（服装设计与工程专业论文）智能监护服设计与可靠性评价.pdf

l i l | | | l | l l l l l l l 00 1 1 1 l | l i l l l l l i l l y 18 2 9 5 5 9 智能服装是具有感知、反馈和响应功能的服装。从智能服装的组成结构可以把智能 服装分为智能纺织品和电子智能服装两类。本课题设计的智能监护服系统就属于电子智 能服装中的一种，是一个能够通过服装上安装的传感器采集人体的生理信息，并借助一 定的通讯手段将采集到的信息发送到个人计算机上，最后在计算机上对信息进行实时的 监视和处理，从而形成一个完整的监护服系统，实现对被监护人员( 比如婴幼儿、老人 等) 的远距离生理实时监护。 整个监护系统分为硬件和软件两个部分。硬件的作用是对生理信息进行采集和传 输，包括采集过程中的放大处理和传输过程中的转换处理等；软件的作用是对接收到的 信息进行监视、分析和处理( 比如储存、报警) 。 硬件主要是指监护服装原型和做为监护中心的计算机。服装原型是监护信息采集的 主要途径。根据需要监护生理信息的种类，可以将服装原型分为几个模块设计。在本课 题中暂时只设计了监护脉搏和体温两个生理参数，所以监护服原型只包含两个功能模 块。功能模块的设计思路是根据信号采集和传输的原理，通过安装在服装上的微型传感 器采集原始数据，再通过一定的手段原始数据进行放大、转换处理后传输到计算机监护 中心，完成硬件部分的工作。根据信息从服装传递到计算机中心的方式不同又可以分为 有线传递和无线传递两种，它们各有优劣，受时间和技术的限制，本课题采用有线传输 的方式将服装与计算机中心分隔开来，实现一定距离的实时监护。而作为监护中心的计 算机要求其硬件系统能够承受1 2 小时左右的持续运行和足够的内存以供监护软件流畅 地运行，这样才能保证监护工作的进行。 软件就是位于监护中心计算机内的监护程序，其具体功能就是对接收到的监护信息 进行显示、分析和处理。本课题根据自身的需要，在l a b v i e w 8 2 0 图形化编程平台上， 开发了一个能够实时显示接收到的脉搏和体温信息，并对信息进行简单分析，判断其是 否超过正常范围，最后将监护信息储存起来以供以后分析所用的程序。同时为了方便以 后的升级，还特意预留了添加其他模块的空间。 在完成整个系统的搭建后对系统的可靠性进行了一些列的评估实验，其中包括数据 的准确性评估、同步性评估和稳定性评估。通过对实验结果的分析，最终确定整个监护 服系统基本能够满足预期的监护要求，实现较长时间( 约1 2 小时) 内的实时生理信息 监护，为针对家庭式监护服设计提供了一定的参考基础。 关键词：智能服装，监护服原型，功能模块，监护程序，可靠性评估 t 、7 mp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ：s p h y g m u s 锄db o d yt e m p e r a t u r c ，s ot w o 氘m c t i o nm o d u l e s h a v eb e e nc o n t a i n e di i lt k sp r o t o t ) r p e d e s i 髓m o u g h to fm n c t i o nm o d u l eb 硒eo nm e o 巧o f s i g r l a l q u i r i n g 锄dt i 孤s f e r r i n g ，a r e rc a p 砌n go r i g i n a l ld a t at 1 1 r o u 曲m i c r o s e n s o r sf i x e di n g 锄e n t ，o r i g i l l a ld a t ac 锄b e 锄p l i f i e d ，c o n v e r t e d 粕d 帆l s m i n e dt 0c o m p u t e rb ys o m e m e 觚s ，t l l 胁s e c t i o n0 fh a r d w 乏鹏i sc o m p l e t e d t t 眦s m i t t i n gm o d ec 锄b ea d o p t e d 、i r e do r 晰r e l e s s 犹c o r d i n gt 0m e 觚su s e db e t 、】 r e 铋g 锄l e m 锄dc o m p u t e r t l l e yh a v e 陀s p e c t i v e a d v 锄t a g e s 觚ds h o n c o m i n g s ，c o n f i n e dt 0t i m e 觚dt e c h n i q u e ，晰r e dm e 锄h a v eb e e na d o p t e d f o rs e p a r a t i n gg 舭n e n t 锄dc o m p u t e rc e m e r t l l e nr e a l - t