基于可穿戴技術(shù)的智能服裝平臺(tái)探究

朱祥成,劉亞俠,*,劉華新

(1.北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院,北京100029;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

隨著以現(xiàn)代通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息化生產(chǎn)力的迅速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人們的日常生活已經(jīng)密不可分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展與延伸,物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)的人人相連轉(zhuǎn)變?yōu)槿宋锵噙B、物物相連、物人相連[1]。由于物聯(lián)網(wǎng)與電子信息技術(shù)的日趨成熟以及可穿戴技術(shù)和新材料技術(shù)的不斷突破發(fā)展,人們對(duì)服裝的要求不再局限于遮體和服裝款式造型的美觀與得體,而是進(jìn)一步要求服裝的個(gè)性化、便捷性與智能性[2]。人們要求未來(lái)服裝能夠具有娛樂(lè)交流、生理檢測(cè)等功能,智能服裝可以根據(jù)用戶需求和使用環(huán)境的不同,做到功能定制。

在紡織服裝行業(yè)中,智能服裝已經(jīng)成為發(fā)展的新方向與新動(dòng)力。目前實(shí)現(xiàn)服裝的智能化主要有2種方式:(1)通過(guò)對(duì)紡織纖維進(jìn)行改性,使紡織纖維具有導(dǎo)電、變色、記憶等功能,將具有特定功能的改性纖維單獨(dú)或與普通紡織纖維交織制成智能面料,用含有智能纖維的面料制成智能服裝。(2)將微電子技術(shù)、通信技術(shù)、能源技術(shù)等與人們?nèi)粘７b相結(jié)合,包括對(duì)導(dǎo)電紡織材料、柔性傳感器、納米發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品的應(yīng)用,讓服裝在保留服用性能的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)、交流、反饋等功能[3]?，F(xiàn)基于可穿戴技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景對(duì)智能服裝的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探究。

1 可穿戴技術(shù)

可穿戴技術(shù)(wearable technology,WT)是一項(xiàng)把多媒體、傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)嵌入人們的衣著中,可支持手勢(shì)和眼動(dòng)操作等多種人機(jī)交互的創(chuàng)新技術(shù)。同時(shí),可穿戴技術(shù)也是探索和創(chuàng)造某種設(shè)備能直接穿在身上或是整合進(jìn)用戶的配件的科學(xué)技術(shù)[4],這些設(shè)備常用的形式有手表、眼鏡和項(xiàng)鏈,也有大衣、鞋子等?？纱┐骷夹g(shù)產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過(guò)程中衍生出兩大分支,一類是智能可戴設(shè)備,另一類是智能服裝。依托可穿戴技術(shù)所制造的產(chǎn)品不僅僅代表的是一種硬件設(shè)備,同時(shí)它也是一種能夠迅速獲取數(shù)據(jù)信息并實(shí)現(xiàn)信息云交互的智能終端平臺(tái)。可穿戴技術(shù)與人工智能(AI)的結(jié)合,不僅可以讓電子設(shè)備更加人性化,而且可以達(dá)到利用可穿戴技術(shù)影響和改變?nèi)藗兩罘绞降哪康摹?/p>

1.1 可穿戴技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)70年代可穿戴技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn),這項(xiàng)技術(shù)只是為了方便賭徒在賭場(chǎng)作弊而出現(xiàn),由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展不成熟,并且不能滿足大眾消費(fèi)的需求,所以可穿戴技術(shù)并沒(méi)有得到真正的發(fā)展。隨著近年來(lái)人們對(duì)高集成化電子設(shè)備需求的不斷提高,可穿戴技術(shù)已然成為了產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)的焦點(diǎn)。在可穿戴技術(shù)發(fā)展過(guò)程中較為經(jīng)典的智能可戴設(shè)備產(chǎn)品是由谷歌公司于2012年發(fā)布的“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”眼鏡Google Project Glass[5],如圖1所示。使用者可以通過(guò)聲音控制眼鏡,來(lái)實(shí)現(xiàn)通話、照相、文件處理等功能。伴隨著谷歌眼鏡的出現(xiàn),可穿戴技術(shù)逐漸被大眾認(rèn)知,各大科技公司也紛紛推出自己的智能可戴產(chǎn)品。如蘋果公司2014年推出的智能手表Apple Watch,這是一款基于健康和運(yùn)動(dòng)功能的設(shè)備,它可以實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。Jawbone up智能手環(huán)可以跟蹤使用者的活動(dòng)狀態(tài)、睡眠狀態(tài)等數(shù)據(jù)。Nixie可穿戴無(wú)人機(jī)顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的固有印象,當(dāng)它折疊時(shí)可以像手表一樣戴在手腕上,而展開(kāi)時(shí)就是一架四旋翼無(wú)人機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)飛行、實(shí)時(shí)錄像及數(shù)據(jù)傳輸功能,如圖2所示。

