基于DS18B20和CC1101的智能溫控衣服研究

胡欣宇++常晉宇++王亞松++王博++王濤

摘 要：文中通過基于無線溫控模塊對(duì)智能溫控衣服進(jìn)行研發(fā)，主要利用了無線通信技術(shù)，溫控模塊，傳感器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)衣服的升溫降溫，同時(shí)通過傳感器來監(jiān)測(cè)人體與外界的體溫差距以自動(dòng)對(duì)衣物溫度進(jìn)行控制，也可以在手機(jī)端手動(dòng)控制溫度高低，同時(shí)還可在手機(jī)上觀看自己一天的運(yùn)動(dòng)量，并顯示健康狀況，如血壓、心率、體溫、呼吸速率等。用戶通過手機(jī)端根據(jù)自身需要可智能控制衣服溫度以使人體感到舒適。此外，由于該智能溫控衣服均使用低功耗、低電壓模塊實(shí)現(xiàn)諸多功能，因此人身安全可得到有效保障?？紤]到人體會(huì)因劇烈運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生汗液，為防止汗液進(jìn)入電路中導(dǎo)致電路老化，故我們采用新型防水絕緣材料。

關(guān)鍵詞：無線通信；傳感器技術(shù)；智能控制；防水絕緣

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

現(xiàn)階段，智能科技幾乎涵蓋了人類生活工作的所有方面，而我們研制的產(chǎn)品符合現(xiàn)階段人們的穿衣需求。目前，冬天人們大都依賴棉、毛等天然物品制成的衣物來保暖，但穿上由這些材料制成的衣物后使我們變得臃腫，行動(dòng)不便，不符合年輕人穿衣單、薄、輕便的風(fēng)格；到了夏天，由于天氣比較炎熱，出汗后衣物貼在身上不舒服?；谶@些原因我們?cè)O(shè)計(jì)了一款智能溫控衣服，通過智能傳感器采集信息，由手機(jī)端實(shí)現(xiàn)身體狀況的監(jiān)測(cè)并分析信息來控制衣服的溫度，首先解決保暖問題，其次實(shí)現(xiàn)制冷。這款衣服不僅可以滿足普通大眾的需要，還對(duì)風(fēng)濕病有一定的緩解作用。現(xiàn)階段是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)的時(shí)代。而智能溫控衣服實(shí)現(xiàn)了通過云計(jì)算促進(jìn)硬件與軟件互通互融，促進(jìn)新型商業(yè)模式快速革新的目的。目前智能手機(jī)的功能發(fā)展迅速，可直接通過手機(jī)App進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全智能化。

1 智能溫控衣服的工作原理

智能溫控衣服的設(shè)計(jì)主要包括手機(jī)和衣服上溫控電路的無線連接，智能控制技術(shù)和衣服材料的選擇。

1.1 智能溫控原理基于DS18B20傳感器

美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)[1]。所有的傳感器件和轉(zhuǎn)換電路均集成在很小的集成電路中。一線總線可使使用者輕松構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)，為溫控系統(tǒng)的搭建引入新的理念。目前，新一代DS18B20相比其他溫度傳感器而言更加經(jīng)濟(jì)、靈活、精致，方便使用者充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。與DS1820相比，DS18B20同樣兼容單總線連接方式，測(cè)溫區(qū)間為-55℃～+125℃，在-10～+85℃區(qū)間內(nèi)，精確度的浮動(dòng)約為±0.5℃[2]。DS1822的測(cè)溫精度較低區(qū)間為±2℃。實(shí)際溫度可直接用單總線的數(shù)字形式傳輸，極大地提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，如測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品、設(shè)備或過程控制、環(huán)境控制等。且新的溫度傳感器支持低電壓，使用電壓范圍為3～5.5 V，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加精致，實(shí)用性強(qiáng)。

