嵌入式系统在智能服装中的应用.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 0 9 年1 月 北京服装学院学报 J o u r n a lo fB e i j i n gI n s t i t u t eo fC l o t h i n gT e c h n o l o g y V o I 2 9N o 1 J a n 2 0 0 9 嵌入式系统在智能服装中的应用 别 兵 南通纺织职业技术学院机电系 南通2 2 6 0 0 7 摘要 从改进服装功能的角度出发 针对一些功能服装在实用性方面的不足 提出了一种智能服 装的设计方案与实施方法 并将嵌入式系统及自动控制技术应用于服装制作中 穿着测试表明 此 款服装实现了自动保暖 调温和去湿功能 为有效提升服装功能的电子智能化水平提供了新途径 关键词 智能服装 嵌入式系统 气动自动化技术 实时操作系统 中图分类号 T P 2 7 3 5文献标志码 A文章编号 1 0 0 1 0 5 6 4 2 0 0 9 0 1 0 0 3 4 0 6 近年来 同时具有感知和反应双重功能的智能服装已逐渐走入人们的生活 1 J 这类日常 生活用智能服装的研发大多集中于服装面料或拓展服装外延功能方面 如无线通信 多媒体娱 乐等 而在加强和改进服装自身保健功能方面还开展得较少 例如 长期从事户外工作的人 员往往希望能在着装轻便舒适和不增减衣物的前提下 根据外界环境温度变化及人体出汗情 况 由服装自动实现保暖 调温和排汗去湿功能 本文提出了一种智能服装的设计方案与实施 方法 将嵌入式系统及自动控制技术应用于可同时实现自动保暖 调温 去湿及心率测量功能 的智能服装中 不仅拓展了嵌入式系统的应用领域 而且进一步提升了智能服装的性能水平 智能服装的结构与功能 智能服装采用空气作为保温和去湿介质 虽然目前有些 充气防寒服 2J 也是利用空气作 为保温介质 但只是穿着轻便以及具有保暖效果 无法实现自动调节保暖性能的要求 同时由 于采用了气密性的服装面料 服装的透气性表现极差 当人体出汗时 无法及时通过服装排汗 去湿 不仅穿着不舒适 还会严重影响人体正常的生理机能 使其实用性大大降低 1 1 总体结构 为了解决上述问题 本设计采用如图1 所示的 3 层空间 和 双通道气囊 的总体结构 3 层空间 是指外层 保温层 中间层 嵌入式系统控制层 和内层 排汗去湿层 双通道气囊 是指外层的密封通道气囊与内层的非密封通道气囊 本文通过气动自动化技术将具有一定压 力的空气合理引入内 外层 由外层气密性材料构成的气囊实现保温功能 由内层非气密性易 收稿日期 2 0 0 8 1 0 一2 3 基金项目 江苏省高校自然科学研究指导性计划项目 0 2 K J D 5 1 0 0 2 0 南通纺织职业技术学院自然科学基金项目 J 2 0 0 5 1 作者简介 孙兵 1 9 7 1 一 男 副教授 硕士 联系方式 E m a i l s b n t r e e e d u 万方数据 利美丽晚礼服晚礼服有限公司是一家集设计 生产 销售于一体的国际化标准服饰企业 经过多年 的经验积累以及产品开发的尝试 公司已经在设计 制作 生产 销售晚礼服 婚纱晚礼服婚纱晚礼服 夜总会服装 职业装 如酒店制服 空姐服 等专业性服饰方面 形成了独特的产品风格以 及扎实的研发实力 随着中国经济发展方式的转变 以内需为主导的经济模式将会给娱乐 服务等行业带来 迅猛的发展机会 因此早在 2005 年 公司已经对夜总会服饰 舞台服装 职业装等的设计 思路做了相应的调整 目的就是通过市场渗透 不断的取得长足的发展 通过战略的转变 利美丽礼服批发礼服批发 晚礼服批发晚礼服批发在国内的市场份额由 2005 的不到 1 上升到 2006 年的 3 并在业内和客户中间树立了 利美丽 品牌良好的口碑 2007 年 利美丽在全国 16 个重要城市和地区成立了代销或者分销渠道 并且已经在欧 美 东南亚 非洲等地区打开了市场 而我们相信 随着我们实力的不断壮大 企业的发展 一定也会有着辉煌的明天 利美丽 将带给大家花儿般的美丽 