圖1 谷歌眼鏡Google Glass

圖2 Nixie可穿戴無(wú)人機(jī)

目前對(duì)于智能服裝來(lái)說(shuō),由于不能滿足日常使用要求,大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)比較困難,又有許多可替代的產(chǎn)品,所以現(xiàn)在出現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能服裝只有一小部分,大多數(shù)的產(chǎn)品無(wú)法由實(shí)驗(yàn)室里的雛形走向產(chǎn)業(yè)化。2016年在谷歌I/O大會(huì)發(fā)布了由谷歌和李維斯合作生產(chǎn)的智能夾克,如圖3所示。該款智能夾克將電容導(dǎo)線織入服裝的袖子里,讓左袖成為了觸控板,通過(guò)在袖子上滑動(dòng)和點(diǎn)擊,就能操控口袋里的手機(jī)(如雙擊播放音樂(lè),上劃播報(bào)時(shí)間等)。馬薩諸塞大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一款電力儲(chǔ)存系統(tǒng),能夠在任何衣服上繡上儲(chǔ)電電池,如圖4所示。該系統(tǒng)使用的是超級(jí)電容,它將涂層導(dǎo)電線與聚合物薄膜結(jié)合,通過(guò)特殊縫紉技術(shù),在服裝面料上繡出柔性網(wǎng)狀電極,從而為傳感器供電。儲(chǔ)電系統(tǒng)的大小也可以根據(jù)需求不同而隨意改變。

雖然一些智能可戴設(shè)備具有與智能服裝相同的效用,但是在某些方面智能服裝有著智能可戴設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖3 智能夾克

圖4 新型柔性儲(chǔ)存電池

1.2 智能服裝較智能可戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

智能服裝與智能可戴設(shè)備雖然同屬于可穿戴技術(shù)產(chǎn)品,但以目前的科技而言無(wú)法讓每一件智能服裝做到常服化的水平。在便捷性上,智能服裝比智能可戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)并不是很明顯。不過(guò)在其他方面,具備同種功能的智能服裝與智能可戴設(shè)備相比更具有優(yōu)勢(shì)。智能服裝比智能可戴設(shè)備接觸人體表面的有效面積更大,能夠最大程度地收集人體的各項(xiàng)生理指標(biāo)信息,并且在信息數(shù)據(jù)收集方面可以做到更加全面與準(zhǔn)確,通過(guò)預(yù)定程序的篩選分析可以采用語(yǔ)音或者文字等形式對(duì)人們的行為習(xí)慣作出指導(dǎo)。而且在智能服裝上可以根據(jù)需求隨意地放置智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)收集,并不像智能可戴設(shè)備那樣需要借助如手腕、頸部等特定位置安放設(shè)備。智能服裝也具有智能可戴設(shè)備不具有的柔性、能夠大程度變形等特點(diǎn)。智能服裝在時(shí)尚方面能提供的選擇更多,長(zhǎng)時(shí)間的穿著也不會(huì)讓人感覺(jué)不舒服,同時(shí)具備不會(huì)影響人的活動(dòng)等功能。

智能服裝在未來(lái)不單是人體的第二層皮膚,它也將會(huì)對(duì)人們行為習(xí)慣、生活方式的優(yōu)化改善起到重要作用。智能服裝能夠精確地采集人體各項(xiàng)體征信息,對(duì)一些疾病的預(yù)防(如心血管疾病,癌癥等),以及身體姿態(tài)的調(diào)整都有著一定的指導(dǎo)作用。由此可見(jiàn),智能服裝是智能可穿戴設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了讓這種趨勢(shì)得到發(fā)展,一個(gè)好的平臺(tái)是不可或缺的。

2 智能服裝原型平臺(tái)