1.1.1 DS18B20、DS1822的特性

DS18B20的精度為±0.5℃，程序可設(shè)置為9到12位的分辨率，可使用更寬的電壓區(qū)間與更精致的封裝方法。用戶報(bào)警的溫度和分辨率設(shè)置保存在E2PROM中，即使突然斷電也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保存。DS18B20是新一代產(chǎn)品中的佼佼者，性價(jià)比極為出色，DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本，但去掉了保存使用者報(bào)警溫度的功能，且精度下降為±2℃，適用于對(duì)資源嚴(yán)格控制，性能不做要求的環(huán)境中。自“一線總線”出現(xiàn)后，DS1820開創(chuàng)了溫度傳感器技術(shù)的新理念[3]。通過DS18B20和DS1822可以建立經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，原理如圖1所示。

DS18B20的主要特性如下所示：

（1）可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，對(duì)應(yīng)的分辨率在9～12位，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

（2）接口方式獨(dú)特，DS18B20僅需一條口線就可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。

（3）DS18B20的所有傳感器件及轉(zhuǎn)換電路均集聚在極小的電路中，且多個(gè)DS18B20可同時(shí)并聯(lián)在單獨(dú)的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。

（4）測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。

（5）電壓適用區(qū)間為3.0～5.5 V，可通過外接電壓提供（充電寶，太陽能電池等）。

（6）測(cè)得的數(shù)據(jù)輸出為數(shù)字溫度信號(hào)，可傳送CRC校驗(yàn)碼，也可通過“一線總線”串行的方式將其傳送到CPU，擁有很強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

（7）負(fù)壓特性：當(dāng)電源的正負(fù)反接時(shí)，芯片不會(huì)被燒壞。

1.1.2 硬件原理

圖2中低溫系數(shù)晶振的振率對(duì)溫度的影響非常小，生成的固定頻率直接傳送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度的改變變化很大，因此新信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。溫度寄存器和計(jì)數(shù)器1被暫時(shí)存放在-55℃對(duì)應(yīng)的基數(shù)值上。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)做減1計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減為0時(shí)，溫度寄存器的值加1，此時(shí)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將會(huì)重新被裝入，計(jì)數(shù)器1再次對(duì)低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，循環(huán)往復(fù)，直到計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值為0，則終止對(duì)溫度寄存器值的疊加，此刻溫度寄存器中的數(shù)值就是目前的溫度。

溫控原理如圖2所示[4]。

1.1.3 測(cè)溫流程

智能溫控App的初始溫度為15℃。主界面設(shè)有溫度降、升按鈕，還設(shè)有加熱電路關(guān)閉和啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠通過手動(dòng)方式來調(diào)節(jié)溫度。此外，該App中還設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)智能溫控衣服內(nèi)的溫度高于39℃時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警并切斷加熱電路；當(dāng)智能溫控衣服內(nèi)溫度低于11℃時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警并開啟加熱電路；當(dāng)DS18B20出現(xiàn)故障時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并關(guān)閉電路。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)在選擇12 V供電電源時(shí)可達(dá)與人體相近的溫度，有力保障了人身安全。打開手機(jī)主界面自動(dòng)溫控系統(tǒng)，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，設(shè)置密碼，防止其他手機(jī)接入，手機(jī)端的溫度在設(shè)置框內(nèi)只能輸入11～39之間的數(shù)字。當(dāng)溫度高于39℃時(shí)，手機(jī)界面顯示“溫度過高”斷開加熱電路；當(dāng)溫度低于11℃時(shí)，手機(jī)界面顯示“溫度過低”打開加熱電路[5]。測(cè)溫流程如圖3所示。endprint

1.2 無線技術(shù)的原理

智能溫控衣服主要使用C8051F310單片機(jī)最小系統(tǒng)和CC1101無線通信模塊。通常最簡單的無線控制系統(tǒng)由單片射頻收發(fā)芯片、微控制器及顯示設(shè)備和少量外圍等構(gòu)成。

該溫控衣服由外接電路、接收模塊、處理單元、發(fā)射模塊等構(gòu)成。當(dāng)發(fā)射模塊發(fā)出信號(hào)時(shí)，接收模塊會(huì)做出回應(yīng)，如LED燈。