i m em o i l i t o r i i 玛c 肌b e l l i e v e da t m el o n g - 啪g e w h a t sm o r ei m p o n a n ti st l l ec o m p u t c rw i l i c hi su s e df o rm o i l i t o r i n gc e n t e r s h o u l dp o s s sp r e f e r a l ) l e h a r d 、恻r e 锄d 明o u g l ln e m ms t o 嘲e 锄db ea b l et 0w o r k c o n t i n u o u s l yf o rl2h o u 塔，i tt l l eo i l l yw a yt 0 刚啪锄i t e em o i l i t o r i n gw o r kc a i lb ec 枷e do n 疵n t e 肌p t e d l y s o f h 昌i 陀m e 锄sm o i l i t o r i n gp r o g r a md e s i g n e di i lc e n 删c o m p u t e r i t sc o n c r e t ef u n c t i o n i sd i s p l a y i i l g ，删y z i n g 觚dm 锄a g i n gm o i l i t o r i n gr e c e i v c di i l f o n n a t i o n 0 | l l 廿l eb 舔i so ft l l i s p r o j e 鸭w eh a v ed e v e l o p e dap r o 彤啪枷c hc 锄s h o w 心址- t i i i l ei n f o n i l a t i o no fs p h y g m u s m l db o d yt e m p e m t u r e ，觚a l y z er e c e i v e di b m l a t i o nb r i e f l yf o rw h e t h e r t l l e yp 嬲sm en o n n a l m g e o rn 吡锄ds a v e 廿l e 辩d a t af o r 觚a l y z i i l gw o r ki n 如t u 陀，a l lo ft h i sw o r kh a v eb e e n c o m p l e t i e do nl 抽v i e l 8 2 0g 泖hp r o g r 锄珊曲gp l a t f o n n a tt l l es 锄et i m e ，s o m es p a c ef o r o t l l e rm o d u l e s 、! 1 1 i c h 、析l lb ea d d e di nf u t u r eh 嬲b e 朗o b l i g a t c ds p e c i a lf o ru p g r a ( i e w h e n ，h o l es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d s 0 m ee x p e 向e n _ t sh a v eb e 朗d e s i 印e df o r e s t 岫弛g 陀l ia _ b i l i 哆o fs y s t e m ，t l l e ya 托c u r a c ye v a l 删o ne x p e 血i l e n t s y n c l l l 0 i l i z a t i o n e v m u a t i o n 觚ds t a b i l i 妙e v 甜哑i o n t h u g h 锄a l y z i i l ge x p e r i m e n t a j 陀s u l t w e 啪c o i l c l u d e t l l a t m o i l i t o r i j l gg 锄e n ts y s t e m 啪s 舐s 匆e x p e c 砌t a 唱e tb 鹤i c a l l y 觚dc 姐m o n i t o r p h y s i o l o 舀c a li i l f o 衄a t i o nc o n t i n u o u s l yf o ral o n gt i n l e ( a _ b o u tl2h o u 璐) ，t h i sw o r kc a np m v i d e i i l 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 智能服装概述 1 2 智能服装研究现状 1 2 1 国外智能服装发展状况 1 2 2 国内智能服装研究近况5 1 3 智能服装发展趋势及其影响。5 1 4 课题研究意义7 1 5 课题研究目的、研究方法和内容7 第二章智能监护服原型构造9 2 1 原型功能模块设计。