基于全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的溫敏服裝設(shè)計(jì)

陳 慧， 王 璽， 丁 辛， 李 喬

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

慢性疾病(如心臟病、糖尿病和高血壓等)的增加成為許多國(guó)家公共衛(wèi)生領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，加重了醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間、測(cè)試成本及工作人員的負(fù)擔(dān)[1-2]。一些疾病會(huì)使人的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)生障礙而引起體溫的變化[3]，因此，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)體溫不僅可以掌握人體是否發(fā)燒發(fā)熱，還可為疾病的治療提供指導(dǎo)[4-5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人及嬰幼兒健康的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)[7]。現(xiàn)階段，對(duì)人體溫度的持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)多限制在室內(nèi)的操作，其儀器笨重，測(cè)試過(guò)程煩瑣，造成了醫(yī)學(xué)資源的浪費(fèi)。少量已研發(fā)的織物溫度傳感器多采用嵌入法或縫合法制備，在實(shí)際使用中容易產(chǎn)生滑移錯(cuò)位，且部分傳感器容易引起人體刺癢感和不適感，影響測(cè)試結(jié)果；部分采用織入法將熱阻材料與織物相結(jié)合，但牢固性較差。同時(shí)，柔性傳感器輸出信號(hào)的采集受到采集模塊及接收器的限制，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)。鑒于上述問(wèn)題，本文將設(shè)計(jì)并制備應(yīng)用于人體溫度持續(xù)監(jiān)測(cè)的溫敏服裝，著重研究組成溫敏服裝重要部分的全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、制備及性能，開發(fā)數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)，進(jìn)行溫敏服裝可靠性的驗(yàn)證。

為制備基于全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的溫敏服裝，本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，利用大變形的織物電路板，設(shè)計(jì)彈性導(dǎo)電通道陣列，將其連接多個(gè)織物柔性溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)全織物傳感網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)并制備含全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的溫敏服裝；模擬應(yīng)用環(huán)境，測(cè)試全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的拉伸-回復(fù)性對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)受拉伸影響的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估溫敏服裝溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性；設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能；采用溫敏服裝系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體皮膚溫度，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 溫敏服裝的設(shè)計(jì)與制備

1.1 設(shè) 計(jì)

1.1.1 測(cè)試點(diǎn)的選擇

人體皮膚溫度的分布不均勻，常采用14點(diǎn)法測(cè)試。人體表面可分為14個(gè)面積相等的區(qū)域，不同部位皮膚的溫度存在差異；但同一部位左右兩側(cè)相比則差異不明顯[8]，故分別選擇7個(gè)區(qū)域測(cè)試。圖1示出測(cè)試點(diǎn)的位置分布。圖中：1為肩胛，2為腋下，3為胸部，4為大臂，5為后腰，6為小臂，7為腹部。

圖1 測(cè)試點(diǎn)位置的分布Fig.1 Measurement points. (a) Front; (b) Back

1.1.2 電路設(shè)計(jì)

采用并聯(lián)的方式集成7個(gè)電阻式織物基溫度傳感器，設(shè)計(jì)全織物傳感網(wǎng)絡(luò)。圖2示出并聯(lián)電路。R1～R7為7個(gè)電阻，電阻大小會(huì)隨溫度的變化而變化。圖3為全織物傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖。此傳感網(wǎng)絡(luò)分為2部分：C1和C2。 傳感網(wǎng)絡(luò)C1包括分布在測(cè)試點(diǎn)2、3、4、6、7的5個(gè)織物溫度傳感器及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電通道S2、S3、S4、S6、S7。傳感網(wǎng)絡(luò)C2包括分布在測(cè)試點(diǎn)1、5的2個(gè)織物溫度傳感器及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電通道S1、S5。每條傳感網(wǎng)絡(luò)均含1個(gè)地線G1和G2，分別與各測(cè)試點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的信號(hào)線形成閉合回路，各回路相互獨(dú)立、互不干擾。

圖2 并聯(lián)電路Fig.2 Parallel circuit

圖3 傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of sensing networks

1.1.3 服裝基體的選擇

具有可穿戴性能的溫敏服裝對(duì)服裝基體有一定的要求：良好的彈力回復(fù)、透氣性以及面料舒適性。故選用女士針織緊身壓縮衣作溫敏服裝基體，本文選用具有羅紋結(jié)構(gòu)的服裝面料(奧林匹克裝甲(香港)有限公司生產(chǎn)，成分：80%錦綸、20%氨綸；尺碼：M)。