晚礼服晚礼服 礼服批发 礼服批发 晚礼服批发 晚礼服批发 婚纱晚礼服 婚纱晚礼服 选礼服就进 第1 期孙兵 嵌入式系统在智能服装中的应用 3 5 吸湿致密面料构成的气囊实现排汗去湿功能 当人体出汗时 靠近人体的内层气囊面料吸收 汗液或蒸发的湿气 再由该气囊中流过的空气 将汗液湿气带走 并从气囊排气口排出 上述 功能的自动实现与调节均是通过位于中间层的 嵌入式系统以及相关的检测传感与执行元件来 进行的 智能服装在未充气时的厚度为5 1 0 m m 充气至气囊全部膨胀时厚度为3 5 4 5 图1 智能服装结构示意图 m r D 质量约为1 2k g 每层的质量各占约1 3 在智能服装的结构设计中 鉴于要充分考虑服装的服用性能 因此需从以下几方面着手保 证服装的卫生保健性 合体性 适用性和耐久性 1 外层气囊由无毒高分子薄膜材料制成的条 状气柱形密封袋构成 各气囊间用气管接头相连 确保了外层的柔软性 抗折性和耐用性 2 合 理安排外层气囊位置 确保既有利于保温 又不影响躯体活动 在胸部 腹部和背部放置较多的 平行气囊 在手臂处放置一定的环形气囊 在肘部和领口处不放置气囊 领口采用小开口结构 3 中间层的电子元器件用厚实的服装材料固定于不易受压且不影响活动的胸腹部 既受外层 保护 又因内层的垫护作用不致使人体有明显的异物压迫感 4 内层气囊布局与外层基本相 同 但采用整体面料缝制而成的气囊结构 没有较硬的气管接头 确保了穿着的合体性与舒适 性 5 服装中的3 层均为可脱卸结构 便于对服装进行保养 外层气囊部分与中间层不需洗涤 只需定期清洗外层包覆部分以及内层即可 由于服装的透气性由内层功能保证 因此外层包 覆部分可采用防水布制作 从而使服装具有较强的防雨性 1 2 气动系统 智能服装的内 外层气动系统如图2 所示 微型充气泵对内 外层气囊充气的切换由单电 控2 位3 通电磁阀控制 内层气囊中充入的空 气大部分从袖口处的排气口排出 小部分从非 密闭材料的气道中漏出 外层气囊进气口处的 单向截止阀一方面使进气通畅 另一方面确保 在不充气时 已充入的空气不会从进气口排出 而外层气囊的放气则由单电控2 位2 通电磁阀 进行控制 位于中间层的嵌入式系统控制微型 充气泵的充气流量大小以及各个电磁阀的得电 三三虱 内层气囊 单电控2 位3 恒阀 微型充气泵 图2 智能服装气动回路图 顺序 从而可以根据用户需要及外界环境状况对外层气囊的保温效果以及内层气囊的排汗去 湿效果进行自动控制 2 智能服装嵌人式系统体系结构 图3 所示的智能服装嵌入式系统是一个分层的体系结构 由嵌入式硬件体系 硬件层 和 万方数据 3 6 北京服装学院学报 自然科学版 嵌入式软件体系 驱动层 O S 层 功能层 组成 硬件层以微控制器S P C E 0 6 1 A 为核心 通过其 外围的输入 输出接口与被控对象的检测传感 及执行元件相连接 O S 层采用专门为微控制 器设计的抢占式实时多任务操作系统 C o S 其内核主要提供进程管理 时间管理 内存 管理等服务 系统最多支持5 6 个任务 每个任 务均有1 个独有的优先级 3 驱动层是 C O S I I 实时内核和硬件之间的接口 是连接底 层硬件和内核的纽带 功能层由基于v C l O S 开发的应用程序组成 用多个并行的任务来 实现对被控对象的控制功能 3 嵌人式系统硬件设计 功能层 O S 层 驱动层 应用程序 l 实时多任务操作系统m C O S I I 设备驱动程序f I 硬件层 开关量输f H 假径利器 数字量输入 亡 S P C E 0 6 I A 语音输出语音输入 j r 微型充气泵直流电机微型麦克风 2 位3 通电磁阀 外界温度传感器 2 位2 通电磁阀 智 能 人体脉博传感器 L 耳机 喇叭 服 人体汗湿度f 0 感器 L C D 显示器 装 外层气囊气压传感器 L E D 指示灯 键盘 安钮 图4 为智能服装嵌入式系统电路图 硬件 的核心为台湾凌阳科技推出的1 6 位微控制器 S P C E 0 6 1 A 该芯片采用S O C 设计 具有丰富的 片上系统资源 内嵌3 2K B 的F