、光電式心率傳感器 ADPD174 模塊以及語音播放模塊，將采集的數據與NB-IoT模塊通信，經過算法融合，打包發送至用戶終端，可實時監測傳感器信息，與此同時，用戶也可以通過在終端設置不同的溫度值和傳輸語音指令等信息傳至CC2530模組，然后加熱模塊根據用戶設置的溫度值進行調節。其中，溫度控制通過獲取終端提供的天氣情況進行溫度分析，并通過PID算法智能調節至人體最適溫度。NB-IoT模塊與用戶終端建立聯系，并提供用戶的實時位置信息，保障用戶的安全。其分為4層系統架構，分別為感知識別層、網絡構建層、管理服務層以及綜合應用層。

1.1 感知識別層

感知識別層的作用為獲取當前位置信息、溫度、心率以及語音內容，及時獲取上述信息，并將其發送至網絡構建層，接收用戶終端的指令并經過網絡構建層傳達至各傳感器，如圖1所示。麥克風接收語音信號，再通過基于藍牙協議的語音通信模塊收集語音內容。基于Zigbee協議的無線傳感器網絡包括DS18B20溫度傳感器和ADPD174心率傳感器，溫度傳感器通過電子加熱模塊采集人體溫度信息、心率傳感器采集人的心率信息，再通過NB-IoT通信模塊實現感知識別功能。

1.2 網絡構建層

網絡構建層是智能多傳感器衣服的核心層，它負責傳遞和處理各種信息，類似人體的神經系統和大腦。如圖2所示，該層采用Zigbee和NB-IoT協議相結合的方式，保證傳感器之間和云服務器之間的有效通信，同時通過云服務器與用戶端進行間接通信。另外，音頻傳輸模塊通過Bluetooth協議直接與用戶端進行通信。這樣，感知層獲取的信息就可以經過網絡構建層的處理和傳遞，達到下一層。

1.3 管理服務層

管理服務層是NB-IoT網絡架構和產業鏈條的核心環節，它在整體設計中發揮了重要的作用。如圖3所示，該層根據用戶端反饋的信息，通過預設的算法控制傳感器的工作狀態，同時通過NB-IoT通信模塊與感知層和綜合應用層進行雙向通信，為綜合應用層提供應用開發能力和統一接口。

1.4 綜合應用層

綜合應用層的設計主要通過用戶終端實現位置信息獲取、智能溫控和音頻輸出等功能，用戶可以根據自己的需求對溫度、音量等參數進行設定，并實時監測和提示自己的心率狀況。此外，后端服務中心還對用戶上傳的數據進行分析和整合，并根據用戶反饋的意見進行優化，保證更好的服務質量，如圖4所示。

2 軟件設計

2.1 NB-IoT遠程定位技術

衣物采用的NB-IoT技術作為互聯網通信的分支，屬于新興的窄帶物聯網技術[3]。其支持待機時間長，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT具有以下4個特點：1）廣覆蓋。在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB提升了100倍覆蓋區域的能力，在信號較弱場景下同樣具備較強的網絡覆蓋功能。2）具備支撐連接的能力。NB-IoT一個扇區理論上能夠支持10萬臺設備連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。3）功耗更低。新興的NB-IoT技術發展之初就是為吞吐量、成本和能耗都很低的物聯網設備提供支撐。4）模塊成本更低。得益于上述優勢，該項目遵循安全穩定與低功耗的原則，使用NB-IoT技術進行遠程定位與通信，并將各傳感器采集的數據遠程實時傳入終端。衣物內部網絡的協議主要為近距離通信效率非常高的紫峰ZigBee技術。由于其技術的傳輸范圍為10m～100m，通信距離過短，因此通過與NB-IoT節點間的接力，形成協議調節器，增加其通信距離。NB-IoT技術是借助各大運營商的移動蜂窩網絡，實現了廣域的覆蓋和無線的移動。本項目將NB-IoT用于無線傳感網接入應用的通道。不僅如此，由于衣服內部的無線傳感器網絡存在系統復雜、安全性不夠以及聯網接入難度較大等問題，因此該項目將傳統的無線傳感網絡和面向低功耗、低成本、廣覆蓋和大容量需求的NB-IoT窄帶物聯網技術相結合。對NB-IoT-WSN組網方案進行對比，結合當前的現實條件，提出目前可以推廣應用的可行方案。在該基礎上設計一種能夠進行數據幀轉換和處理的雙模網關，在WSN 網與NB-IoT網之間進行高效的數據轉換與數據融合。