2.1 Arduino平臺(tái)介紹

David Cuartielles和Massimo Banzi為了能夠讓學(xué)生使用上價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的微控制器,在2005年聯(lián)合創(chuàng)建了Arduino,同時(shí)Arduino也是專為各行設(shè)計(jì)人員和那些對(duì)交互設(shè)計(jì)感興趣的人而設(shè)計(jì)的[6]。Arduino是一個(gè)開(kāi)源電子原型平臺(tái),包含硬件(Arduino控制板)和開(kāi)發(fā)軟件(Arduino IDE)。Arduino系統(tǒng)是在Java語(yǔ)言基礎(chǔ)上建立的,同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上也有豐富的開(kāi)源代碼可供參考[7]。

Arduino通過(guò)接收不同輸入模塊的輸入信號(hào),用來(lái)檢測(cè)輸入模塊的運(yùn)行環(huán)境,并通過(guò)對(duì)舵機(jī)、顯示屏以及其他驅(qū)動(dòng)器的控制來(lái)反饋、影響其周圍環(huán)境[8]。Arduino擁有靈活易用、功能多樣、價(jià)格低廉等特點(diǎn),在互動(dòng)裝置研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。根據(jù)所做項(xiàng)目需求的不同,有多種型號(hào)的Arduino控制板可供選擇,現(xiàn)在也有專為可穿戴技術(shù)和電子織物而設(shè)計(jì)的可水洗微控制器板FLORA、Lily Pad等,如圖5所示。因此Arduino平臺(tái)完全可以作為快速、簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)服裝智能化的方式之一。

圖5 Arduino控制板

2.2 可穿戴能水洗的Arduino控制板FLORA

FLORA是一種微型可穿戴、能水洗的控制板,可以用Arduino IDE開(kāi)發(fā)軟件對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)定。FLORA能夠被縫合在普通面料上,通過(guò)導(dǎo)電縫紉線聯(lián)通、控制輸入模塊與輸出模塊,如圖6所示。在未來(lái)的智能服裝產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中,導(dǎo)電縫紉線將會(huì)被廣泛使用。

2.3 Arduino智能服裝控制模式

采用Arduino平臺(tái)對(duì)智能服裝進(jìn)行控制,通過(guò)對(duì)輸入模塊的數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過(guò)Arduino控制板的數(shù)據(jù)分析,將數(shù)據(jù)處理結(jié)果編輯成指令由輸出模塊進(jìn)行操作,由此來(lái)實(shí)現(xiàn)智能服裝的不同功能。智能服裝的硬件部分主要包括Arduino控制板、傳感器和執(zhí)行器[9]。智能服裝系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 通過(guò)導(dǎo)電縫紉線與織物結(jié)合的FLORA

圖7 智能服裝系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境

Arduino IDE是Arduino平臺(tái)的編輯軟件,可以在其官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載使用。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)軟件在代碼編寫區(qū)隨意地對(duì)代碼進(jìn)行編寫或修改。信息欄能夠顯示代碼編譯或者下載是否成功。Arduino IDE與其他開(kāi)發(fā)軟件不同之處在于設(shè)置有一個(gè)串口監(jiān)視器窗口,方便開(kāi)發(fā)者在程序調(diào)試過(guò)程中對(duì)程序的運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察,或者得到程序的運(yùn)行成果,如圖8所示[10]。

2.5 Arduino智能服裝常用輸入模塊與輸出模塊

一般的輸入模塊就是各類傳感器,傳感器是一種檢測(cè)裝置,能夠探測(cè)或者感受外界信號(hào),常規(guī)的為物理信號(hào)(力、熱、光、電、磁等)或化學(xué)信號(hào)(煙霧等),將探知的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳遞到輸出模塊。開(kāi)關(guān)按鍵是最基礎(chǔ)的輸入模塊,可以用來(lái)控制智能服裝電源的通斷。GPS模塊、超聲波測(cè)距傳感器常用于對(duì)服裝穿著者的定位確定。還有物聯(lián)網(wǎng)通信模塊,如無(wú)線通信藍(lán)牙、有線通信以太網(wǎng)等,這讓Arduino也具備了與其他設(shè)備(如手機(jī)等)之間的信息傳輸功能。

輸入模塊的接口分為3種,分別為數(shù)字接口、模擬接口與協(xié)議接口(數(shù)字)。Arduino控制板通過(guò)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)兩種“語(yǔ)言”在輸入模塊與輸出模塊之間建立起溝通橋梁。數(shù)字信號(hào)的輸入(按鍵、開(kāi)關(guān)信號(hào)等)只有2個(gè)數(shù)值(0V和5V),在Arduino中指的就是低(Low)和高(High),“Low”為“0”對(duì)應(yīng)的是0V,“High”為“1”,對(duì)應(yīng)的是“5V”。模擬信號(hào)的輸入(壓力、角度量傳感器等)在指定范圍內(nèi)是無(wú)限值。在Arduino中,0V～5V對(duì)應(yīng)表示的是0～1023范圍內(nèi)的值。例如,0對(duì)應(yīng)是0V,1023對(duì)應(yīng)的是5V,512對(duì)應(yīng)的是2.5 V。

