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《运动及体温监测智能服装的硬件与软件系统设计》

内容来源:机械设计与制造工程      浏览次数:69      更新时间:2019-09-27

运动及体温监测智能服装的硬件与软件系统设计

 涛,沙建定,张 

(空军军医大学军事体育教研室,陕西 西安 710032)

作者简介:马涛(1985—),男,助教,硕士,主要从事体育教学与研究,matao-15@163.com.

摘要:针对当前运动及体温监测智能服装硬件与软件系统反应延时长、精准度低等问题,基于Blue-NRG对智能服装硬件和软件系统进行了设计。硬件以Blue-NRG低功率蓝牙作为信息处理和控制的核心。以采集到的数据信号为依据,作出相应告警提示。通过反馈控制处理外部信息,获得处理结果以控制智能终端。硬件采集的数据经蓝牙实时传输至手机终端,由软件系统对人体运动及体温信息进行分析,绘制体温等的变化曲线,实现智能服装监测结果的非表面显示。实验结果表明,设计的运动及体温监测智能服装系统反应延时短、能耗及假阳性率低。

关键词:运动;体温;监测;智能服装;硬件;软件

中图分类号:TS941.7   文献标识码:A   文章编号:2095-509X(2019)07-0062-05

 

    服装与人体间存在着密切关联,服装是人体和外界环境的第一层联系。随着传感网络和大数据等技术的迅猛发展及运动和人体健康监测需求的增加,服装与电子通讯技术相融合的意义越发明显[1-2]。运动与体温监测智能服装是最为直接、最具实时的监测工具,能够大规模采集和传输人体信息数据,为运动和人体健康监护中心提供大规模人体参量数据,具有非常广阔的发展前景。对人体的脉搏、心率等参数进行监测,不仅可以发现人体潜在疾病,还能够预防突发情况,如中风等。特别是对于身体处于亚健康状态的人群来讲,其意义更显重大。文献[3]通过对智能服装和交互技术的分析,提出了一种基于互动技术的智能服装设计方法,并运用人机交互技术、无线连接技术、嵌入式控制系统技术、高效能源技术,使用AVR单片机为微控制器、Android智能手机为上位机、大容量锂离子电池为能源以及蓝牙无线通信方式,设计出一款智能保暖服装,给用户提供了一个舒适的智能环境,使用户与智能服装进行交流时具有良好的体验。但采用该方法设计的智能服装在使用中系统反应耗时较长。文献[4]基于市场需求,结合具体功能和智能服装性能要求,针对人体体温、体表湿度以及运动状态,对运动及体温监测智能服装进行了研究和开发,但设计出的智能服装系统反应精准度较低。针对以上问题,本文基于Blue-NRG,对运动与体温监测智能服装硬件和软件进行了设计与构建。

1 运动及体温监测智能服装需求分析

在经济高速发展的当代,大众更加注重生活品质,高科技在大众生活中的作用越来越大。智能服装在此背景下产生并普及。运动及体温监测智能服装实际上是一种交互式服装,将电子通信技术融入服装,通过对人体体温、运动状况的监测,对人体亚健康状况进行有效预测。运动及体温监测智能服装能够预判人体潜在疾病,为人体健康安全提供有力保障,因此大众对运动及体温监测智能服装的需求越来越大。

 

2 运动及体温监测智能服装硬件与软件设计

运动及体温监测智能服装硬件和软件设计是服装智能化的重要环节。硬件在整个服装设计中起到的是信号采集以及通信等作用,软件主要作用是信号处理、控制智能服装运行和云存储等。

 

2.1 硬件设计

智能服装的硬件包括Blue-NRG、温湿度传感器、加速度传感器、显示器、告警指示模块、反馈控制模块、辅助通信及电源8个部分。智能服装硬件的设计不仅要满足运动及体温监测需求,还要保证低功耗和低成本。利用功耗低的Blue-NRG当作数据传送核心处理端[5-6],外围搭建以温湿度传感设备和加速度传感器组成的数据采集平台,采集的数据经显示器显示在智能服装表面,通过告警指示、反馈控制模块将运动情况及人体体温等数据控制在设定范围内。为了保证数据传输的完整性,增加了辅助通信模块。Blue-NRG低功率蓝牙以cortex-M0为处理器,其将传统中央处理模块和无线传输单元整合在同一芯片上。在智能服装硬件体系中,Blue-NRG的处理器用作数据的处理和信号的控制。Blue-NRG进行数据传输,并对采集到的信号和数据进行分析、处理、存储等操作,以及协调硬件各部分工作。Blue-NRG集收发器与强大的cortex-M0处理器的功能于一身,内部存有整个单模协议的功率优化堆栈。图2cortex-M0内部构造,因Blue-NRG中含有比较小的封装,功耗比较低,最关键的是其集成了蓝牙与处理端各种功能,非常适合应用在穿戴式装备领域。

