无线通信与智能胸带的设计方案

无线通信与智能胸带的设计方案  


随着科技的进步和生活水平的提高，服装除了保温功能外还应具有更多的功能，加之对个人健康和运动的日益重视，已经出现了许多各种各样的家用医疗监护产品和健身产品，虽然这些监护产品提高了人们的生活健康质量，但它们也存在着不足，例如：产品功能比较单一；不能进行连续长期监护，或需要用户的过多参与；不便随身携带或妨碍了人们的正常生活。如果能将一些监测人体的仪器中的传感器微型化、可穿戴化，通过贴身的服装或胸带并加以电子驱动、软件控制就可以采集人体各种生理信号，随时检测人体的生理状况，比如即时控制病情或者制定运动计划等。

由此而产生了智能胸带，而人体生理参数采集和无线传输系统属于生物遥测技术。所谓生物遥测，是指在一定距离内(几十到几百米，甚至更远)，通过有线或者无线的方法对生物体的生理参数如血压、血流和温度等数据进行采集和监护。

1 智能服装的概念及实现

智能服装的智能化功能主要是通过以下几种途径实现的：

(1)将具有感知和反应功能的智能纤维与普通纤维交织或将智能纤维编入普通纤维织物中，用这种含有智能纤维的面料做成智能服装；

(2)对普通纤维进行改性，使之具有智能纤维的性能，再以此种面料做成服装；

(3)将某些特殊物质用染整加工的方法结合到织物上，使普通织物具有智能特性，再做成服装；

(4)将普通服装与外加元件相结合，制成智能服装，这些外加元件包括普通元件和高技术传感器、检测器、报警器等。

因此，智能服装大体上分为两个范畴。一是对服装材料进行改良，通过化学、物理手段改变纺织材料的结构，使之具备普通材料所不具有的功能。另一个，可以简单理解为信息化的服装，即通过在服装中嵌入各种微小芯片、传感器等设备，使服装成为一个可穿戴计算机，它可以实时地与人体进行交互，接收穿着者发出的命令或测量人体本身的信息。

2 智能服装与胸带的应用及现状

作为注重健康的现代人，对自己身体健康的关注度越来越高，能方便、快捷的了解自己的生理状态则变得至关重要。因此，对于智能胸带人体生理采集和无线传输系统的设计和研究十分必要，具有重要的社会意义。智能服装的应用领域十分广阔，军工的需要，成为智能纺织品快速发展的一个主要原因。在民用方面，智能纺织品也有巨大的发展潜力，如多功能的运动服、实时检测人体生理指标的安全服等。可通过在病人身上安放多个传感器或其他医疗设备以检测病人的体征；在家中部署传感器网络，可以帮助老年人，特别是全球越来越多的60岁以上的老年人在家里得到更好的照顾，并帮助他们尽早检测出疾病。

目前在国外已研制出较为先进的智能胸带，新西兰Zephyr科技公司最近研制成功了一种生物智能胸带。只要人们把这种生物胸带戴在身上，它就会收集人体的心跳、体温、身体姿势、动作和呼吸速率等信息。英国波尔顿大学材料研究和创新中心的科学家最近开发出一种可以检测早期乳癌的智能胸罩。国内对智能服装的开发研究最早源于20世纪70年代末，当时电子技术还较落后，所以智能服装的发展也十分缓慢，主要应用在航空航天等特殊行业领域。

智能胸带采集人体生理参数的发展很有潜力，主要有以下几个方向：

(1)利用因特网和先进传感器技术，使远程医疗更加普及。

(2)医疗仪器的二次开发，使旧仪器可直接利用计算机网络进行人体生理参数的监护。

(3)利用先进技术，提高人体生理参数数据采集的准确性。

(4)开发便携式多通道生物遥测系统。

(5)实现人体生理参数实时采集和无线传输及监护。

3 智能胸带的研发

随着科学技术的发展，服装专业和其他学科的交叉与渗透以及生物医学学科的进步，面向智能胸带的人体各项生理参数采集以及无线传输仪器将会有一个新的发展。

传统的有线传输方式严重影响日常的起居生活，难以做到随时随地监测，智能胸带的可移动性使用户能够在自由运动中使用，并具有可再编程能力、无线通信能力、操作和交互的连续性等特性，并且整个计算机同使用者融为一体，可以随着穿戴者任意移动。智能胸带的研发是服装功能性与舒适性的一个分支，是以智能胸带的硬件系统为基础，通过软件编程进行硬件操作，实现即时的人体的生理参数即心率、压力、温度和湿度的采集，并且采用无线传输的方式把测量到的数据传输到显示设备或者计算机中，另外实现可视化功能，后台的数据库可以实现数据的即时查看与存储。

