一種可控溫濕度的新型智能防護服

周文炯，黃勤陸，趙聃敏

（成都紡織高等專科學(xué)校 電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

智能防護服是可穿戴設(shè)備的重要組成部分之一。傳統(tǒng)智能服裝多采用剛性傳感器來采集人體和周圍環(huán)境的信號，使得著裝者的舒適度和靈活度都大打折扣，而隨著以纖維、薄膜、紗線等作為底材的柔性傳感器技術(shù)的發(fā)展，上述問題有望得到根本性解決。此外，人體表面的不平整性使得具有良好柔韌性、伸展性的柔性傳感器可以通過彎曲甚至折疊的方式盡可能地貼合皮膚，從而更加精準地獲取環(huán)境參數(shù)和人體生理指標。課題利用柔性傳感器設(shè)計了可在高溫環(huán)境下工作的智能防護服。

1 研究背景

防護服廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和各種工業(yè)場景，為起到隔絕效果，所使用的面料透氣性一般較差，長時間穿戴容易積熱積濕，影響穿戴者的體驗和自身健康。為此具備降溫去濕功能的智能防護服一直是研制的熱點。智能防護服需要具備實時監(jiān)測人體和周邊環(huán)境參數(shù)的功能，但是傳統(tǒng)的電子傳感器件具有剛性的基本特征，很難滿足防護服高機械柔順性和可拉伸性[1]的要求。一種解決思路是將普通剛性傳感器柔性化，通常這類柔性傳感器由傳統(tǒng)的剛性電子傳感器或用活性材料制成的傳感器與柔性輕質(zhì)的基板組合而成[2]。其中基板材質(zhì)常見的有聚酯樹脂（PET）、聚酰亞胺（PI）、水凝膠、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚醚砜（PES）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等[3]，并通過將基材設(shè)計成條狀、薄膜或塊狀等形態(tài)，來適應(yīng)防護服不同部位對傳感器的柔性和拉伸的需求。而常見的活性材料則包括石墨烯、碳納米管（CNT）、導(dǎo)電聚合物、碳/氮化物二維納米材料、金屬和半導(dǎo)體納米線等[4]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，柔性傳感器已越來越多地被應(yīng)用于智能穿戴的各個領(lǐng)域。一些文獻[5-7]分別研究了柔性的紗線狀傳感器、纖維狀傳感器和織物傳感器在智能服裝中的應(yīng)用。不過現(xiàn)有研究多集中于柔性傳感器本身的設(shè)計和制作，對于采用柔性傳感器的服裝設(shè)計和研制還相對較少。本文將利用柔性傳感器AHT3001和STM32 單片機設(shè)計一種新型智能防護服并通過實驗驗證其基本性能。

2 智能防護服設(shè)計

智能防護服由織物結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)2 個部分組成。

2.1 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，智能防護服常用的熱交換措施有主動熱交換和被動熱交換2 種。主動熱交換又分為氣冷式、液冷式和熱電式（半導(dǎo)體式）等，被動熱交換主要為相變式。主動熱交換需要消耗電能，因而防護服的有效工作時長主要取決于攜帶的電池電量，而相變式則是在環(huán)境溫度或人體溫度達到相變材料熔點時，利用低熔點的相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程中吸熱的特性實現(xiàn)對溫度的控制。為增加防護服的有效工作時間，考慮到半導(dǎo)體制冷同時具備冷凝除濕的能力，本文采取了半導(dǎo)體式和相變式制冷相結(jié)合的方式。

防護服在胸部和背部縫制有相變材料口袋，使用時需將事先預(yù)置于低溫環(huán)境的固態(tài)相變材料裝入相變材料口袋。相變材料熱交換環(huán)境分層如圖1 所示。相變材料口袋外側(cè)采用隔熱材料，減少外部環(huán)境的影響。本文采用的相變材料為正十九烷用納米銀包裹制成[8]。

圖1 相變材料熱交換環(huán)境分層

防護服背面也裝有半導(dǎo)體制冷器和排氣風(fēng)扇，其中半導(dǎo)體制冷器型號為TEC1-12706，其最大制冷功率大于55W，工作電壓為12V。防護服腰部裝有排氣風(fēng)扇，可以將衣服內(nèi)的熱量和水蒸氣帶出，實現(xiàn)輔助散熱以及除濕的功能。整個防護服的外觀如圖2 所示，面料采用符合《戶外運動服裝 沖鋒衣》(GB/T 32614—2016) 要求的I 類面料，洗前洗后透濕率分別大于5000g/(m2·24h)和4000g/(m2·24h)，增強了面料的透氣性。防護服后背配置了太陽能光伏薄膜，通過光伏片將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在鋰電池中。鋰電池選用市面上常見的額定容量為12000mAh 的充電寶，可同時分別向單片機和半導(dǎo)體制冷器提供5V 和12V 的工作電壓。在不裝相變材料時，整件成衣重量約為2.0kg，而為防護服配制的相變材料重量約為0.5kg。

圖2 智能防護服外觀

2.2 電子系統(tǒng)設(shè)計

智能防護服的電子系統(tǒng)主要包括3 個部分：由微處理器組成的控制單元；由半導(dǎo)體制冷器、排氣風(fēng)扇及散熱風(fēng)扇組成的制冷單元；由除濕單元和柔性溫濕度傳感器組成的微環(huán)境監(jiān)控單元。