L A S HR O M 双1 6 位定时 计数器 1 4 个中断源 A D 和D A 转换单元 3 2 位可编程的多功能I o 端口等 部分 还具备语音处理功能 4 针对智能服装 进行控制的语音命令是通过微型麦克风从 M I C N 和M I C P 2 个引脚输入 系统的语音提示 则从专门的语音通道D A C l 输出 外界环境温度 人体汗液湿度以及外层气 囊气压的测量是智能服装气动系统自动运行的 基础 也是智能服装实现自动保暖 调温和去湿 功能的前提 在本系统中 温度采用D A L L A S 公司生产的一线式数字温度传感器D S l 8 8 2 0 进行测量 它与微控制器间只需一个端口引脚 便能进行双向通信 由于S P C E 0 6 1 A 的I o 端 口在工作前必须设置为输入或输出 为了避免 单线输入 输出操作频繁修改端口的输入 输出 属性 将I O B l 4 设定为输出口 用于向 D S l 8 8 2 0 发出温度转换命令 将I O B l 5 设定为 图3 嵌人式系统结构框图 s P 黢K E R 目 G 器隧 l O B l 5 D A C l 丧各拶 鱼婴b 世bI O B l 4 醚 拶群筐 I O B l 3 刚J I O B 1 2 I O B 8 竽 J R 9 钙 I B I O B l 0 I B 9 1 0 8 8 I O A 7糯 L 十 I N I C N C P R 7 一 c 7 1 R 3 R 4 I O B l噤 广1 L oV C U l L 可 I O B OL 1 甾坚 6 U T l i D C t t I O A 6I O B 7 O B 6E P O B 5脚 r n A O S P L C 5 0 l U 廿斗 1 0 A 1 5 麟 I O A 5I O A l 4 U I j I O A D 3 I O Au D 2 I O B 2 I O A 9 D l I o A 8 D O 图4 嵌人式系统电路图 上拉输入口 用于从D S l 8 8 2 0 接收检测到的温度数据 湿度传感器采用霍尼韦尔公司的集成 电路测湿传感器H I H 一4 0 0 0 0 0 1 具有低功率和高精度的特点 S P C E 0 6 1 A 根据湿度传感器输 万方数据 第1 期孙兵 嵌入式系统在智能服装中的应用3 7 入的湿度数值通过控制微型充气泵中的直流电机的输入电流来控制输出气流量 即改变I O B 8 端口的高低电平状态 使输出到直流电机两端的电压为方波形式的P W M 波形 改变方波的占 空比就能够实现对电机转速的调节 服装外层气囊气压采用S M C 公司的微型气压传感器 P S E 5 3 2 进行测量 输出电压为1 5v 从I O A 5 模拟量引脚输入控制器 S P C E 0 6 1 A 通过 I O B l 和I O A 7 端口对气动回路中2 个电磁换向阀进行控制 人体心率的测量采用红外光学检测法 将红外发光二极管产生的红外线照射到手指尖 利 用近红外单色光在一般人体组织中的穿透性比血液中大几十倍的原理 当血液流经手指尖时 透光率会随血管博动而变化 透过的红外光通过光敏电阻转换成脉搏波信号 再经滤波 放大 积分 比较后得到与脉搏相应的脉冲信号 便可作为中断信号输入S P C E 0 6 1 A 的I O B 2 端口进 行脉冲周期的计算 从而最终得出每分钟的脉搏次数 红外发光二极管和光敏电阻集中安装 于指夹中 指夹可收放在袖口处 液晶显示部分采用凌阳科技的S P L C 5 0 1 液晶显示模组 安装于服装上衣内袋位置 对液 晶模组的操作主要通过8 个数据端口和4 个控制端口引出 其显示格式为1 2 8 6 4 点阵 显示 内容为智能服装的工作状态 菜单条目选择以及各传感器的检测值等信息 为了尽量降低智能服装嵌入式系统的功耗 本系统利用S P C E 0 6 1 A 提供的可由软件控制 的省电工作模式 在无用户操作和执行机构工作的情况下耗电量仅为2 弘A 3 6V 通过对P S y s t e m C l o c k 7 0 1 3 H 单元的读 