2.2 基于PID的智能控溫算法

衣物的內部的溫度調節主要采用PID算法，PID算法是常見的過程控制算法，在溫度、壓力以及流量等控制領域[4]被廣泛應用。傳統PID算法如公式（1）所示。

（1）

式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間；Td為微分時間；u（t）為控制器的輸出值；e（t）為系統輸出值和觀測值的誤差。在實際應用中，需要將該連續公式轉化為離散公式，因此需要進行替換，如公式（2）所示。

（2）

式中：Ki為積分系數；Kd為微分系數；e（k）為第k個時刻的系統輸出值與觀測值的誤差。

本項目采用單一控制和復合控制相結合的溫控儀控制算法，該算法需要溫度傳感器檢測人體溫度和環境溫度，然后通過遺傳PID算法[5]對溫度進行調節。遺傳PID算法是一種基于遺傳算法的優化方法，它可以有效地避免傳統PID算法由于參數設定不合理而導致的局部最優或者控制效果不佳的問題。遺傳PID算法具有調試方便、控制精度高以及抗干擾性強等特點，能夠適應復雜環境的變化。用戶設定一個期望的溫度閾值，與溫度傳感器的數據進行比較，然后通過遺傳PID算法計算當前誤差、歷史偏差和最近偏差，并根據這些偏差對溫度傳感器的溫度進行調節，使其逐漸趨于穩定，并達到人體舒適的范圍。

2.3 網絡拓展能力突出

衣物內部的網絡拓展不僅是指設備連接到手機等終端，而是連接其他功能組件的能力。單純的智能服裝連接到Internet成為一個聯網設備或說大數據節點，但是這并不能說明是完整的物聯網設備。該衣物使用的NB-IoT網絡協議，網狀網（Mesh Network）是其本質和最佳拓撲結構，因為在這種網絡下，每個設備節點可以與其他任一設備節點通信，實現一定程度的數據交換或控制功能，這就給任一節點帶來了功能的拓展潛力，而在一定程度上減少用戶端的復雜操作，為后期衣物內部軟件的迭代更新提供便利。

3 硬件設計

通過多傳感器模塊將數據上傳至CC2530核心芯片，再通過BC260全網通信模塊將數據上傳到用戶終端。用戶可通過設備顯示屏觀察穿衣者相應的數據，并實現位置查找、溫度控制等功能。其中，主要通過NB-IoT技術進行定位，溫度通過PID算法調控將人體溫度調控到最適宜的溫度。

3.1 NB-IoT全網通信模塊

NB-IoT通信模塊是與手機App、各無線傳感器之間交換傳輸數據信息的重要通道，NB-IoT通信模塊一般以串口的形式與單片機相連。通信匹配成功后，可以作為全雙工串口使用，支持數據位位數8位、停止位位數1位的通信格式。用戶端通過與NB-IoT通信模塊建立連接，由通信模塊向無線傳感器發送消息，NB-IoT通過協議調節器與基于Zigbee協議的無線傳感器網絡建立連接，相應傳感器接收消息后做出相應的動作，可以實現智能控溫、遠程實時定位等功能。

3.2 智能溫控模塊

智能控溫模塊采用DS18B20單線數字溫度傳感器對衣服內外部的溫度進行感知與數據傳送，主板再通過遺傳PID算法將溫度調節至人體最適溫度。其具有以下4個方面的優勢：1）采用單總線的接口方式，與微處理器連接時只需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通信。2）不需要任何外圍元件，多個DS18B20并聯在唯一的單線上，實現多點測溫。由于單總線經濟性好、抗干擾能力和惡劣環境適應能力強，因此測量誤差控制在±0.5℃。3）供電方式靈活，DS18B20通過內部寄生電路從數據線上獲取電源。因此，當數據線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統結構更簡單，可靠性更高。4）掉電保護功能。DS18B20內部含有EEPRoM，在系統掉電以后，仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。另外，該智能控溫系統設置開關及溫度控制也可以通過一鍵式按鈕進行調控。長按按鈕即可開啟/關閉加熱功能，短按則為調溫。衣服有3檔默認加熱溫度，高檔約為65℃，中檔約為 55℃，低檔約為45℃。三檔溫度可以通過用戶終端重新設置，能靈活應對天氣溫度的變化，滿足不同的保暖需求。