9 2 1 1 脉搏模块设计1 0 2 1 2 体温模块设计1 2 2 2 原型工艺设计1 5 2 3 本章小结1 6 第三章智能监护系统的搭建。1 7 3 1 传感器的选择安置和路线设计1 7 3 1 1 功能模块传感器的选择和安装1 7 3 1 2 信号输出路线设计2 0 3 2 数据传输方式和采集方式设计2 2 3 2 1 数据传输方式设计2 2 3 2 2 监护系统数据采集方式2 3 3 3 监护程序设计2 7 3 3 1l a b v i e w 简介2 7 3 3 2 监护程序前面板设计。3 0 3 3 3 监护程序框图设计。3 2 3 4 本章小结3 3 第四章监护系统可靠性评价3 5 4 1 监护系统可靠性能实验和统计3 5 4 1 1 脉搏、体温数据准确性评估实验3 5 4 1 2 脉搏、体温数据同步性评估实验3 6 4 1 3 脉搏、体温数据稳定性评估实验3 7 4 2 监护系统可靠性实验结果分析和讨论4 0 4 2 1 脉搏、体温准确性分析4 0 4 2 2 脉搏、体温同步性分析4 1 目录 4 2 - 3 脉搏、体温稳定性分析_ 4 3 4 3 监护系统可靠性评估与讨论4 3 4 4 本章小结4 4 五章结论与展望4 5 5 1 结论4 5 5 2 展望4 6 谢4 7 考文献4 8 录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 2 i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能服装概述 智能服装由来已久，最初主要应用与航空和军事等尖端领域，但这类的服装在当时 往往是当做一种设备或是工具，并不能算是真正商业意识上的智能服装。1 9 8 9 年，日本 的高木俊宜教授将信息科学融于材料物性和功能，首先提出智能材料的概念；而1 9 9 3 年的麻省理工学院媒体实验室的计算机可穿系统研究以及其引入的智能背心的概念真 正诠释了智能服装的含义i l 】。随着科技的发展使具有高附加值的高科技智能服装逐渐商 业化并成为服装工业的未来【2 j 。尽管智能服装真正的发展时间不长，但是在最近二十年 内已经出现了很多种类的智能服装，但是其对服装行业的智能化影响也越来越明显。 智能服装是模拟生命系统，能够感知外界环境或内部环境的变化，反馈搜集的信息， 并能动或被动地做出相应反映的服装p j 。在2 0 世纪8 0 年代，日本教授高木俊宜将信息 科学融于材料物性和功能而首先提出了智能材料的概念；之后随着科技的发展使具有高 附加值的高科技智能服装逐渐商业化；至2 l 世纪初以来，服装与电子信息、通讯控制 等行业紧密结合，产生了各式各样的智能服装；目前，智能服装的总体设计已比较成熟， 应用范围更为广泛，研究的角度也更偏向于服装方面，结合人体与服装的关系，使智能 服装能更好地适应穿着者，发挥更好的作用。 智能服装的种类繁多，根据智能服装的结构和组成材料可以把智能服装分为两类： 智能纺织品和电子智能服装。智能纺织品主要偏重于纺织品智能化设计，偏重于材料微 观结构的研究；电子智能服装主要研究服装与微电子、通讯控制行业技术的结合，偏重 于服装宏观集成技术。 而监护服是智能服装中的一种，早期的监控服装是将监护设备与服装机械地结合起 来，整个服装监护系统功能单一，通常只能监护一种参数，而且笨重不人性化【4 1 ；之后 改进的智能监护服能完成多参数同时监控并实现数据的远程传输，但对象主要是特殊病 人群体或者运动员群体【5 】，系统是基于特殊群体开发的，故成本比较高，更新周期短： 随着智能服装的商业化，基于普通消费者的智能服装定做必将成为主要趋势，所以目前 的智能服装设计需要解决的问题是缩短开发周期、促进设计方案多样化以满足不同的消 费者、同时引入舒适性因素完善智能服装设计。 智能监控服的应用对象主要是婴儿或者行动不便的老年人，他们不只是行动较正常 人有些不便，而且知觉方面也有些缺陷，所以需要随时监护其生理状况【6 】。本课题设计 的智能监护服采用体积较小，适合安装在服装上且对人体无害的微型传感器采集被监护 者的生理信号，通过特殊电路处理后将信号传递给位于普通计算机端的监护系统，监护 系统基于虚拟仪器而搭建，计算机监护软件对虚拟仪器接收到的信号进行分析处理，在 被监护者正常时保存生理参数信息，在有异常时发出警报通知监护人员，最后用实验评 估智能监护服系统的可靠性并进行一定的改进。整个系统结构简单，成本低廉；运用虚 拟仪器能通过软件添加各种模块，轻松实现多种功能，满足不同消费者的需求，使系统 江南大学硕士学位论文 更新周期变短；实现了多参数同时监护并通讯；如果条件允许，最后还可以考虑引入舒 适性的相关评估系统校正智能监护服设计，使监护服更人性化。 