写操作可以实现系统工作状态的转变 4 嵌人式系统的软件设计 4 1 p C O S 在S P C E 0 6 1 A 上的移植 智能服装嵌入式控制系统的应用软件以移植到S P C E 0 6 1 A 后的肛C O S 为操作平台对 整个系统资源进行管理 并对系统中的各个任务进行调度 在S P C E 0 6 1 A 上移植肚c O S 一 的 主要工作就是编写操作系统中的汇编文件 O S C P U A A S M 和处理器相关C 文件 O S C P U H O S C P U C C 这些文件是与芯片的硬件特性有关的 它们主要提供任务切换和 系统时钟的功能 其中 任务切换涉及到S P C E 0 6 1 A 中的通用寄存器R 1 R 5 状态寄存器S R 和程序计数器P C 共7 个C P U 内部寄存器的压栈保存与恢复 系统时钟则根据弘c O S 对系 统时钟节拍1 0 1 0 0H z 的要求 采用S P C E 0 6 1 A 的频选信号T M B 2 作为中断源 I R Q 6 一 T M B 2 由硬件定时器产生1 2 8H z 中断来实现 4 2 主程序设计 根据智能服装的控制要求 以o c o s I I 为核心的软件系统主程序共设置了5 个工作任 务 1 系统主任务 智能服装中实现各主要功能所需的控制程序包含在主任务中 2 数据采集 任务 通过S P C E 0 6 1 A 的模拟量及开关量输入通道采集相应的传感器信息 并将读取到的数 据进行比较和存贮操作 3 液晶屏显示任务 主要执行显示和刷新操作 定时将二级缓冲区中 的内容放入到一级缓冲区内 液晶屏在显示时采用1 个列表框作为主菜单 4 按键扫描任务 系统各共设置了 向上 向下 加1 减1 确定 取消 6 个按键 5 语音识别任务 识别用户发出 的语音命令类型 上述各任务独立编程 通过任务间的通信和同步机制来保证任务之间的协 调 通信和同步用到的系统服务有信号量和消息邮箱 信号量用于控制共享资源的使用权及 万方数据 北京服装学院学报 自然科学版 2 0 0 9 钜 激发其他任务的产生 消息邮箱用于通知任务的产生 系统主任务流程如图5 所示 首先对充气泵电机 电磁阀 L C D 界面等相关控制参数进行 初始化 在系统启动的时候通过C r e a t e L i s t C t r l 函数创建1 个列表框作为系统的选项菜单 添 加若干字符串到列表框中作为功能菜单 包括 设定参数 时间显示 串口通信 检测值显示 手 动控制等 通过按键可以上下选择菜单功能 同时通过C r e a t e T e x t C t r l 函数创建2 个文本框 其中1 个作为系统的状态提示 另1 个用来显示系统时间 然后便进入消息循环中 通过 W a i t M e s s a g e 函数等待消息 收到某一消息后再通过判断消息结构中M e s s a g e 的成员来判断消 息类型 从而分别响应相应的数据采集消息 按键消息 语音消息或列表框选择改变消息等 系统初始化 创建列表框 文本框等系统控件 创建系统时钟 卷鞴隘 必H 蜜 叫卷絮端燃奖篇鼎 t Y 赢荔汾 据采集消息 i N 7 消息类型为 按键消息 消息类型为 语音消息 Y Y r 1 互里 堡土 H 巫 Yl 判断按键lH 立塑壁主 1 鱼全鲞型几 f 萧 瓜习H 而 一矧匾 糯I 冉巫乎 三K 圃孙 黎鬈囊翥H 1 1 西研 命令类型lr 1 丛堡 竺r 一癣 淤 删除消息 释放资源 数据存贮 比较与处理 C L D 硅示上移列表框亮度条 L C D 艟示F 移列表框亮度条 对应项 j 数值减1 对心项日值加1 根据列表框亮度条状态执行相应的功能 返 1 菜单上一级状态 切换2 位3 通阀至外层 启动充气泵1 个定时时 H J 图5 系统主任务流程图 智能服装调节保暖效果和排汗去湿功能的实现是通过调节服装外层气囊气压以及内层气 囊的湿度来分别进行的 由于不同人体对服装保暖效果和湿度的舒适感认同度不一 难以统 一标准 因此在控制上采用 自动控制 和 语音控制 2 种方式 通过相应的选择开关确定 在 自动控制 