1.2 制 備

1.2.1 全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的制備

傳感網(wǎng)絡(luò)的制備采用TNY101B-20型全自動(dòng)劍桿小樣織機(jī)(上海雙九實(shí)業(yè)有限公司)，選用1上3下右斜紋組織進(jìn)行織造。以氨綸/錦綸/錦綸包纏紗(振德醫(yī)療用品股份有限公司生產(chǎn)，線密度為30.8 tex/4.4 tex/4.4 tex)作經(jīng)紗，在特定位置加入1根或2根鍍銀導(dǎo)電紗作經(jīng)紗，棉紗線作緯紗?？椢锓鶎挿謩e為10 cm(C1全織物傳感網(wǎng)絡(luò)，共計(jì)6個(gè)導(dǎo)電通道，其中5個(gè)為信號(hào)線、1個(gè)為地線)和5 cm(C2全織物傳感網(wǎng)絡(luò)，共計(jì)3個(gè)導(dǎo)電通道，其中2個(gè)為信號(hào)線、1個(gè)為地線)。

在未變形的傳感網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)位置上連接前期研發(fā)的織物溫度傳感器[2]，將傳感器兩端電極分別與傳感網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道的信號(hào)線、地線纏繞連接。導(dǎo)電通道與導(dǎo)電線纏繞固定后，為避免導(dǎo)線晃動(dòng)影響測(cè)試結(jié)果，將導(dǎo)電線縫合在織物基底上，進(jìn)行封裝固定，圖4為封裝后全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)物圖，封裝減少了整個(gè)組件被外力拉伸時(shí)接觸區(qū)域中的可能應(yīng)變，增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度[9]。

圖4 全織物傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖Fig.4 Full fabric sensing network

1.2.2 溫敏服裝的制備

圖5為溫敏服裝的設(shè)計(jì)圖。各織物溫度傳感器與人體測(cè)試點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)。2條全織物傳感網(wǎng)絡(luò)連接導(dǎo)電線的部分交匯于服裝左腹部的位置，以便后期數(shù)據(jù)的采集。選用手縫無(wú)膠魔術(shù)貼的方式將傳感網(wǎng)絡(luò)與服裝結(jié)合，該方式快捷方便、環(huán)保衛(wèi)生且成本低。

圖5 溫敏服裝的設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design of temperature-sensitive garment

1.3 性能測(cè)試與分析

1.3.1 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

對(duì)全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試傳感網(wǎng)絡(luò)在0%、15%、30%應(yīng)變下電阻與溫度的關(guān)系。將傳感網(wǎng)絡(luò)平鋪在加熱平臺(tái)上，溫度范圍設(shè)置為25～45 ℃，同時(shí)利用安捷倫(Agilent 34970a)數(shù)據(jù)采集器(安捷倫科技有限公司)測(cè)試不同應(yīng)變下的傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明靈敏度無(wú)明顯降低趨勢(shì)，故拉伸應(yīng)變對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)溫度時(shí)輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無(wú)顯著影響。

圖6 不同應(yīng)變下的電阻-溫度關(guān)系Fig.6 Resistance-temperature relationship at different strains

為評(píng)估重復(fù)機(jī)械變形對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)的影響，在相同溫度(25 ℃)條件下，將全織物傳感網(wǎng)絡(luò)夾持在JF-9003型電腦拉力試驗(yàn)機(jī)(東莞市尖峰儀器儀表有限公司)的2個(gè)夾頭上，對(duì)其進(jìn)行10 000次30%應(yīng)變的循環(huán)拉伸，同時(shí)利用Agilent 34970a數(shù)據(jù)采集器測(cè)試傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，循環(huán)拉伸后，傳感網(wǎng)絡(luò)的電阻產(chǎn)生從71.5 Ω到72.5 Ω的輕微變化，可忽略不計(jì)。故全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)在重復(fù)軸向拉伸時(shí)表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的性能。