（1）發(fā)射和接收裝置。無線收發(fā)單元使用CC1101芯片。C8051F310單片機(jī)和CC1101采用串行外設(shè)接口連接，該芯片功耗低、體積小，數(shù)據(jù)速率在6、35、56、100 MHz波段工作，支持-30～10 dBm輸出功率，同時(shí)，還可以控制在1.2～500Kb/s范圍內(nèi)編程。文中CC1101工作在6 MHz的頻率上，采用偏移調(diào)變調(diào)制方式，信道間隔為200 kHz，數(shù)據(jù)速率為100 Kb/s。

（2）處理單元。選擇兼容性較好，性能穩(wěn)定的C8051F310單片機(jī)作為處理單元，該單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓范圍為2.7～3.6V。

C8051F310單片機(jī)使用射頻片上系統(tǒng)實(shí)施無線通訊技術(shù)，是開發(fā)低功耗、低成本無線通訊應(yīng)用系統(tǒng)的理想方案。射頻片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)特，使微處理器與高頻線路與無線芯片之間可默契合作，將數(shù)字電路對(duì)高頻通訊的影響降到最??；C8051F310單片機(jī)從無線芯片到天線之間只有簡單的濾波電路，無需對(duì)高頻電路另行設(shè)計(jì)，由于其將高頻部分電路全部集成到了電路內(nèi)部，同時(shí)C8051F310是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，因此具有價(jià)格低廉、體積小巧、控制靈活、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，配置一個(gè)簡單的電路即可設(shè)計(jì)完成整個(gè)電路系統(tǒng)。

2 本產(chǎn)品具有的功能

2.1 智能控制溫度功能

通過傳感器感應(yīng)內(nèi)部和外部的變化來進(jìn)行控制，如光、熱、電磁、震動(dòng)、應(yīng)力等的強(qiáng)度和變化[6]。智能衣服的功能框圖如圖4所示。

通過對(duì)自身、紡織品及電子器件的接口進(jìn)行分析，通過溫濕度自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、均壓性技術(shù)及其他技術(shù)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)、衣服與人的交互，使智能溫控衣服變成人們的穿衣必備品。通過使用低電壓小型接口來產(chǎn)生熱量以滿足人體生理所需，顧客可以通過手機(jī)自己調(diào)控衣服和身體之間的溫度變化來達(dá)到最舒適的效果。這套智能溫控衣服加熱技術(shù)的主要成份是很細(xì)的導(dǎo)電纖維，穿插在襯里與表層之間，每根導(dǎo)電纖維的粗細(xì)可與毛發(fā)匹及，這些加熱組件具有彈性和防水性。感應(yīng)器安裝在對(duì)人體、氣溫敏感的地方，可以迅速感應(yīng)人體和外界溫度，通過編寫Java代碼設(shè)定適合人體的最佳溫度。當(dāng)后臺(tái)設(shè)定與外界變化的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，可自動(dòng)對(duì)衣服升降溫，也可通過手機(jī)App手動(dòng)操作，如圖5所示。

2.2 測(cè)量生命體征的功能

通過選擇合適的面料以及其他防水材料來實(shí)現(xiàn)防汗液、耐洗、無線網(wǎng)絡(luò)體能分析與抗壓功能。在手機(jī)端顯示各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生命體征的測(cè)量，它能檢測(cè)、追蹤使用者的身體狀況，智能顯示用戶最近的健康狀況，并通過大數(shù)據(jù)對(duì)比來分析個(gè)人的情況，為每個(gè)用戶制定一套專屬的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，由傳感器智能檢測(cè)并顯示血壓、心電、血氧、脈搏等其他各項(xiàng)生理指標(biāo)。

