智能服裝中無線射頻技術(shù)的應(yīng)用

徐 軍，郭 慧，王 婷

（1.西安工程大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，西安 710048；2.西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安 710048）

智能服裝中無線射頻技術(shù)的應(yīng)用

徐 軍1，郭 慧1，王 婷2

（1.西安工程大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，西安 710048；2.西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安 710048）

以無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1為核心，采用各種傳感器，應(yīng)用傳感技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)的采集與傳輸．將基于射頻芯片的人體參數(shù)的測量及短矩離無線傳輸應(yīng)用于服裝中，實(shí)現(xiàn)了智能服裝的設(shè)計(jì)，并闡述了無線收發(fā)芯片在服裝中的具體設(shè)置及系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)．

智能服裝；傳感器；無線射頻

許多專家認(rèn)為智能服裝的研究對于整個(gè)紡織產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)乃至全人類的傳統(tǒng)生活方式都將是一場巨大的變革，智能服裝是將來紡織服裝業(yè)的發(fā)展趨勢．面向智能服裝的各種參數(shù)采集及信息傳輸系統(tǒng)的開發(fā)研制在我國是一個(gè)嶄新的課題，對于我國科技事業(yè)的發(fā)展及服裝行業(yè)的騰飛具有深遠(yuǎn)的意義[1]．由于人體生理本身的復(fù)雜性，使得智能服裝成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它是傳感器、信號檢測、信號處理、智能材料、無線通信、嵌入式系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一體，尤其是在無線通信技術(shù)方面仍需要很大的提高.可穿戴計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，其功能不僅要能夠?qū)h(yuǎn)程信息進(jìn)行存取或與附近其他設(shè)備交流信息，而且要通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決移動中通信的問題[2-4]．現(xiàn)有的人體參數(shù)測量儀器多半都只能測量人體的某一種參數(shù)，而且一般使用有線的方式來傳輸數(shù)據(jù)，這些已經(jīng)無法再滿足人們的需求[5]．無線射頻技術(shù)較有線傳輸技術(shù)在成本、體積、內(nèi)耗、便利性和適應(yīng)性等方面都有明顯的優(yōu)勢.因此，本文在無線射頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種可以采集多種人體生理參數(shù)，并用無線射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ?/p>

1 核心芯片的選擇

本文核心芯片采用無線射頻芯片 nRF24E1. nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款單片2.4 GHz無線收發(fā)芯片，采用0.18 m CMOS技術(shù)制造，以增強(qiáng)型51為內(nèi)核，9路10 bitADC，采樣率可達(dá)100 kbit，具有125個(gè)頻道，傳輸速率可達(dá)1 Mbps，內(nèi)置CRC校驗(yàn)并支持多點(diǎn)通信.1.9～3.6 V低功耗工作，內(nèi)置電壓監(jiān)視和復(fù)位電路，多種省電模式可供選擇，待機(jī)電流僅為2 A.nRF24E1可廣泛應(yīng)用于無線水表、煤氣表、電表、無線數(shù)據(jù)采集裝置、無線身份識別智能卡、無線耳機(jī)、無線鼠標(biāo)、無線鍵盤、PDA手持終端等短距離無線通信場所[6].其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1.

nRF24E1內(nèi)部重要組成如下：

（1）nRF24E1的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM.上電復(fù)位或經(jīng)軟件初始化后，處理器自動加載ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼.

（2）SPI的3個(gè)口（SDI、SCK和SDO）與GPIO（DIN0、DIO0和DIO1）共同復(fù)用P1口的3個(gè)引腳（P1.0、P1.1、P1.2）.SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，通常用GPIO位（P0口）作為外部SPI設(shè)備的片選口[7].

（3）nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每10位48個(gè)CPU指令周期.A/D轉(zhuǎn)換器可在ARFE輸入和內(nèi)部1.22 V的帶隙參考之間進(jìn)行軟件選擇.轉(zhuǎn)換器的9個(gè)輸入可由軟件進(jìn)行選擇.

（4）nRF24E1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進(jìn)行通信，同單片射頻收發(fā)器nRF2401具有相同的功能.DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU.nRF24E1工作于全球開放的2.4～2.5 GHz頻段.收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成.發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5 mA，接收模式下為18 mA.為了節(jié)能，可通過軟件程序控制收發(fā)器的開/關(guān)[8].

2 基于射頻技術(shù)的智能服裝設(shè)計(jì)

本文以胸衣為例來闡述基于無線射頻技術(shù)的智能服裝設(shè)計(jì)方法.

2.1 款式設(shè)計(jì)

選料是款式設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié).由于測量生理參數(shù)時(shí)需要人體保持一定的體溫和濕度，因此所選擇材料首先要具備排汗速干性能，其次壓力參數(shù)的測量需要面料具備一定的彈性.基于上述要求，本文選擇采用了以純棉為內(nèi)層、95%棉與5%氨綸混紡的針織面料為外層的面料.