圖7 30%應(yīng)變下的拉伸循環(huán)測(cè)試Fig.7 Tensile cyclic test at 30% strain

1.3.2 靈敏度

作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體溫度的產(chǎn)品，溫敏服裝必須具備良好的靈敏度。模擬實(shí)際使用情況測(cè)試溫敏服裝的靈敏度，測(cè)試不同溫度下各傳感點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻值。圖8示出各織物溫度傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)中地線及信號(hào)線的電阻變化與溫度的關(guān)系。其中：曲線0表示沒(méi)有連接導(dǎo)電通道的織物溫度傳感器在不同溫度下的電阻變化率；曲線1～7表示傳感網(wǎng)絡(luò)不同測(cè)試點(diǎn)1～7分別對(duì)應(yīng)的織物溫度傳感器和導(dǎo)電通道的電阻變化率。結(jié)果表明，該傳感網(wǎng)絡(luò)均具有良好的電阻-溫度線性關(guān)系，且具有較高的靈敏度。

圖8 靈敏度測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of sensitivity

1.3.3 重復(fù)性

圖9示出服裝面料的橫向拉伸-回復(fù)性能和縱向拉伸-回復(fù)性能。10次循環(huán)拉伸測(cè)試結(jié)果表明，該服裝面料回復(fù)時(shí)具有遲滯性。圖9(a)示出橫向拉伸-回復(fù)性能測(cè)試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算得遲滯率為14.25%；圖9(b)示出縱向拉伸-回復(fù)性能測(cè)試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算得遲滯率為13.26%。

圖9 織物的拉伸測(cè)試結(jié)果Fig.9 Tensile test result of knitted fabric. (a) Horizontal direction; (b) Longitudinal direction

2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

圖10為溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。將全織物傳感網(wǎng)絡(luò)集成到服裝基體得到溫敏服裝Ⅰ，傳感網(wǎng)絡(luò)一端的導(dǎo)電線連接到開發(fā)板數(shù)據(jù)采集器Ⅱ，將采集到的數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸?shù)浇邮掌鞑@示。

圖10 溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.10 Data acquisition system of temperature-sensitive garment. (a) Data acquisition device; (b) Display system

從溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到遠(yuǎn)程接收器，開發(fā)出3種系統(tǒng)配置模式，區(qū)別是運(yùn)用了3種不同類型的遠(yuǎn)程接收器，即臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦和智能手機(jī)。模式1使用的遠(yuǎn)程接收器是具有藍(lán)牙適配器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，由于受試者受藍(lán)牙適配器輻射范圍的限制，該模式適用于臨床或?qū)嶒?yàn)室研究。模式2使用的遠(yuǎn)程接收器是帶有集成藍(lán)牙模塊的筆記本電腦，相比模式1，筆記本電腦雖可在室外環(huán)境中比較方便地使用，但受試者仍受限于筆記本電腦藍(lán)牙模塊的輻射范圍，故這種模式僅限于小區(qū)域戶外活動(dòng)的測(cè)量。模式3是最靈活的配置模式，其遠(yuǎn)程接收器是帶有嵌入式藍(lán)牙模塊、可隨身攜帶的智能手機(jī)，可在測(cè)試期間記錄受試者不同部位溫度而不受任何空間限制，適合長(zhǎng)時(shí)間戶外測(cè)試。本文重點(diǎn)介紹模式3，即智能手機(jī)作接收器。

圖10(b)示出智能手機(jī)端的數(shù)據(jù)顯示界面。1～7分別表示溫敏服裝上7個(gè)傳感區(qū)域，右側(cè)為溫度坐標(biāo)軸。傳感區(qū)域溫度不同，根據(jù)右側(cè)坐標(biāo)軸所顯示出相應(yīng)位置的顏色也不同。其優(yōu)點(diǎn)在于可直觀反映人體不同部位在同一時(shí)間的溫度值。該軟件擁有參數(shù)設(shè)置界面，可根據(jù)溫敏服裝上織物基溫度傳感器的性能針對(duì)性地設(shè)置參數(shù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。

3 溫敏服裝的穿戴性分析

3.1 舒適性

采用調(diào)查問(wèn)卷的方式測(cè)試溫敏服裝的舒適性。將問(wèn)卷分發(fā)給隨機(jī)抽取的10名年齡在20～30歲之間、身體健康的受試者。對(duì)每個(gè)項(xiàng)目評(píng)分：1分表示非常不同意；2分表示不同意；3分表示勉強(qiáng)同意；4分表示同意；5分表示非常同意。

評(píng)估結(jié)果如表1所示。該溫敏服裝為大多數(shù)受試者提供舒適的穿著體驗(yàn)，例如：服裝的透氣性(Q4)、傳感器(Q7)和電子元件(Q8)在服裝中的集成以及服裝外觀的時(shí)尚感(Q9)雖有待改進(jìn)，但Q3的平均等級(jí)為3.9，這表明對(duì)服裝舒適性的反饋接近一致(4.0)。該溫敏服裝具有良好的穿戴舒適性。

