無線通信與智能胸帶的設計方案??


隨著科技的進步和生活水平的提高，服裝除了保溫功能外還應具有更多的功能，加之對個人健康和運動的日益重視，已經出現了許多各種各樣的家用醫療監護產品和健身產品，雖然這些監護產品提高了人們的生活健康質量，但它們也存在著不足，例如：產品功能比較單一；不能進行連續長期監護，或需要用戶的過多參與；不便隨身攜帶或妨礙了人們的正常生活。如果能將一些監測人體的儀器中的傳感器微型化、可穿戴化，通過貼身的服裝或胸帶并加以電子驅動、軟件控制就可以采集人體各種生理信號，隨時檢測人體的生理狀況，比如即時控制病情或者制定運動計劃等。

由此而產生了智能胸帶，而人體生理參數采集和無線傳輸系統屬于生物遙測技術。所謂生物遙測，是指在一定距離內(幾十到幾百米，甚至更遠)，通過有線或者無線的方法對生物體的生理參數如血壓、血流和溫度等數據進行采集和監護。

1 智能服裝的概念及實現

智能服裝的智能化功能主要是通過以下幾種途徑實現的：

(1)將具有感知和反應功能的智能纖維與普通纖維交織或將智能纖維編入普通纖維織物中，用這種含有智能纖維的面料做成智能服裝；

(2)對普通纖維進行改性，使之具有智能纖維的性能，再以此種面料做成服裝；

(3)將某些特殊物質用染整加工的方法結合到織物上，使普通織物具有智能特性，再做成服裝；

(4)將普通服裝與外加元件相結合，制成智能服裝，這些外加元件包括普通元件和高技術傳感器、檢測器、報警器等。

因此，智能服裝大體上分為兩個范疇。一是對服裝材料進行改良，通過化學、物理手段改變紡織材料的結構，使之具備普通材料所不具有的功能。另一個，可以簡單理解為信息化的服裝，即通過在服裝中嵌入各種微小芯片、傳感器等設備，使服裝成為一個可穿戴計算機，它可以實時地與人體進行交互，接收穿著者發出的命令或測量人體本身的信息。

2 智能服裝與胸帶的應用及現狀

作為注重健康的現代人，對自己身體健康的關注度越來越高，能方便、快捷的了解自己的生理狀態則變得至關重要。因此，對于智能胸帶人體生理采集和無線傳輸系統的設計和研究十分必要，具有重要的社會意義。智能服裝的應用領域十分廣闊，軍工的需要，成為智能紡織品快速發展的一個主要原因。在民用方面，智能紡織品也有巨大的發展潛力，如多功能的運動服、實時檢測人體生理指標的安全服等。可通過在病人身上安放多個傳感器或其他醫療設備以檢測病人的體征；在家中部署傳感器網絡，可以幫助老年人，特別是全球越來越多的60歲以上的老年人在家里得到更好的照顧，并幫助他們盡早檢測出疾病。

目前在國外已研制出較為先進的智能胸帶，新西蘭Zephyr科技公司最近研制成功了一種生物智能胸帶。只要人們把這種生物胸帶戴在身上，它就會收集人體的心跳、體溫、身體姿勢、動作和呼吸速率等信息。英國波爾頓大學材料研究和創新中心的科學家最近開發出一種可以檢測早期乳癌的智能胸罩。國內對智能服裝的開發研究最早源于20世紀70年代末，當時電子技術還較落后，所以智能服裝的發展也十分緩慢，主要應用在航空航天等特殊行業領域。

智能胸帶采集人體生理參數的發展很有潛力，主要有以下幾個方向：

(1)利用因特網和先進傳感器技術，使遠程醫療更加普及。

(2)醫療儀器的二次開發，使舊儀器可直接利用計算機網絡進行人體生理參數的監護。

(3)利用先進技術，提高人體生理參數數據采集的準確性。

(4)開發便攜式多通道生物遙測系統。

(5)實現人體生理參數實時采集和無線傳輸及監護。

3 智能胸帶的研發

隨著科學技術的發展，服裝專業和其他學科的交叉與滲透以及生物醫學學科的進步，面向智能胸帶的人體各項生理參數采集以及無線傳輸儀器將會有一個新的發展。

傳統的有線傳輸方式嚴重影響日常的起居生活，難以做到隨時隨地監測，智能胸帶的可移動性使用戶能夠在自由運動中使用，并具有可再編程能力、無線通信能力、操作和交互的連續性等特性，并且整個計算機同使用者融為一體，可以隨著穿戴者任意移動。智能胸帶的研發是服裝功能性與舒適性的一個分支，是以智能胸帶的硬件系統為基礎，通過軟件編程進行硬件操作，實現即時的人體的生理參數即心率、壓力、溫度和濕度的采集，并且采用無線傳輸的方式把測量到的數據傳輸到顯示設備或者計算機中，另外實現可視化功能，后臺的數據庫可以實現數據的即時查看與存儲。