可 融 图l - l 用于北极的智能服装原型 f i g 1 - ls m a r tc l o t h i n gp r o t o t y p ef o rt h ea r c t i ce n v i r o n m e n t 1 2 智能服装研究现状 无论是智能纺织品还是电子智能服装，国外的研究进度都远远超过国内的发展程 度，但是随着国外研究的成熟，国内的发展趋势也愈发迅速，不论是材料还是服装技术 上都逐渐跟上国外的步伐，发展也越来越成熟。 1 2 1 国外智能服装发展状况 智能纺织品是将具有感知和反映功能的智能纤维与普通纤维交织或混纺，智能纤维 主要有光学纤维、导电纤维、形状记忆纤维、变色纤维、调温纤维等1 7 1 。智能纤维因其 独特的用途，在世界各国已经受到广大研究工作着的广泛重视，一些专家认为智能纺织 品和智能服装是纺织服装工业的未来。 智能控温织物。相变材料( p c m ) 在一定的温度范围内能通过其状态的改变来吸收 或放出潜在热，从而起到智能控温和保健的作用。相变材料有含水无机盐、长链碳氢化 2 第一苹绪论 合物、聚乙二醇、脂肪酸等，添加含碳纳米纤维可增强它们的导热性。添加相变材料的 方法主要有：微胶囊法、涂层、喷射模塑法、层压制法和泡沫制法等1 8 】。含相变材料织 物已经从以前的太空宇航服扩展到日常生活中的各个方面了，如运动服装、家居用品、 医疗和防护等方面。 抗浸透湿织物。此织物是将对水响应型高聚物如丙烯酸以纤维的形式织入布料中， 利用丙烯酸的超高吸水性并且溶胀成一种松弛的胶体而制成的。将这种织物设计制成救 生服，在平时具有良好的透气性，在水中时织物中的丙烯酸聚合纤维能吸水膨胀从而堵 塞纤维间的空隙，从而延缓海水向衣服内部渗透，减少热量散失。此外还有很多具有防 水透湿的高聚物如氯丁橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯等都可以通过涂层等方式添加到普通织 物上形成智能织物p j 。 形状记忆织物。形状记忆高聚物s m p 是对高分子材料进行分子组合和改性，使它 们在特定条件下被赋予特定的形态，平时表现的形态可以随外界环境而变化，而再次回 到特定条件又能相应地恢复其特定的记忆形态【l 们。热能、光能、电能和化学能等都可以 作为特定条件的诱因。其中意大利的毛罗塔利亚尼设计的一款名为“懒人衬衫”就是利 用“形状记忆 功能在气温偏高时袖子自动卷到肘部的【1 1 】。同时形状记忆织物也能运用 到防烫伤、自动窗帘等方面【l 到。 导电织物。在电气化时代，导电织物在智能服装的设计中起着至关重要的作用。导 电织物主要分为两大类：一种是把导电纱线与普通纱线进行混纺【1 3 】；另一种是通过涂层 的方法将电路直接涂在织物上1 1 4 1 。混纺的通常可洗涤性比较好，涂层法得到的导电纤维 具有良好的生物适应性，能够较好的满足人体对舒适性的要求。导电织物在探测变化和 传递信号方面起着重要作用，是智能服装的主要组成部分。 变色织物。变色织物通常运用微胶囊技术和涂层方式结合的方法将变色材料应用到 织物上【1 5 1 。按外界刺激因素分有光敏、热敏、压敏等变色材料：按材料相态分有固体、 液晶、液体溶液变色材料。变色材料应用到服装上能制成图样丰富的个性服装和织物， 通过对不同的变色范围和变色条件进行研究，能合成出在特定场合变特定颜色的服装， 在军事伪装服上有很大的应用潜力l l6 1 。 智能抗震防摔织物。英国皇家艺术学院毕业的理查德帕尔默发明了一种名叫d 3 0 智能分子，在普通形态下它跟其他分子没什么区别，当受到强烈冲击时就能像一张网一 样，吸收几乎全部的冲击能量【1 。7 1 ，从而起到保护人体的作用，对于运动员和老年人防摔 倒都有很大的帮助。 电子智能服装是指具有各种信息的收集和传递、储存和处理功能的一类新型服装。 随着人们需求的提高，电子智能服装也由原来的军事和航空领域向生活领域扩展，给人 们生活带来越来越多的便利。 智能监控服。在特殊场合和特殊情况下，智能监控服可以给医生和护理人员带来方 便。1 9 9 6 年美国海军资助g e o r g et e c hr e s e a r c h 公司和s e n s a t e x 公司研究的“智能医 护衬衫 ( 如图1 2 ) 【1 8 j 、美国加州生命衬衫公司研制的带6 只传感器的高科技监控衬 衫、美国g e o r g i a 理工学院研究的光纤传感器衬衣等都是通过各种电子器件组合成的智 3 江南大学硕士学位论文 能监控服装。而针对婴幼儿的监控服能2 4 小时监控婴幼儿的身体状况如e c g 、呼吸频 率等，以防出现意外情况( 如图1 3 ) 【1 9 】。此外还有用于定位的智能监控服和极地救生 服等。 图1 2 智能衬衫原型图 f i g 1 2p m t 咖eo f s m a ns h i n 1 3 智能监护带原型 f i g 1 - 3p r o t o t y p eb e l to fm ei n t e i l i g e n ts u i t 可穿电脑服( 如图1 4 ) 。现在的可穿计算机理念是通过数字化纤维编织法，把电脑 中的高度集成的微电子器件直接集成在纤维上，再与无线技术结合就可以使遥感界面加 入到可穿电脑中；采用柔性面料做可穿戴键盘( 如图1 5 ) ；采用“人眼调焦”和讲稿提 示板两项技术将指甲大小的透明液晶膜片制成显示屏放置在眼镜片上。