本文所設(shè)計(jì)胸衣的款式如圖2所示.圖2（a）為胸帶外層的后片，圖2（b）為胸帶外層的前片.肩部與右側(cè)縫的設(shè)計(jì)采用的是粘合式，不僅使得被采集者或者病患穿脫簡便，便于醫(yī)護(hù)人員的工作，而且可以隨著人體的肥胖度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免胸帶本身的松緊度過大而影響壓力參數(shù)的采集.同時(shí)在內(nèi)層的設(shè)計(jì)中設(shè)置有安置傳感器的小型口袋，從而保證傳感器的固定性與貼身性.

2.2 硬件裝置與服裝連接關(guān)系

服裝舒適性主要包括熱濕舒適性、觸感舒適性和壓力舒適性3個(gè)方面[9]，因此設(shè)計(jì)智能服裝時(shí)主要以壓力、溫度、濕度的參數(shù)及生理參數(shù)心率為主要采集數(shù)據(jù).其中壓力數(shù)據(jù)采集主要以人體受胸帶壓力較大的受力點(diǎn)為研究對象，并作為研究服裝壓力舒適性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).根據(jù)文獻(xiàn)顯示，女胸衣各部位壓力較大點(diǎn)為肩點(diǎn)、胸衣側(cè)縫處、脊柱后中線兩側(cè)[10].因此，采集系統(tǒng)的布置方案如下：壓力傳感器設(shè)置于人體受胸帶的壓力較大部位，即左肩部最高點(diǎn)、左腋下胸衣側(cè)縫、脊柱后中線左側(cè)最高點(diǎn)；溫度、濕度傳感器置于胸帶內(nèi)插墊片的空隙處；測心跳所用話筒置于左胸上部心臟位置且貼近皮膚，便于更好的接收心臟跳動所發(fā)出的聲音信號；參數(shù)采集模塊置于腰際處，以舒適、不影響人體運(yùn)動為原則；而數(shù)據(jù)上傳模塊則置于人體25 m范圍內(nèi)即可.

無線收發(fā)芯片nRF24E1能夠?qū)崿F(xiàn)在25 m內(nèi)的數(shù)據(jù)無線發(fā)送與收取，不僅解決了傳統(tǒng)參數(shù)采集系統(tǒng)有線的各種不便，而且更加微型化、智能化，易于實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)．

2.3 服裝中的硬件裝置設(shè)計(jì)

智能服裝中的硬件裝置主要由兩部分模塊實(shí)現(xiàn)：參數(shù)采集模塊及數(shù)據(jù)上傳模塊，其主要芯片均為nRF24E1．此外，參數(shù)采集模塊中還包括壓力、溫度、濕度傳感器及采集心跳的電路；數(shù)據(jù)上傳模塊還包括LED顯示、實(shí)現(xiàn)串口通信的芯片．具體如下：各個(gè)傳感器及采集電路將采集到的人體生理參數(shù)傳輸?shù)胶诵男酒?，?jīng)芯片的數(shù)據(jù)處理后，通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)搅硗庖粔K射頻芯片nRF24E1上，通過其處理進(jìn)行顯示和上傳至PC機(jī)中．

需要采集時(shí)，由上位機(jī)發(fā)出喚醒命令，通過無線將命令傳送給下位機(jī)，使之轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)；上位機(jī)在完成發(fā)送命令之后便轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，當(dāng)收到下位機(jī)傳來的傳輸數(shù)據(jù)命令后便作接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，發(fā)射模塊進(jìn)入輸入狀態(tài)，繼而接收經(jīng)延遲后由下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)；在將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)后，上位機(jī)終止發(fā)射狀態(tài)．下位機(jī)在接到上位機(jī)的喚醒命令之后，由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)；經(jīng)延時(shí)后，收發(fā)模塊關(guān)閉，下位機(jī)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換；完成A/D轉(zhuǎn)換后，下位機(jī)收發(fā)模塊開啟成發(fā)射狀態(tài)，對上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)之后系統(tǒng)復(fù)位，收發(fā)模塊關(guān)閉．上、下位機(jī)間的通訊模塊不可同時(shí)處于接收狀態(tài)，否則會出現(xiàn)無規(guī)則的干擾信號．