表1 溫敏服裝舒適性評(píng)估Tab.1 Comfort assessment of temperature-sensitive garment

3.2 穿戴溫敏性

3.2.1 織物基溫度傳感器的校準(zhǔn)

為保證后期測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)織物溫度傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。在恒溫恒濕環(huán)境下，同時(shí)采用電子紅外溫度計(jì)和織物基溫度傳感器測(cè)試人體區(qū)域溫度，結(jié)果如圖11所示?？椢餃囟葌鞲衅魉鶞y(cè)溫度略低于紅外電子溫度計(jì)所測(cè)溫度，故需對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖11 溫度對(duì)比結(jié)果Fig.11 Result of temperature comparison

3.2.2 人體溫度分布的測(cè)試

在使用溫敏服裝進(jìn)行人體溫度監(jiān)測(cè)前需測(cè)試受試者各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均溫度分布。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試平靜呼吸時(shí)人體不同部位的溫度。1名受試者在恒溫恒濕環(huán)境中靜坐30 min以保證自身狀態(tài)與當(dāng)前環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同部位皮膚溫度的分布Fig.12 Distribution of skin temperature in different parts

3.2.3 人體不同部位的實(shí)時(shí)溫度

在恒溫恒濕環(huán)境下,將溫敏服裝平鋪于實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面靜置30 min；同時(shí)受試者在恒溫恒濕環(huán)境下保持平緩的心態(tài)靜坐30 min，并保證測(cè)試前1 h內(nèi)無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)。受試者緩慢穿上測(cè)試服后在恒溫恒濕環(huán)境中靜站10 min以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，保證傳感器正面感溫區(qū)域緊密貼合人體皮膚而不會(huì)對(duì)皮膚造成物理傷害或妨礙人體正?；顒?dòng)。根據(jù)預(yù)定方案進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)方案：平靜呼吸60 s為1組；平靜呼吸頻率：吸1 s→呼1 s→停頓2 s、4 s為1個(gè)周期。

全織物傳感網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)出極佳的可靠性，所有織物基溫度傳感器組件都能很好地運(yùn)行，沒(méi)有故障。不同測(cè)試點(diǎn)的溫度測(cè)試結(jié)果如圖13所示。受試者皮膚溫度的變化具有一定規(guī)律：溫度的變化以4 s為1個(gè)周期，每個(gè)周期均存在波峰，60 s內(nèi)共15個(gè)周期(即15個(gè)明顯波峰，個(gè)別周期存在異常值，已被剔除)，與平靜呼吸的頻率及周期一致，且皮膚表面溫度總是隨著吸氣逐漸升高，隨著呼氣逐漸下降。

圖13 不同測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results at different measurement points. (a) Upper chest; (b) Abdomen;(c) Scapula; (d) Back waist

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，呼吸循環(huán)系統(tǒng)與血液循環(huán)系統(tǒng)緊密相關(guān)[10]；而皮膚溫度與心臟泵血引起的血液流動(dòng)有關(guān)[11]，故可通過(guò)監(jiān)測(cè)人體皮膚溫度得到人體的呼吸狀態(tài)。從圖13看出，不同區(qū)域在人體呼吸時(shí)溫度變化幅度不同，腹部和后腰具有更明顯的波動(dòng)幅度，胸部次之，肩胛最小。基本可通過(guò)人體溫度的變化曲線追蹤人體的呼吸狀態(tài)，信號(hào)曲線較為平滑，存在細(xì)小的波動(dòng)，這是由于呼吸時(shí)傳感器電阻有較小的波動(dòng)狀態(tài)，但不影響對(duì)呼吸狀況的基本判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

體溫作為主要生理指標(biāo)之一，可直接反映人體生理狀況，故可通過(guò)監(jiān)測(cè)人體溫度來(lái)反映人體健康狀況?，F(xiàn)有溫度監(jiān)測(cè)多采用硬質(zhì)傳感網(wǎng)絡(luò)，會(huì)引起人體不適，且易滑移，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文結(jié)合大變形的織物電路板及彈性導(dǎo)電通道陣列，設(shè)計(jì)并制備溫敏服裝及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用溫敏服裝系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體皮膚溫度，實(shí)現(xiàn)了人體皮膚溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在一定程度上減輕了醫(yī)療負(fù)擔(dān)。