基于WSN生理監(jiān)測的老年服裝設(shè)計與研究

陳海榮，郝學(xué)峰，周曄彤，趙天北，張 旭

（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 010080）

《中國人口老齡化行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告（2021年）》顯示，預(yù)計到2050年，我國老齡化人口將激增4億左右，我國將進入重度老齡化社會[1]。以往保暖、美觀、舒適的服裝，已經(jīng)無法滿足老年消費者對生理健康監(jiān)測的需求，具有特殊功能的智能服裝已成為老年人的新需求。

1 生理監(jiān)測智能服裝的發(fā)展現(xiàn)狀

生理監(jiān)測智能服裝的應(yīng)用從軍事、極限條件等特殊領(lǐng)域逐漸向運動、醫(yī)療等生活化場景邁進。人們對健康監(jiān)測的需求不局限于部分特殊行業(yè)人群，會逐漸向廣大老年消費者普及。

1.1 用于醫(yī)療監(jiān)測的可穿戴智能服裝

智能服裝通過在服裝中嵌入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），對用戶日常生活中的運動、睡眠、心率、血壓等實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和記錄，并與電子設(shè)備同步，實現(xiàn)交互式信息傳輸，用戶可以實時監(jiān)控自己的身體狀況，進而實現(xiàn)健康監(jiān)護的作用。醫(yī)療可穿戴設(shè)備還可以采集患者的活動軌跡、體溫以及活動場所是否途經(jīng)中高風(fēng)險地區(qū)等。傳輸完成后，醫(yī)護人員可以在終端設(shè)備查看數(shù)據(jù)，有效地避免了醫(yī)患直接接觸，進而降低了醫(yī)務(wù)人員被感染的概率。

1.2 用于軍事、極限條件等特殊場景的智能服裝

特殊場景是指具有一定危險性的環(huán)境，如軍事演練現(xiàn)場、極地地區(qū)、火災(zāi)現(xiàn)場。適用于該場所的智能服裝，除了可以監(jiān)測用戶的基本體征數(shù)據(jù)，還可以監(jiān)測外部環(huán)境，并通過數(shù)據(jù)分析進行交互式提醒。如季婷婷等[2]基于夏季建筑工人的工作環(huán)境設(shè)計了一款智能勞保服，將監(jiān)測溫度的傳感器、監(jiān)測心率的傳感器與內(nèi)部的主控板連接，在達到溫度、心率設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍時，蜂鳴器及時發(fā)出預(yù)警，以此對特殊工種人員起到十分重要的人身安全保障作用。

1.3 用于運動場景的智能服裝

與前者相比，適用于運動等生活場景的智能服裝在外觀上更具生活化特征。如Ombra智能運動胸罩具備追蹤和記錄步數(shù)、呼吸頻率、卡路里等健身信息的功能，其配備柔性傳感器并設(shè)計出與普通內(nèi)衣一致的外觀，以此保證使用者穿著后在日常生活場所的正?；顒印?/p>

2 基于WSN生理監(jiān)測服裝的原理分析

通過將WSN嵌入服裝，在服裝內(nèi)構(gòu)成體域網(wǎng)。各簡約節(jié)點部署在人體的不同部位，分別負責(zé)采集心率、血糖和血壓等生理信號；中央?yún)f(xié)調(diào)器設(shè)置在服裝中央，負責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)采集的數(shù)據(jù)[3]。為使智能服裝更加輕便并適于穿戴，本設(shè)計采用體積更小、性能更強的傳感器、傳輸設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備，共同構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進而達成高效、準(zhǔn)確監(jiān)測的目的。

2.1 生理參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

生理參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，即基于服裝生理監(jiān)測的功能而進行的硬件與軟件設(shè)計，是服裝智能化設(shè)計的基礎(chǔ)。將心率、血糖、血壓等傳感器監(jiān)測和采集的生理參數(shù)嵌入服裝中的多個微處理器進行特征提取、模式識別和模式分析，并對信息進行計算和處理，構(gòu)成智能服裝的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是智能服裝功能系統(tǒng)的核心，包括電源、存儲器和中央處理器。將數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜計算任務(wù)放在服裝中完成，進而有效避免上機位軟件系統(tǒng)由信號弱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確、信號儲存不及時等問題。

2.1.1 心率傳感器

采用微壓力傳感材料制成的壓電式傳感器或光電傳感器進行測量。無論是壓電式傳感器還是光電傳感器，都會受到脈搏信號和自然抖動信號等因素的影響，造成測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。因此，選擇ST188紅外傳感器和感測控制電路，利用光電傳感器對紅外線強度的變化進行監(jiān)測，在監(jiān)視人體血管內(nèi)的血液流動時，重視光的透過度或折射度等心率信號，每當(dāng)心臟跳動時，心臟泵血就會改變血管中的血液流量以及血液飽和度，進而導(dǎo)致光反射強度的變化，獲得信息對應(yīng)心跳數(shù)的節(jié)奏，一次心跳數(shù)的節(jié)奏取得一次心跳數(shù)脈沖信號，對心率是否出現(xiàn)異常做出相關(guān)判斷。這個方案最主要的優(yōu)點是外部干擾小以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差小。