 

2)温湿度传感器。

智能服装硬件中的温湿度传感器,其型号为SHT21,额定工作电压为3.3V,温度测量范围为-40℃~125℃,相对湿度RH的测量范围为0100%,工作能耗为3.2μW。传感器引脚较少,有4个,在满足系统运行需求的同时,还能够降低电路板设计与硬件焊接时的难度。

3)加速度传感器。

加速度传感器是LIS2DS12,该传感器的数据输出速率为05kHz,用户可经编程判断传输是否存在中断现象,并以此设计阈值与门限时间等参数。LIS2DS12中集成了32-level FIFO缓冲,允许用户存储采集到的数据,减少主机处理器带来的干扰。

 

4)显示器。

设计过程中考虑到数码管显示器在与人体接触时可能会引起不舒适等问题,选择了塑料光纤制作而成的柔性显示器,其为光纤和普通纱线交织构成的能够发光的织物。其中,光源是光纤端部LED,利用电路控制构成八段形式的显示器,实现柔性织物显示。当温度传感器等检测并收集到信息之后,经简单处理,传输至中央控制单元,使显示器按照原来的预定亮度将数据显示出来,形式为智能服装表面显示。

 

5)告警指示模块。

以采集到的数据和人体正常值对比判断人体异常与否,基于现场信号显示详细情况作出相应告警提示。本文设计的智能服装硬件模型中声光告警单元由5V的有源蜂鸣器与LED指示灯构成。智能服装不仅可以监测人体不同的生理信息,还具备串口通信等功能。为了有效提升系统运行实时性,还设置了两个LED指示灯,利用其实现指示功能,通过观察指示灯的状态即能了解系统实时运行状态。

 

6)反馈控制模块。

外部实时信息与智能终端的状态相关,对外部实时信息进行处理,并获得处理结果。将外部实时信息处理结果与前一次获取的外部信息处理结果进行比较,并生成对比结果,基于实时处理结果控制智能终端:若对比结果在第一阈值范围内,则控制智能终端反馈第一反馈信息;若对比结果不在第一阈值范围内,则控制智能终端反馈第一反馈信息以及控制指令。

 

7)辅助通信。

采集到的人体温度等信息,需要传输至计算机和中央处理器进行更深层次处理与分析。在该过程中,利用MAX232实现辅助通信。MAX232实质上为一种电压的转换芯片,可以实现电压之间的相互配准,以保证通信畅通。

 

8)电源设计。

为使智能服装系统各功能模块可以正常运行,需要综合考虑系统各电子元件所需电压存在的差异,为其提供多种输出电压,以满足系统运行的需要[7-8]。

基于系统软硬件设计需求,使用聚合物锂离子电池作为电源,其具有良好的安全性,厚度薄、质量小、容量大,自放电量小,型号为PL321030,额定工作电压为3.7V,标称容量为60mAh。

 

2.2 软件设计

智能服装软件主要依靠手机等移动端实施监测,故设计基于智能手机的智能服装监测软件系统。由于硬件系统具备数据采集和处理以及传输等多项功能,因此各项资源任务调度放在移动端予以解决,以降低智能服装系统运行能耗[9-10]。硬件采集的人体体温、运动步数等数据经蓝牙实时传输至手机终端,经监测软件处理后在手机终端绘制人体体温等数据变化曲线,实现蓝牙连通手机的智能服装非表面显示。

1)智能服装与手机监测平台设计与构建,主要是通过布局管理中心的Linear Layout(线性布局)以及Frame Layout(帧布局)实现使用者平台或界面设计。在该过程中,先采用Linear Layout描述线性布局情况,再将空间中组件逐个排列,Linear Layout能够在横向上对组件进行排列,也能够实现组件的纵向排列;再使用Frame Layout帧布局空间给各加入至内部的组件构建一个空白的区域,该区域也可称为帧,各子组件在空间中会占据一帧,上述所有帧会依据gravity属性完成自动对齐等相关操作。

2)监测事件相应处理。系统监测的目标对象在软件平台会开展不同类型的操作,不同动作会生成一个相对应的事件指令信号,该信号经蓝牙传输至手机端口,之后手机端会给出一个相对应的响应,基于不同用户对应操作处理相应的事件。

3)蓝牙通讯。蓝牙API作为功能调度的主要通讯手段,能够将采集的数据同步到手机终端,完成点对点通讯任务。

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