2.3 體驗(yàn)音頻的輸出功能

隨著科技的發(fā)展，芯片進(jìn)入衣服已成為一種趨勢(shì)，這些微芯片首先被植入衣服中，不但使用方便，還不會(huì)影響穿著的舒適性。

音頻模塊由多媒體卡模塊與可拆卸電池、語音處理芯片和微處理器、話筒和耳機(jī)以及柔韌的傳感器鍵盤等組成。音頻芯片可直接連接到話筒、耳機(jī)、顯示器、存儲(chǔ)器、傳感器、鍵盤和驅(qū)動(dòng)器[7]。

3 材料的選擇

3.1 防水透氣絕緣材料

衣服是生活中與人體最貼近的一種必須物品，因此有很多服裝設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)滿足人們防寒保溫、審美需求的衣物。而智能溫控衣服是在這兩個(gè)基本的功能需求上增加了智能溫控的功能。要實(shí)現(xiàn)這些需求，首先要有較好、合適的布料。

經(jīng)研究，實(shí)驗(yàn)打算選用一種防水、透氣、防電的高性能布料。這種布料在基本布料柔軟、舒服的基礎(chǔ)上增加了防水、防潮、透氣性好、防滲透的功能。

3.2 使用太陽能電池

現(xiàn)階段智能穿戴最大的問題就是供電，太陽能電池的使用可以有效解決該問題。德國斯圖加特大學(xué)和霍恩斯坦因研究所共同研制出了一個(gè)肩部太陽能電池，小巧、柔軟，可為智能溫控衣服提供充足的電源?，F(xiàn)階段太陽能電池主要的爭(zhēng)議在電池的耐久度與衣服之間的銜接性及是否舒適等問題，這些問題如果得到解決，那么就可以廣泛使用在服裝上[8]。

3.3 微型元器件的使用

現(xiàn)如今，隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越趨向于輕便可攜帶的產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)的鼻祖是一臺(tái)巨型的，約兩噸重的大機(jī)器，而現(xiàn)在，可攜帶的筆記本已成為主流，更小型的電腦即智能手機(jī)重不到半斤。目前研究人員正在尋求使電子產(chǎn)品與衣服相結(jié)合的方式，通過這種方式可以安裝開關(guān)及傳感器，并將其集成在衣服中，不影響用戶的穿著舒適度[9]。由于每一件衣服都需要具有良好的耐用性、柔軟性及便于清洗等特點(diǎn)，而電子產(chǎn)品必須做成適應(yīng)于衣服的舒適度，因此需要開發(fā)軟鍵盤、柔性開關(guān)、軟化接口和軟觸界面柔性開關(guān)等。

3.4 傳感器的選擇

DS18B20是常見的溫度傳感器，具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且外接電壓較小（3～5 V），安全系數(shù)比較高，對(duì)人體穿衣的舒適度影響較小，適合穿戴。硬件開銷小，成本低，能為普通大眾接受。綜上，DS18B20是最適合的溫度傳感器。

3.5 加熱材料的選擇

本產(chǎn)品主要運(yùn)用碳纖維加熱絲。碳纖維作為發(fā)熱體具有耐氧化、升溫快、耐高溫、電熱轉(zhuǎn)化效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了碳化硅、金屬絲等電熱材料強(qiáng)度低，使用壽命短、易氧化的問題，成為上述電熱材料的替代品。智能溫控衣服實(shí)物如圖6所示。

4 結(jié) 語

通過上面的陳述，我們研制的智能溫控衣服在技術(shù)、材料、功能等方面都是可行的，該款衣物可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度或手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，滿足人體的不同需求，同時(shí)還可以測(cè)試其他數(shù)據(jù)，如濕度、光照、震動(dòng)等，感知現(xiàn)階段衣服的濕度，并測(cè)得現(xiàn)階段是在行走還是在跑步狀態(tài)。還可以通過光照感知天氣的好壞，全方面對(duì)身體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此具有很好的發(fā)展空間，未來或許會(huì)成為人們穿衣的一種潮流，可滿足各類群體，如南極考察者、登山愛好者、運(yùn)動(dòng)員及有風(fēng)濕病的老年人與喜歡單薄輕便衣物的年輕人等。

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