3.1 传感器的选择

在传统的模拟信号无线传输采集系统中，需要很好地解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在采集系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，考虑系统的经济性和传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式，压力、湿度传感器采用电压集成式。

3.2 无线射频芯片的确定

通过对单片机的工作原理及其接口技术的了解与掌握，通过对市面上的无线射频模块的研究选择一个适合的芯片，即具备：无线收发器；内含8051控制器及A／D转化功能；可在低电压下工作；内有电压调节器；所需外围器件很少；设计简单。具备以上功能的射频收发芯片nRF24E1即可作为参数采集硬件系统的主要芯片。

3.3 胸带的研究

由于是面向智能胸带的参数采集系统，所以对于胸带的材料和款式进行相应的研究可以使此系统的开发避免因胸带的原因而无法正常运行，对于医用或者运动专用等功能的智能胸带，在胸带的款式及材料的设计上需要更加简洁，尤其在款式上进行研究使其具备易穿戴的、不同于传统胸带的功能，并且使款式、材料及软硬件系统进行很好的结合，使之成为一体最终达到人机合一的状态。

3.4 参数采集及无线传输的技术实现

根据针对单片机程序开发的各个软件的优缺点，根据主要器件的各引脚说明，进行程序编写以控制端口，实现通过传感器的人体参数采集(采用μVision 2编译器)。然后，根据编写程序实现数据无线传输，并且由显示器显示。

射频连接必须能够保证双向都为64 Kb／s数据速率，并且要求这个连接是全双工的，即两个收发器能同时工作。由于ShockBurst特性，所有与协议相关的操作都由硬件来处理。虽然nRF24E1使用的是低速的8051微控制器，但无线传输速度可达到1 Mb／s。在初始化配置后，nRF24E1就可对射频收发器进行控制。主从收发器在进行数据传送之前必须先同步化，RF使用的数据包可定为248 b(8 b引导信号+16 b CRC+32 b地址+24 B有用数据)，因此，每个数据包含有24个采样信号。为了达到实时要求，必须3 ms发送一次。

射频天线设计为：将天线布在板厚1.6 mm，材质FR4的印制板上，采用1／4波长单极天线。FR4板材在2.4 GHz时电介质常数为4.4，单极天线的宽度W=1.5 mm，在这些参数给定的情况下，计算单极天线周围物质的电介常数为3.16，从而可算出此条件下波长为6.89 cm，1／4波长即为1.72 cm。但将天线布在印制板上，为了使其在2.4 GHz更容易谐振，需将长度再加长5 mm。最后，其天线在印制板上形状就像一线长22 mm，线宽1.5 mm的导线。

3.5 系统的开发

运用可视化语言开发，建立人机交互界面。其中可视化环境具备接口技术，可以实现PC机与硬件系统的串行通信，而且可以与数据库相连实现采集到的数据显示、查询、存储及更新等功能。如图1，图2所示。



4 结语

由采集系统所得到的数据，在人们日常生活中能起到辅助作用，可以帮助医护人员更好地掌握病人的身体状况，也可用于帮助教练或保健师指导运动员制定合理训练计划，避免运动员训练不合理；还可以帮助服装设计师在设计时结合人体一些生理因素，更人性化、科学的设计服装款式、选择更适合人体的服装材料。

21世纪是全球信息化的时代，可穿着的电子智能服装无疑将代表未来功能性服装发展的潮流。目前，我国在智能服装的研究方面还刚刚起步，与发达国家相比还存在着差距，我们只有不断开发新的功能性服装产品，才能在世界智能服装领域占有一席之地