3.1 傳感器的選擇

在傳統的模擬信號無線傳輸采集系統中，需要很好地解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監控現場的電磁環境惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在采集系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，考慮系統的經濟性和傳感器的優缺點及發展狀況，確定溫度傳感器采用數字式，壓力、濕度傳感器采用電壓集成式。

3.2?無線射頻芯片的確定

通過對單片機的工作原理及其接口技術的了解與掌握，通過對市面上的無線射頻模塊的研究選擇一個適合的芯片，即具備：無線收發器；內含8051控制器及A／D轉化功能；可在低電壓下工作；內有電壓調節器；所需外圍器件很少；設計簡單。具備以上功能的射頻收發芯片nRF24E1即可作為參數采集硬件系統的主要芯片。

3.3 胸帶的研究

由于是面向智能胸帶的參數采集系統，所以對于胸帶的材料和款式進行相應的研究可以使此系統的開發避免因胸帶的原因而無法正常運行，對于醫用或者運動專用等功能的智能胸帶，在胸帶的款式及材料的設計上需要更加簡潔，尤其在款式上進行研究使其具備易穿戴的、不同于傳統胸帶的功能，并且使款式、材料及軟硬件系統進行很好的結合，使之成為一體最終達到人機合一的狀態。

3.4?參數采集及無線傳輸的技術實現

根據針對單片機程序開發的各個軟件的優缺點，根據主要器件的各引腳說明，進行程序編寫以控制端口，實現通過傳感器的人體參數采集(采用μVision 2編譯器)。然后，根據編寫程序實現數據無線傳輸，并且由顯示器顯示。

射頻連接必須能夠保證雙向都為64 Kb／s數據速率，并且要求這個連接是全雙工的，即兩個收發器能同時工作。由于ShockBurst特性，所有與協議相關的操作都由硬件來處理。雖然nRF24E1使用的是低速的8051微控制器，但無線傳輸速度可達到1 Mb／s。在初始化配置后，nRF24E1就可對射頻收發器進行控制。主從收發器在進行數據傳送之前必須先同步化，RF使用的數據包可定為248 b(8 b引導信號+16 b CRC+32 b地址+24 B有用數據)，因此，每個數據包含有24個采樣信號。為了達到實時要求，必須3 ms發送一次。

射頻天線設計為：將天線布在板厚1.6 mm，材質FR4的印制板上，采用1／4波長單極天線。FR4板材在2.4 GHz時電介質常數為4.4，單極天線的寬度W=1.5 mm，在這些參數給定的情況下，計算單極天線周圍物質的電介常數為3.16，從而可算出此條件下波長為6.89 cm，1／4波長即為1.72 cm。但將天線布在印制板上，為了使其在2.4 GHz更容易諧振，需將長度再加長5 mm。最后，其天線在印制板上形狀就像一線長22 mm，線寬1.5 mm的導線。

3.5?系統的開發

運用可視化語言開發，建立人機交互界面。其中可視化環境具備接口技術，可以實現PC機與硬件系統的串行通信，而且可以與數據庫相連實現采集到的數據顯示、查詢、存儲及更新等功能。如圖1，圖2所示。



4 結語

由采集系統所得到的數據，在人們日常生活中能起到輔助作用，可以幫助醫護人員更好地掌握病人的身體狀況，也可用于幫助教練或保健師指導運動員制定合理訓練計劃，避免運動員訓練不合理；還可以幫助服裝設計師在設計時結合人體一些生理因素，更人性化、科學的設計服裝款式、選擇更適合人體的服裝材料。

21世紀是全球信息化的時代，可穿著的電子智能服裝無疑將代表未來功能性服裝發展的潮流。目前，我國在智能服裝的研究方面還剛剛起步，與發達國家相比還存在著差距，我們只有不斷開發新的功能性服裝產品，才能在世界智能服裝領域占有一席之地