本文微環(huán)境監(jiān)控單元選擇AHT3001 作為溫濕度傳感器模塊。AHT3001 采用了FPC 柔性電路板，配有一個全新設(shè)計的ASIC 專用芯片、一個經(jīng)過改進的MEMS 半導(dǎo)體電容式濕度傳感元件和一個標準的片上溫度傳感元件組成。AHT3001 的FPC 柔性電路板厚度約為0.08mm，因而本文選擇將其置于防護服的織物夾層之中。AHT3001 測量范圍分別為濕度0%RH～100%RH，溫度-40℃～80℃,測量精度分別為濕度±3%RH，溫度±0.5℃，測量分辨率分別為濕度0.024%RH，溫度0.01℃，可以滿足一般防護服的使用要求。AHT3001 與微處理器的GPIO 口連接，實時將溫濕度信息傳遞給微處理器進行處理。

微處理器采用STM32 單片機，用于監(jiān)控傳感器信號，以及控制制冷和除濕系統(tǒng)的工作狀態(tài)。鑒于人體感覺舒適的溫度為26℃～28℃，相對濕度為45%RH～65%RH，防護服選擇28℃和60%RH 作為調(diào)節(jié)目標。工作中，STM32 每10s 接收一次傳感器數(shù)據(jù)，當溫度高于28℃或濕度大于60%RH 則打開半導(dǎo)體制冷器降溫或除濕，直到檢測到溫度低于28℃再關(guān)閉制冷器。此外系統(tǒng)還設(shè)置有高溫報警系統(tǒng)，當服裝內(nèi)壁溫度大于37℃時，將啟動蜂鳴器進行警示。

3 實驗結(jié)果

測試模擬典型夏日場景，在環(huán)境溫度為35℃，濕度為80%的室內(nèi)進行。測試時，將智能防護服穿于木制假人身上，用于測試衣服內(nèi)壁溫度和濕度。實驗中一共進行了2 組不同的測試。第1 組為在防護服胸口和背部的相變材料口袋中分別裝入一塊納米銀包裹的正十九烷相變材料的情況，其中每塊相變材料的重量為198g。第2 組為不裝入相變材料的情況。

如圖3 所示為防護服內(nèi)部溫度隨時間變化的情況。從圖中可以看出由于有相變材料輔助降溫，第1組大約5min 后從35℃降至設(shè)定的28℃，而第2 組大約需要7min 實現(xiàn)上述降溫過程。此外當溫度降至28℃后，2 組實驗的溫度都相對保持穩(wěn)定。

圖3 防護服內(nèi)壁溫度

如圖4 所示為防護服內(nèi)壁濕度隨時間變化的情況。實驗結(jié)果顯示，2 組測試濕度從80%降低到60%所花時間均在7min 左右。所不同的是無相變材料時，開始除濕后相對濕度下降較快，后期則下降較慢；而有相變材料的濕度變化趨勢則剛好相反。這主要是因為相對濕度同時取決于水蒸氣含量和溫度，兩者溫度變化的快慢導(dǎo)致了這一結(jié)果。

圖4 防護服內(nèi)壁相對濕度

在保持相對濕度為80%RH 的前提下，測量了不同溫度條件下，防護服的續(xù)航能力。測試中關(guān)閉了太陽能充電功能，統(tǒng)計了充電寶從滿電量到耗盡電量所消耗的時間。如圖5 所示，在35℃時，第1 組帶相變材料的防護服可持續(xù)工作時長為t1=155min；第2 組去掉相變材料后，持續(xù)工作時長為t2=93min。

圖5 防護服最大工作時間

測試中所用充電寶質(zhì)量為m1=425g，2 塊相變材料總質(zhì)量為m2=396g。如果把充電寶和相變材料都看作增加的負重，則可以分別計算出第1 組測試中單位負重的續(xù)航時間△t1、第2 組測試中單位負重的續(xù)航時間△t2，如公式（1）和公式（2）所示。

可以看出，從增加單位負重續(xù)航時間的角度來考慮，可以不帶相變材料而選取更大容量的充電寶，或換用吸熱能力更強的相變材料。此外，在所有的測試中，防護服的工作時長均隨著外界環(huán)境溫度的升高而呈現(xiàn)線性減少的趨勢。

4 結(jié)語

本文研制了一種基于柔性傳感器的新型智能防護服，面料采用洗后透濕率大于4000g/(m2·24h)的符合GB/T 32614-2016 要求的I 類面料，增強了防護服的透氣性和舒適性。防護服使用了相變材料和半導(dǎo)體混合制冷的模式，實驗結(jié)果顯示該防護服具有良好的制冷和除濕效果，適合高溫工作環(huán)境使用。在環(huán)境35℃，相對濕度80%的條件下，每攜帶1g 相變材料或1g 電池可分別提供0.19min 和0.22min 工作時間，具備一定實用性。此外防護服還設(shè)置有高溫警報功能，可以在監(jiān)測到衣服內(nèi)壁出現(xiàn)異常高溫時啟動蜂鳴器報警。