此外研究人员还 把电话、手机、m p 3 等数码装备结合各种传感器与服装合为一体，使人们无论何时都能 畅通交流，休闲娱乐。 图1 4 可穿电脑服图1 - 5 柔性键盘 f i g 1 - 4c 1 0 t l i i n gw i t l lc o m p u t 盯f i g 1 5f l e x i b i ek e y p a d 电子感应衬衫。澳大利亚科学工业研究组织研究了一件智能感应衬衫能感应穿着者 的动作并把动作转化为音乐输出。穿上这种衬衫，只要做出弹吉他的动作就能弹出动听 的音乐，甚至不会弹的人也能通过这种衬衫学着规范自己的动作从而弹出悦耳的音乐 唧j 。同样原理，由c u t e c h u i t 公司制造的拥抱衬衫可以把动作通过衬衫到手机，再从手 机到手机，最后传到其他衬衫上，从而实现情侣的远程“拥抱 。 4 第一章绪论 个性电子时装。电子时装也能变色( 如图1 6 ) 、 能传递各种信息。通过微型电路可以实现各种信息 的传递，如将电路设计在新婚礼服上，在新郎和新 娘接吻的时候衣服背面就自动显示出心形图案和 “l o v ey o u 字样等。l e a l lb u e c h l e y 是d i y 电子服 装方面专家，其自己设计的各种模块能实现很多电 路转换【2 1 1 。 1 2 2 国内智能服装研究近况 ( 1 ) 基于智能纤维或智能织物的研究。早期的 智能服装研究都是着眼于服装部件或者面料的智能 化方面，从科学的角度去改善纤维或者织物的性能， 从而直接或者间接的赋予服装以特殊的智能功能， 图1 6 发光智能服装 f i g 1 6l u m i n e s c e n ts m a r tc l o t h i n g 实现一些特殊的目的。如智能抗浸透湿织物、形状记忆织物、变色织物、智能抗震防摔 织物以及各种导电纤维和织物等瞄】，其中香港理工大学的陶肖明对智能纤维的研究有独 到的见解；智能织物则通常与各种电子器件联系起来，构成了具有特殊控制功能的织物。 ( 2 ) 基于服装本身设计成的智能服装，这类服装主要是电子智能服装，它凭借其 他技术诸如电子技术、传感技术和通讯技术的发展而得到的器件微小化、柔性化、超人 性的连接技术等，并将它们应用到服装上来，从而形成新型的电子智能服装【2 3 1 。随着研 究的深入，整体意义上的智能服装技术越来越成熟，经历了从单一功能到多种功能的发 展历程，设计也更趋向人性化，考虑到人的生理特性，结合人体工程学，对智能服装的 舒适性和其他性能改善也逐渐被纳入考虑范围，从而研发的智能服装体系对于照顾有身 体缺陷或者病人有了很大的帮助，如可测心率智能服装；同时产生的其他智能服装也能 方便正常人们的日常生活，如将移动电话、m p 3 等日常生活中的数码装备与服装结合产 生的智能服装掣2 4 1 。这些服装体系通常是都结合了服装跟传感技术、电子信息技术和通 讯控制技术等，将各种生物传感器与服装有机结合，运用多种信息传递技术和通讯控制 技术实现多种智能功能，并广泛应用到了休闲娱乐、军事、医疗等领域【2 5 1 。但总体来说 这类服装的成本都比较高，相对普通市民的购买能力还是略显有些高【2 6 】，所以人们要求 降低智能服装单件成本，建立友好的人机交互界面，缩短更新周期，提高服装舒适性等 愿望越来越迫切。 1 3 智能服装发展趋势及其影响 尽管高附加值和多领域应用的智能服装在向更高市场进军的过程中障碍重重，但随 着总体趋势的发展，服装不只在选材上越来越趋向智能化、舒适化和最优化；在设计上， 也正朝着性能日益优化、功能多样化、器件微型化、健康舒适化、价格低廉化等方向发 展；而工艺上也越来越智能化，最优化，完美表达服装作为人的“第二皮肤 的特征。 ( 1 ) 材料发展趋势 服装与各学科的交叉，产生了新的研究方法，也产生了许多新的纤维，新的织物。 5 江南大学硕士学位论文 在科技高度发展的未来，材料研究占研究总体的比例会越来越高，通过研究先进材料来 拓宽智能服装的研究领域也将成为研究的主要手段，促进材料研究向智能化、舒适化、 最优化方向发展。 ( 2 ) 设计趋势 计算机和网络的普及，使数字化技术以其锐不可挡之势席卷了各个领域，也为服装 工业的发展提供了新的机遇。智能服装的出现和发展使服装的设计也会趋向功能的多样 化，更多地方便人们在数码时代的生活，最优化各种数字资源；而在技术日益成熟的同 时，服装的舒适健康、降低成本以及洗涤性研究也越发显得重要，成为影响服装设计的 重要因素。总之，在科技高度发展的未来，智能的概念深入人心，体现在服装上就是让 服装更智能地和人结合成一体，提高科技世界的生活品质。 ( 3 ) 工艺趋势 智能服装带给人们生活诸多的方便，智能的概念延伸到服装的各个方面，在服装工 艺上就体现了各个工艺流程的智能化设计和资源的最优化统筹。