方式下 对气压和湿度的要求不是一个定值 而是一个范围 因此采用B a n g B a n g 控制算法 B a n g B a n g 控制是一种时间最优控制 5 即 如果设定上 下2 个极限值为控制区 令 万方数据 利美丽晚礼服晚礼服有限公司是一家集设计 生产 销售于一体的国际化标准服饰企业 经过多年 的经验积累以及产品开发的尝试 公司已经在设计 制作 生产 销售晚礼服 婚纱晚礼服婚纱晚礼服 夜总会服装 职业装 如酒店制服 空姐服 等专业性服饰方面 形成了独特的产品风格以 及扎实的研发实力 随着中国经济发展方式的转变 以内需为主导的经济模式将会给娱乐 服务等行业带来 迅猛的发展机会 因此早在 2005 年 公司已经对夜总会服饰 舞台服装 职业装等的设计 思路做了相应的调整 目的就是通过市场渗透 不断的取得长足的发展 通过战略的转变 利美丽礼服批发礼服批发 晚礼服批发晚礼服批发在国内的市场份额由 2005 的不到 1 上升到 2006 年的 3 并在业内和客户中间树立了 利美丽 品牌良好的口碑 2007 年 利美丽在全国 16 个重要城市和地区成立了代销或者分销渠道 并且已经在欧 美 东南亚 非洲等地区打开了市场 而我们相信 随着我们实力的不断壮大 企业的发展 一定也会有着辉煌的明天 利美丽 将带给大家花儿般的美丽 晚礼服晚礼服 礼服批发 礼服批发 晚礼服批发 晚礼服批发 婚纱晚礼服 婚纱晚礼服 选礼服就进 第1 期孙兵 嵌入式系统在智能服装中的应用3 9 域 则被控制量在设定的2 个极限控制值之间以最短时间进行来回转换 使输出值以一定的精 度稳定在设定值范围内 本设计中需要气压控制设置点P H I G H 和P L O W 以及湿度控制设置 点H H I G H 和H L O W 至于充气泵是对外层气囊充气 调节气压 还是对内层气囊充气 调节 湿度 则由2 位3 通电磁换向阀进行切换 在 语音控制 方式下 通过语音识别任务可确定 充气 放气 等命令以实现对充气泵电机的定时控制和变速控制 这时对外层气囊气压以 及内层气囊湿度的控制完全由用户根据自身感受进行调节 为了避免调节过度 每个语音命令 对应的充气泵工作时间一般都控制在3 1 0S 定时时间也可通过按键修改 5 结论 嵌入式系统在智能服装中的应用研究是电子信息技术与服装设计的具体结合 它使服装 成为生活方式与高技术功能的交汇点 为未来服装的发展探索出一条新的道路 智能服装的 开发和实际穿着测试表明 当人体上身胸背部与服装内层间温度控制在3 2 左右 湿度控制 在5 0 左右 人体感觉舒适 同时 手臂活动自 如 人体立 行 坐 俯 仰等运动均不受限制 服 装的质量和体积 充气后 与同规格的羽绒服类似 穿着效果良好 在成本增加不大的前提下 可充分满足消费者穿着舒适 使用方便的需求 具有较好的市场前景 目前该智能服装及其嵌 入式系统应用技术已成功申请国家发明专利 专利申请号 2 0 0 8 1 0 1 2 3 9 8 0 9 和实用新型专利 专利申请号 2 0 0 8 2 0 0 3 6 5 9 9 4 参考文献 1 巩继贤 智能服装的现状及展望 J 现代纺织技术 2 0 0 4 1 2 1 4 7 2 何长武 充气防寒服 中国 0 2 2 0 4 8 1 9 7 P 2 0 0 3 0 1 0 1 3 J E A NJ u c o s I I 源码公开的实时操作系统 M 邵贝贝 译 北京 中国电力出版社 2 0 0 4 2 9 3 2 4 罗亚非 凌阳 1 6 位单片机应用基础 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 5 1 3 5 吴麒 自动控制原理 M 北京 清华大学出版社 1 9 9 2 8 7 9 4 A p p l i c a t i o no fE m b e d d e dS y s t e mt oS m a r tC l o t h i n g S U N B i n g D e p a r t m e n to fE l e c t r o m e c h a n i c a