其中，壓力傳感器選擇電阻應(yīng)變式測力傳感器，其具有成本較低、靜態(tài)精度高、長期穩(wěn)定性好、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)；基于核心芯片的結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)關(guān)系，濕度傳感器選擇模擬型，而溫度傳感器選擇數(shù)字型，因?yàn)槟M溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差；心跳采集電路主要由話筒及集成電路LM324組成，由話筒采集到的聲音信號經(jīng)放大器集成電路的轉(zhuǎn)化，形成計(jì)數(shù)脈沖可供計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，得到心率的數(shù)據(jù)；74LS164為譯碼芯片，用以驅(qū)動采集到的數(shù)據(jù)的數(shù)碼管顯示，根據(jù)期望得到數(shù)據(jù)的精確度來設(shè)置數(shù)碼管的個(gè)數(shù)；MAX232實(shí)現(xiàn)射頻芯片與PC機(jī)的串口通信.電源部分是模塊的另一重要部分，其性能的好壞將直接影響各部分的工作．在射頻電路中，對電源的要求更為嚴(yán)格，除了要考慮電源的負(fù)載能力、穩(wěn)定性外，還要注意電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力．當(dāng)無線收發(fā)部分處于快速狀態(tài)變換時(shí)，如果電源的瞬態(tài)響應(yīng)達(dá)不到要求，就會影響數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)現(xiàn)．另外，射頻芯片能承受的最大電壓為3.6 V，因此選用AMS1117以實(shí)現(xiàn)5 V電壓到3.3 V的轉(zhuǎn)化.具體硬件設(shè)計(jì)模塊如圖3所示．

3 結(jié) 論

本文不僅介紹了無線射頻芯片及射頻技術(shù)在服裝中的應(yīng)用，還給出了芯片的確定及其硬件設(shè)置的思想．基于nRF24E1的人體參數(shù)采集及數(shù)據(jù)上傳的心率、壓力、溫濕度測量系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，搭建方便、易于擴(kuò)展、可靠性高，室內(nèi)實(shí)際發(fā)射距離約25 m，可以幫助醫(yī)護(hù)人員更好地掌握病人的身體狀況．后期還可實(shí)現(xiàn)更多參數(shù)采集的擴(kuò)展，各項(xiàng)數(shù)據(jù)可通過計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)庫和可視化功能進(jìn)行存儲和查看.該技術(shù)有廣闊的應(yīng)用前景．

[1]LANGENHOVE Van Lieva，HERTLEER Carla.Smart clothing：a new life[J].International Journal of Clothing Science and Technology，2004，（1）：63-72.

[2]RANTANEN J，IMPIO J.Smart clothing prototype for the Arctic Environment[J].PersonalTechnologies，2002（6）：3-16.

[3] 王春紅，王 瑞，于 飛，等.智能電子紡織品及其應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)紡織用品，2006（2）：42-43.

[4]ROSSI D D，DELLA Santa A，MAZZOLDI A.Dressware:wearable hardware[J].Materials Science and Engineering，1999（7）：31-35.

[5]余海錢，廖海洋，王 涵.基于MEMS技術(shù)和無線射頻網(wǎng)絡(luò)的人體健康參數(shù)采集系統(tǒng) [J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（5）：2100-2106.

[6]李 劼，楊 劍.基于nRF24E1的無線射頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（8）：6-7.

[7]鄭啟忠，朱宏輝，耿四軍，等.系統(tǒng)級RF芯片nRF24E1收發(fā)原理與應(yīng)用編程 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（7）：42-45.

[8]吳釗炯，張 瑩，劉新朝.基于nRF24E1的嵌入式2.4 GHz無線接入系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（6）：39-41.

[9] LI Yi.Clothing comfortable and its application[J].Textile Asia，1998，29（7）：29-33.

[10]王越平，趙 平，高緒珊，等.女胸衣壓力舒適性的客觀評測[J].紡織學(xué)報(bào)，2006，27（11）：90-93.

Applications of RFID in intelligent clothing

XU Jun1，GUO Hui1，WANG Ting2
（1.College of Apparel and Art Design，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China；2.College of Computer Science，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

The collection and transmission of human physiological parameters are realized with sensing technology，wireless transceiver technology and computer technology by using RF transceiver chip nRF24E1 as core and adopt various sensors.The measuring of human body parameters which based on RF chip and short-range wireless transmission is applied to the clothing in order to realize the design of intelligence clothing.The specific setting of wireless transceiver chip which is applied in the clothing and the hardware circuit structure of system are expounded.

intelligent clothing；sensors；RF

book=1,ebook=74

TS941.779.9；TN99

A

1671－024X（2010）01－0077－03

2009-05-25

陜西省國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2003KW-01)；西安市科技攻關(guān)項(xiàng)目(GG200357)；中國紡織工業(yè)協(xié)會指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（2007085）；陜西省教育廳自然科學(xué)基礎(chǔ)項(xiàng)目（07JK262）

徐 軍（1969—），女，博士，教授.

徐 軍（1969—），女，博士，教授，E-mail：xujun0127@yahoo.com.cn