在电气高度自动化的今 天，人们追求的不仅仅是效益，还有智能化管理，各种智能吊挂系统、智能c a d 设计 系统都只是工艺中的一小部分【2 7 1 ，随着研究的深入，更多的智能工艺设计会出现并应用 到生产实践中，更大的节约和有效利用资源。 1 9 7 争1 9 明l 9 - 1 9 1 9 一1 9 孵l 9 - 2 0 2 4 2 啷 年段 图l - 7 国内服装智能化研究趋势图 f i g 1 77 i i n dc h a no fd o m e s t i cg 蜀帅e n tf o ri n t e l l i g e n t i z e 总之，智能化与服装工业的关系越来越密切，从图1 7 中可以看出，国内对服装工 业智能化的研究越来越火热，文献总量迅速增长，特别是对智能化与设计的研究，和工 艺和材料相比位居首位。在随着各个学科交叉研究的发展，智能化促进了服装工业与其 他领域的融合，加快了自身的的发展，也扩展了智能化的领域。 6 第一苹绪论 1 4 课题研究意义 智能服装已成为影响服装设计的重要因素并成为新世纪服装发展的新潮流。随着人 们生活水平的不断提高，人们对服装的要求也越来越苛刻。服装作为人的“第二皮肤 ， 服装主要起着保护人体的作用，但是新世纪人们心中的服装不再仅仅是作为身体的防御 层，更希望能和人体融为一体，方便人们的各种活动，于是智能服装应运而生。监控服 装是智能服装中的一种，它指的是能监控穿着者的身体，监测其生理参数变化，并根据 变化做出相应的反应的服装。智能监控服应用范围非常广泛，特别是在医疗领域、运动 服装领域和用于特殊人群的监测服装领域。 随着智能服装向各服装领域的渗透，产生了各种各样的智能服装。在近2 0 年内， 研究人员们花了大量的精力和物力去研究监控服装的系统设计，由于针对的对象通常是 一个群体，系统的设计上也就偏向于整体设计，所以研究成果的价格一般也比较高；另 外它适合的对象也只是大多数，监测参数并不全适合于每个人，有些参数用不上，这也 无形中增加了成本；再者，面向群体研制的监控服装的技术更新周期一般很长，用户界 面也不能轻易改变，不能满足人们需求的不断变化。最后，为了能更好地体现服装作为 人的“第二皮肤 ，作为服装舒适性评价重要指标之一的智能服装压力舒适性也应该与 普通服装一样满足人们对服装压力的承受能力，但是目前对智能服装的舒适性，特别是 压力舒适性的研究还比较少。 1 5 课题研究目的、研究方法和内容 本课题的研究目的主要是搭建一个能起到实时监护功能的智能服装监护系统，并根 据稳定性评估结果完善系统，致力于从各个方面最大限度地降低智能监控服装的开发成 本；并以软件为主、硬件为辅，使得使用者能根据自己的需要灵活配置硬件，建立适合 不同人群的友好用户界面，同时也缩短了开发周期；最后根据自己搭建的系统探索监控 服装的设计与压力评估的联系，从而指导其他智能服装的设计。 为了达到以上目的，本课题采用资料检索、原型设计、平台搭建和试验分析等方法 逐步完成整个监护服系统的设计制作和完善。 ( 1 ) 资料检索。在文献数据库中检索近2 0 年内中外关于智能材料和智能服装的起 源、发展和设计方面的文章资料，了解智能服装的设计方式和原理，探索适合我国消费 者心理的要求的设计方式，为智能服装的设计做好准备； ( 2 ) 原型设计。根据检索的资料，结合研究目的，设计监护服的原型款式和结构， 并初步对模块的各个细节进行构思设计，为后面原型的制作和整个监护系统的搭建做好 准备； ( 3 ) 平台搭建。在完成监护服以及各种硬件准备完成后，根据课题的最终目标搭 建监护服系统平台，连接监护服硬件和监护软件，从而实现从信号采集到显示和分析等 操作，初步完成系统整体的设计制作； ( 4 ) 试验分析。实验是为了评估监护服系统的整体性能而设计的，对于本课题所 搭建的系统，主要考虑要评估系统的精确性、同步性和稳定性。基于各个性能指标设计 7 江南大学硕士学位论文 不同的实验能评估系统的性能，最后还可以根据实验结果来完善系统设计，提高系统的 整体性能。 此监护服系统包括两大部分：硬件和软件。 硬件包含各个监护功能模块、服装原型和采集卡等部件，即整个信号采集结构，功 能是实现各个生理参数信号的采集。本系统拟用脉搏模块和体温模块完成两个重要生理 参数的监护。 智能监控服装系统的搭建，即将p v d f 震动传感器、r 1 d 温度传感器安装在服装的 适当位置，利用n i 公司的多功能数据卡采集传感器上的数据，再用普通计算机接收数 据并利用l a b v i e w 软件对接收的数据进行分析和反馈，从而搭建一个能够监测体温和 心跳的监测系统。这个监控系统将传统的监控设备融合到服装中，从而设计出带监控功 能和反馈功能的智能服装，并在计算机上编制出合适的带友好人机界面的程序，这个程 序也是可以随人不同的需求而改变的，所以缩短了系统的更新周期； 智能服装原型的设计。考虑到要用p v d f 压力传感器来采集心跳信号，需要服装带 一定的弹性，所以采用弹性较好的内衣做为智能监控服装传感器的携带物。压力传感器 共两只，采用差分输入，l 温度传感器一只，内衣原型能将传感器较好地固定在合适 的测量位置，有利于数据的稳定采集； 数据的采集。