在智能服裝中可以運(yùn)用到多種輸出模塊,如具有光表現(xiàn)形式的多彩LED控制燈、LCD控制顯示器等,具有動(dòng)作表現(xiàn)形式的舵機(jī)、小電機(jī)等,具有聲音表現(xiàn)形式的蜂鳴器、小喇叭等。品類繁多的輸入模塊與輸出模塊讓基于Arduino平臺(tái)的智能服裝可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

圖8 Arduino IDE界面

2.6 Arduino智能服裝開(kāi)發(fā)實(shí)例

將兒童外套與電子元器件相結(jié)合,把Arduino平臺(tái)作為智能童裝外套的控制核心,通過(guò)GPS、藍(lán)牙、嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)APP等技術(shù)并根據(jù)服裝功能進(jìn)行電路設(shè)計(jì),最終可設(shè)計(jì)出一款防走失智能童裝外套[11]。該款智能童裝外套能夠?qū)崿F(xiàn)家長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控孩子的位置、孩子可以通過(guò)服裝上的智能裝置向家長(zhǎng)發(fā)出求救信號(hào)、家長(zhǎng)與孩子距離超出預(yù)設(shè)值主動(dòng)報(bào)警震動(dòng)提醒等功能,在一定程度上解決了兒童安全保護(hù)問(wèn)題。

通過(guò)傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)騎行服裝的監(jiān)測(cè)功能,采用Arduino作為電子原型的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在Arduino開(kāi)發(fā)軟件中,通過(guò)對(duì)代碼進(jìn)行編寫來(lái)實(shí)現(xiàn)該款服裝功能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[12]。在研究過(guò)程中使用LilyPad Arduino Simple作為控制板,將心率測(cè)量模塊及溫濕度集成測(cè)量模塊并聯(lián),對(duì)在騎行過(guò)程中的騎行者的身體各項(xiàng)指標(biāo)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),給騎行者帶來(lái)了更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

3 智能服裝的發(fā)展趨勢(shì)

研究表明,醫(yī)療護(hù)理、娛樂(lè)休閑、體育、工業(yè)及軍事等是未來(lái)智能服裝的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在全面二胎政策下的中國(guó),人口年齡結(jié)構(gòu)問(wèn)題依然十分嚴(yán)峻,雖然新生兒出生率較以往有了略微提高,但老齡人口比例有增不減[13]。隨著老齡化市場(chǎng)、兒童業(yè)態(tài)市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大以及大眾消費(fèi)者對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高,保健醫(yī)療、兒童安全、體育將成為智能服裝的三個(gè)主要發(fā)展方向[14]。

未來(lái)的智能服裝不再是一件衣服,它將是每個(gè)人的貼身管家[15]。如對(duì)個(gè)人的生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),預(yù)防一些疾病的發(fā)生;提醒即將要做的事情;主動(dòng)改變服裝溫度等。同時(shí),智能服裝也可以與智能家居等智能系統(tǒng)建立聯(lián)系,通過(guò)對(duì)使用者生活數(shù)據(jù)的分析歸納,劃分用戶對(duì)每一項(xiàng)活動(dòng)的喜好和習(xí)慣,在使用者進(jìn)行不同活動(dòng)時(shí)主動(dòng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行改變,如播放音樂(lè)、調(diào)節(jié)光線的明暗等,讓使用者感到舒適與放松。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于智能服裝的研究還停留在初級(jí)階段,不過(guò),隨著柔性電子技術(shù)、能源技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展[16],智能服裝研究水平一定會(huì)跨上新的高度。在未來(lái),智能服裝必將成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。以Arduino作為智能服裝的原型平臺(tái),將電子元器件與服裝進(jìn)行簡(jiǎn)單結(jié)合,通過(guò)簡(jiǎn)化程序編程和硬件電路設(shè)計(jì),在一定程度上可實(shí)現(xiàn)服裝的智能化,為智能服裝的快速實(shí)現(xiàn)提供一種解決方案,這對(duì)Arduino平臺(tái)的廣泛應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值。