2.1.2 血糖傳感器

無創(chuàng)血糖檢測是最新的血糖檢測方法，將其與智能服裝技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)實時血糖監(jiān)測功能。采用收集人體汗腺血糖數(shù)據(jù)的方式進行血糖生理參數(shù)采集，已達到血糖監(jiān)測目的。調(diào)查研究顯示，在分析汗液的過程中，因為有代謝物和電解質(zhì)的存在，可以及時、準(zhǔn)確地反映患者狀況。具有可穿戴性質(zhì)的三電極電化學(xué)生物傳感器是基于彈性纖維的一種生物傳感器，用于監(jiān)測汗液中的葡萄糖。

2.1.3 血壓傳感器

選用壓電式HK-2000B脈搏傳感器，靈敏度高，能無創(chuàng)采集人體脈搏信號[4]。采用脈搏波測量血壓的原理在于脈搏波傳播速度受動脈血管壁的緊張程度影響。因此，可以根據(jù)脈搏波傳遞速度判斷血壓數(shù)值：脈搏波傳遞速度越快，證明動脈壁在收縮，血壓在上升，反之亦然。具體數(shù)值可以根據(jù)英國著名物理學(xué)家托馬斯·楊提出的公式推導(dǎo)出[5]：

式中：P是血壓，γ是表示血管特征的一個量值，ρ是密度，d是管內(nèi)直徑，S是橫截面面積，T是脈搏傳導(dǎo)時間，a是加速度，E0是動能。由式（1）推導(dǎo)出血壓變化與脈搏波傳導(dǎo)時間之間的關(guān)系：

式中：?P為動脈血壓變化值，?T為脈搏波傳導(dǎo)時間，γ是表示血管特征的一個量值。

2.1.4 傳感器位置

為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠度，傳感器的位置非常重要。首先指出心率傳感器的位置，心率值可以在許多位置實現(xiàn)監(jiān)測；其次結(jié)合服裝種類，選擇人體前軀干作為傳感器的安裝位置。本設(shè)計將傳感器放在9處位置，分別是左腋中線平第五肋間、胸骨左緣第四肋間、右鎖骨中線第二肋、左鎖骨下窩內(nèi)1/3處、胸骨右緣第四肋間、左鎖骨下窩中1/3處、左鎖骨中線第五肋間處、胸骨左緣第四肋正上方、右腋中線第四肋間。

2.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由中央控制器和輔助處理器組成。系統(tǒng)的主要軟件在不同的處理器平臺上運行不同的程序，完成各自的處理任務(wù)。

2.2.1 數(shù)據(jù)檢測編譯軟件簡介

目前，主流的編程語言——C語言被用于編寫單片機程序，優(yōu)勢在于可讀性更強、代碼維護人員更多，有利于單片機程序的開發(fā)與維護。使用Microsoft Visual Studio作為編譯器的優(yōu)勢在于包含統(tǒng)一建模語言（UML）工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等；支持多種編程語言編寫，適用性與實用性較強。

選擇STC89C52微處理器作為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，該型號的單片機使用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多改進，使芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位中央處理器（CPU）和在系統(tǒng)可編程Flash，使STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了高靈活性、超有效的解決方案[6]。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

將心率、血糖、血壓等傳感器監(jiān)測和采集的生理參數(shù)嵌入服裝中的多個微處理器中進行特征提取、模式識別和模式分析，并對信息進行計算和處理，構(gòu)成服裝的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是智能服裝功能系統(tǒng)的核心，包括電源、存儲器和中央處理器。將數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜計算任務(wù)放在服裝中完成，進而有效避免上機位軟件系統(tǒng)因信號弱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確、信號儲存不及時等問題。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將分析結(jié)果通過無線方式傳輸至智能服裝的交互式系統(tǒng)，進而及時反饋給用戶，實現(xiàn)健康監(jiān)護的功能。數(shù)據(jù)分析模塊具有以下功能：數(shù)值計算、生理參數(shù)顯示、測量狀態(tài)選擇、根據(jù)狀態(tài)判斷身體情況和危險度，并且將計算的生理參數(shù)、計算時間、診斷結(jié)果存入歷史記錄。

3 老年人生理監(jiān)測服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 老年人生理與心理特征

研究表明，老年人群是糖尿病、高血壓、冠心病等疾病的高發(fā)人群，部分老年人的監(jiān)護人無法長期陪伴其身旁，不能及時發(fā)現(xiàn)老年人身體出現(xiàn)的問題并進行及時治療。老年人在心理上大多不愿經(jīng)常去醫(yī)院檢查身體，更不愿將個人生理參數(shù)告知監(jiān)護人，進而導(dǎo)致身體出現(xiàn)異常情況但沒有及時發(fā)現(xiàn)而錯過治療的最佳時期。研究表明，通過各項生理參數(shù)及時發(fā)現(xiàn)身體的異常，對在住院前進行急救具有重要作用，有助于降低患者的發(fā)病率以及其他突發(fā)事件發(fā)生的概率，進而降低醫(yī)療成本。