用n i 公司的数据采集设备对经过放大电路放大过的压力信号进行数 据采集，并传输到计算机中，经l a b v i e w 软件识别并读取，通过软件编制的程序，将 数据进行一定的处理和分析，最后做出记录或者其他决定； 软件是对监护信息进行处理、分析并做出决定的程序。由于本课题使用n i 公司信 息采集设备，故程序也是使用与硬件设备配套的l a b v i e w 图形化编程平台编写的，用 以实现生理参数的读取、显示、分析信号值是否在正常值范围内、储存数据并在数据异 常时发出警报通知监护人员等功能。由于l a b v i e w 是一种基于“图型”方式的集成化 编程环境，将大多数繁冗的代码以图型和线条代替，使得程序编写简单，更易于理解、 操作和修改，界面友好，交流方便。 8 第二章智能监护服原型构造 第二章智能监护服原型构造 所谓原型，就是处于研发初期，结构功能还不完善的研究雏形。智能监护服的研究 也必须由原型起步，逐渐成熟至完善，而且，原型直接表现设计创作者的设计思路，直 观地体现各种设计意义和功能，原型的优劣也直接影响到后期研究的进程，所以原型构 造设计显得非常的重要。 监护服原型设计只是智能监护服系统设计的第一步，是对硬件功能模块及其依附工 艺的设计，主要任务是通过各种手段搭建能实现预期监护目的的功能模块并将这些模块 与服装载体合理结合、集成，最终实现可移动实时监护系统服装部分的硬件建设【2 引。 根据原型的构成，智能监护服的原型设计主要分为功能模块设计和工艺设计两大 块。 2 1 原型功能模块设计 功能模块是基于监护服装的预期目的而设计的。所以首先要对监护目标进行整体规 划，确定监护种类，监护范围，合适的监护参数等【2 9 1 ，并根据这些信息选择合适的监护 硬件设备，再根据硬件的情况设置合理的数据流通方式使之与软件沟通方便，从而建立 单个的特定功能模块，然后将各个功能模块合理的集成到特定的服装上。为了方便数据 传输同时节约成本，需先对数据流进行整合后，再传输到软件监护中心1 3 0 1 ，从而完成原 型功能模块的设计。 依据要测量的生理信号并结合特定的传感器而设计监护功能模块，通常包括心率或 脉搏模块、体温模块、呼吸频率模块、血压模块、卡路里消耗模块等【3 1 l ：但考虑到现有 实验条件和可实施性，本智能监护服主要监护穿着者的脉搏和体温，所以功能模块只有 两个，随着技术的成熟和条件的发展可以根据相同的原理添加更多的功能模块。 根据传感器集成化程度高低可以将其分为两类：一类是没有附带放大电路的传感 器，如本课题中的脉搏传感器，需要另外对传感器添加信号放大、转换等电路【3 2 1 ，因此 在搭建功能模块的时候就比较麻烦；另一类就是集成了外接电路或无需外接电路就能输 出明显信号的传感，如本课题中的温度传感器，这类传感器在设计功能模块时更为方便。 图2 1 功能模块数据流向图 f i g 2 - ld a t es t 他姗o fm n c t i o nm o d u l e s 9 江南大学硕士学位论文 2 1 1 脉搏模块设计 脉搏在临床诊断中占据重要地位。现代生理学和医学认为，脉搏是人的心血管功能 的直接反映，可通过观察和分析人体的脉搏特征来诊断心血管系统的活动规律，并且可 以根据脉搏提取心率信息，能反映主体很多生理信息，脉搏的变化也与很多疾病密切相 关。监护服对穿着者脉搏的监护，特别是对儿童、老年人和病人的监护，能及时地发现 其生理问题从而预防意外情况发生，而且储存的脉搏信息对被监护者以后的诊断也能提 供必要的依据。 但是脉搏是一个比较微弱的生理信号，而且随着人的年龄变化和情绪的变化波动范 围较大，使得脉搏模块中传感器的选择至关重要，同时对信号放大电路和噪声清除要求 也比较严格，需要对测量电路进行仔细的调试和改进。 测量脉搏的方法有多种，主要有利用测量胸部两边电位差变化电极测量法、压阻式 力传感器测量法、透射式光电效应测试法、压电式振动传感器测量法等【3 3 1 。 电极测量脉搏是通过两个电极搜集因心脏跳动而产生的两边胸膛皮肤电位差，同时 采用差分的方式对采集到的微电信号进行处理分析，从而提取出心率。此方法数据采集 方便，结合差分处理数据精度高；缺点是电极需紧贴皮肤，时间久了被测试者会感觉不 舒适，而且不方便运动，所以不适合用于监护服装。 压阻式力传感器是早期测脉搏的常用传感器，原理简单，方便安装盒集成，缺点是 精度不够，需紧贴人体才能进行数据采集；随着技术的成熟和新材料的出现，精度更高 的压阻式力传感器也随之产生，但是其需要一定压力才能采集数据的特点仍然容易让被 测者在长时间测量中产生不适感。 透射式光电效应测量脉搏是基于光照在一般人体组织中的穿透性比在血液中的大 几十倍，而随着心脏节律性的收缩和舒张，主动脉内的压力一升一降，从而引起血管壁 相应的出现一次次扩张和回缩的波动，透射式光电效应手指脉搏传感器就是从这些波动 中采集信号，进而提取脉搏信号的。此方法精度相对较高，结构简单，但是只能在手指 处采集信号，所以也不方便与服装结合。 压电式振动传感器是以特定电介质的压电效应为基础的典型有源传感器( 发电型传 感器) 。