3.3 語音通信模塊

智能多傳感衣服的帽子和衣領搭載了語音通信模塊，衣服的帽子設置了WT2605-24SS 音頻藍牙芯片，WT2605芯片專為音頻藍牙應用而設計，是一款高品質MP3語音編解碼藍牙芯片，包括一個功能強大的DSP（數字信號處理器）核心，通過UART接口與外部器件進行訪問以及數據交互，操作簡單，具有以下3個功能：1）芯片內置的模擬接口為用戶提供高品質的音頻輸入和輸出，外設接口豐富，可滿足不同用戶的需求。2）支持標準音頻藍牙功能，具有高信噪比的ADC以及DAC外設，分辨率高達16bit。3）支持錄音功能，可實現MIC錄音以及AUX錄音，也可實現音頻藍牙錄音。

衣服通過Bluetooth協議與WT2605-24SS音頻藍牙芯片進行通信，具有藍牙功能的用戶端與其連接后可以播放相應的音頻。也可以通過衣領使用錄音功能，錄音數據通過 UART 接口實時輸出，方便用戶對音頻數據進行操作，例如上傳到服務器或語音識別等。

3.4 心率監測模塊

為檢測使用者的心率，衣服內部搭載了心率監測模塊。主要采用光電式心率傳感器Si1144-AAGX HRM，其包括4個主要技術元件進行心率測量：1）光電發射器。由2個以上的光發射二極管（LED）構成，將光波照進皮膚內部。2）光電二極管和模擬前端（AFE），可以捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉換為數字信號用于計算心率數據。3）加速計。可測量運動，與光信號結合運用，作為PPG算法的輸入。4）PPG算法。能夠處理來自AFE和加速計的信號，然后將處理過的信號疊加到PPG波形上，生成持續的、運動容錯的心率數據和其他生物計量數據。該模塊的關鍵特性在于有效降低腕上心率監測（HRM）應用成本和復雜度，精確感測腕上微弱血流信號。

3.5 USBPD快速充電

衣物采用100 W快充方式，衣服內部設計Type-C接口，采用PD協議。USBPD通信將協議層的消息調制成24MHz的FSK信號并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號來實現衣服和充電器通信的過程。

在USB PD 通信中是將24MHz的FSK通CAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平上的，為了使24MHz的FSK不對PowerSupply或者USBHost的VBUS 直流電壓產生影響，在回路中同時添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過濾掉FSK信號。根據公式：功率P=電流I×電壓U，實現快充提高衣服的充電功率，就需要提升充電的電流或者是充電的電壓，或者是兩者同時提升；目前，快充有高壓快充和高電流快充2種方案，本項目采用的是高電壓快充方案，高電流需要對充電線和充電電路進行加強，因此在線材的選擇范圍比高電壓方案差。

3.6 石墨烯面料

考慮到衣服的質量問題，本項目的衣服面料采用導熱率很高的石墨烯面料。石墨烯具有極高的載流子遷移率和熱導率，遷移率為傳統硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對于微電子器件來說是非常重要的參數，如果遷移率過低，將會導致產熱嚴重、響應頻率低等后果。因此，遷移率高、導熱好的石墨烯被認為是一種理想的電子器件材料。石墨烯具有極好的熱穩定性和化學穩定性，其熔點達到3850℃，具有很好的穩定性。作為新興材料，石墨烯面料在服裝面料領域還在嘗試階段，其具有很好的延展性以及抗靜電能力，可以安全承載各類傳感器裝置；同時具有抗菌性，肌膚舒適感好，有一定的保護作用。

4 結語

目前，市面上的智能多傳感器衣服功能單一，主要是溫度控制，而且技術水平有待提高。本文設計一種集成了溫度、心率、遠程定位和語音通信等多種功能的智能多傳感器衣服，采用NB-IoT模塊、智能溫控模塊、心率監測模塊和語音通信模塊等先進技術，不僅彌補了現有保溫服的不足，也提供了多種實用功能。此外，這種衣服還配有專門的App，用戶可以通過終端設備方便地控制各傳感器以及接收各傳感器的數據，增強用戶的體驗感，為后續智能多傳感器衣服的設計提供參考。

參考文獻

[1]李龑，胡立夫，高銘悅.一種多功能智能控溫服設計[J].中國科技信息，2021，643（1）：45-46.

[2]楊守華，林桂全，李秋連，等.一種智能保溫衣服的設計[J].電子世界，2017，519（9）：79-80.

[3]馬斯斯，劉念，金鑫城.基于NB-IoT技術的智慧井蓋監控系統設計及測試分析[J].粘接，2023，50（1）：187-191.

[4]李銀伢.滿意PID控制器設計理論[D].南京：南京理工大學，2006.

[5]王榮光，曹碩桐，田翔，等.基于改進的遺傳-PID算法的機組軸承油霧排放控制策略[J].應用科技，2019，46（3）：70-75.