3.2 老年人生理監(jiān)測服裝功能要求

老年人生理監(jiān)測服裝需要具備的主要功能包括心率實時監(jiān)測、血糖實時監(jiān)測、血壓實時監(jiān)測。基于老年人這一特殊受用主體，本智能服裝應(yīng)滿足以下需求。

3.2.1 舒適性

老年人群在選擇服裝時，會將服裝的舒適性作為首要需求。目前，大多數(shù)智能服裝為保證生理監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，會選擇貼身款式，再加上大量智能纖維和電子元件被加入服裝中，用戶體驗的舒適性降低。因此，服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要保證用戶體驗的舒適性。

3.2.2 便利性

智能服裝的使用便利性對老年人來說尤為重要，無論是穿脫便利性還是清潔便利性，都影響著智能健康監(jiān)護功能的實現(xiàn)。

3.2.3 安全性

智能服裝裝有大量的導(dǎo)電線與電子元件，存在電子輻射的風(fēng)險，在數(shù)據(jù)傳輸過程中也存在信息安全風(fēng)險。安全性保障既是智能服裝設(shè)計的底層要求，也是智能服裝的命脈。

3.3 面料選擇及工藝設(shè)計

本設(shè)計原料選用棉、錦綸和氨綸混合制成的面料，棉織物的吸濕透氣性強、保暖性好，符合老年人的生活習(xí)慣；質(zhì)地柔軟，符合老年人的舒適度要求；光澤柔和、簡約，符合老年人對服飾外觀的需求。但是，由于純棉織物彈性差、易起皺、褶皺不易恢復(fù)、易霉變和變質(zhì)，需要與其他材料混紡。錦綸結(jié)實耐磨，產(chǎn)品更輕，穿著更舒適；織物的彈性和回彈性好，但織物在外力作用下容易變形。氨綸彈性較強。將上述3種材料混合制成的織物具有穿著舒適、光澤明亮、手感光滑飽滿、收縮小、保暖性好、抗皺性強、透氣性好等優(yōu)點，改善了純棉面料易霉變、純錦綸面料易變形的缺點?？茖W(xué)運用智能服裝材料，可以保障服裝的合體性，進一步提高服裝的美觀效果[8]，滿足老年人的穿著要求。

老年智能服裝設(shè)計整體使用物理復(fù)合的方式，利用縫制工藝中貼附、縫合或內(nèi)嵌等方便拆卸的方式，將電子材料器件內(nèi)嵌到服裝中，使服裝對人體健康起到監(jiān)測的作用。這種方法直接且易于服裝清洗。針對中老年人對服裝舒適性、保暖性、透氣性、耐用性的要求，實現(xiàn)智能化、微型化、便攜化等特點。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能服裝應(yīng)滿足老年人日?；顒铀璧姆b寬松度和基本呼吸量，針對中老年人群體的穿著習(xí)慣與喜好，該款智能服裝結(jié)構(gòu)選擇將合身背心的胸圍尺寸在凈胸圍的基礎(chǔ)上增加4.0 cm，在服裝上增加了分割線和省道，在后腰打褶以提高測量精度，使背心更加貼身，且為了使智能服裝更符合人體活動的要求，對服裝結(jié)構(gòu)進行了局部收緊和放松。該設(shè)計將胸腰省道轉(zhuǎn)換為肩省道，并將其組合在一起，使整個背心更貼合人體，減少誤差，使衣服肩部更舒適。采用雙層織物和雙層襯里的組合，內(nèi)層有襯里和夾套表面?？紤]到老年人在日?；顒又幸宰恕⑻勺司佣?，故馬甲內(nèi)層圍度會因呼吸、摩擦、運動導(dǎo)致縫份開合。因此，本設(shè)計在接縫時下擺為4.0 cm，襯里周圍為1.5 cm，以此在底擺處或后中、側(cè)縫處形成掩皮量，避免上述情況發(fā)生。

4 結(jié)語

基于WSN的生理監(jiān)測服裝是將傳感器嵌入服裝中，依靠SPP-C藍牙模塊等進行傳輸數(shù)據(jù)，及時上傳到移動客戶端，以達到對人體生理指標(biāo)的實時監(jiān)測。設(shè)計方便、及時、高效的智能服裝，既能滿足老年人隨時關(guān)注自身身體狀況的需要，同時也能解決因監(jiān)護人不能隨時陪伴而無法發(fā)現(xiàn)身體異常的問題。在國家相關(guān)醫(yī)療體系以及社會保障制度的配合下，此種智能服裝可以給我國老齡化人群養(yǎng)老提供更多的解決方法以及更強的技術(shù)支持。