其中最常用的天然压电材料是石英晶体( s i 0 2 ) ，另外还有人造压电陶瓷，比如 钛酸钡、锆钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸钾等多晶体的压电性能也具有良好的压电性能。压 电式传感器是应用较广的一种传感器，而且特别适合于动态测量，绝大多数加速度传感 器都属压电式传感器；其主要缺点就是压电转换元件无静态输出，输出阻抗高，需高输 入阻抗的前置放大级作为阻抗与之匹配。 考虑到传感器要与服装结合，并且在运动中测量脉搏，压电式传感器与前面的几种 脉搏测量方法中的传感器相比具有明显的优势，所以需要根据压电材料特性选择合适的 压电传感器类型。良好的压电特性包括： ( 1 ) 较大的压电常数，即反应机械力与电转换的性能。 ( 2 ) 良好的机械性能：因为压电元件必须受力，所以高强度和高刚度可以帮助传 感器获得较宽的线性范围和较高的固有振动频率。 l o 第二章智能监护服原型构造 ( 3 ) 优良的电性能：较高的电阻率和较大的介电常数可以减弱外部分布电容的影 响和减小电荷泄露，并获得良好的低频特性。 ( 4 ) 时间稳定性，即长时间的压电特性保持不变。 ( 5 ) 良好的温度和湿度稳定性，较高的居里点( 即此温度时压电性能被破坏) ，可 以获得较宽的工作温度范围1 3 引。 随着研究的深入，并且考虑到对人体无侵害性、体积限制、灵敏度、与服装集成时 安置的特殊需求等因素。这里选用由聚偏氟乙烯( p v d f ) 压电薄膜制成的振动传感器， p v d f 压电薄膜被层压在很薄的聚酯基片上，结构简单，体积较小，容易安装，弹性好， 灵敏度高，频带宽等优点【3 5 1 ，能基本满足脉搏测量的条件。 脉搏模块由传感器、外接电路、电源、传输路线和信号采集卡组成。 传感器检测到的是微弱的振动信号，要经过外接电路放大和处理才能被识别。本系 统的外接电路如图2 2 所示： 图2 2 脉搏模块外接电路图 f i g 2 - 2e x t e m a ic i r c u i td i a g ；m mo fs p h y g m 邺m o d u l e 电路中的电源由锂电池供电，整个电路能将微弱的脉搏信号处理成较为明显的电压 信号，信号再通过导线传递到脉搏处理模块，经进一步转换后接入数据采集卡，传输到 电脑中的软件系统，由监护程序进行进一步的分析处理就能实现监护功能。 被提取出来的脉搏信号经导线传输到s c c 6 8 数据采集盒里。s c c 6 8 数据采集盒是 美国国家仪器公司开发的一种连接设备，将信号进一步的处理后传递进计算机。这款i o 接线盒可以传递信号到n i 公司开发的m 系列或e 系列数据采集设备，适用于各种台式 机测试系统。而且s c c 6 8 有6 8 个i 0 信号连线端子可以满足信号的各种采集方式，比 如多通道时通常采用差分输入等；一个通用电路试验板区域和多个外接和接地电源接线 端可供试验调试用；最核心的是盒内最多能同时进行4 个通道的数据采集，不同通道可 以采集同种的信号也可以采集不同种类的信号，其中种类有电压、温度、强力、电流、 电阻、频率等，所以可以通过变换数据采集模块来满足各种不同信号的采集。本课题只 需要电压模块和i 玎d 温度模块。 江南大学硕士学位论文 图2 3s c c 一6 8 数据采集盒 f i g 2 3s c c - 6 8c 雒ef o rd a t aa c q u i r i n g 接线盒采集到的信号首先需经数据总线整合，然后传输到计算机进行分析。由于本 测试系统的软件是建立在以虚拟仪器为主的l a b v i e w 图形化编程平台上的，所以计算 机必须安装l a b v i e w 软件，此软件对计算机的配置有一定的要求，一般会占硬盘空间 至少l g b 1 5 g b 左右，内存配置至少需5 1 2 m b 等等，在计算机普及的今天这些条件基 本都能很容易的满足，所以本测试系统有较广泛的硬件应用环境。 脉搏功能模块既能独立完成整个脉搏信号的提取，也可以与其他功能模块一起工 作，互不干扰地提取多个生理信号，并将信号集体传输到计算机分析中心进行分析处理， 从而为后面的软件监护程序做好数据准备。 2 1 2 体温模块设计 体温通常是指人体内部的温度，正常人腋下温度为3 的3 7 。体温在临床医学中是 一个极其重要的生理参数，恒定的体温是维持人体正常生命活动的重要条件之一，过高 或者过低的体温都会危及生命；并且很多疾病都伴随着体温的变化，所以临床上对病人 检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防都有重要意义。 鉴于体温对人体生理信息反映的快速性，不只是病人需要体温监护，儿童、老人等 特殊群体为防止突发情况，诸如夜间感冒、急性疾病突发等，因此也有监护体温的必要， 所以体温监护功能模块也是构成智能监护服的主要功能模块。 温度传感器的技术目前已经相当成熟，而用于监护体温的温度传感器也有很多种