基于NB-IoT通信技術(shù)的智能多傳感衣服設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)全球增溫導(dǎo)致極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)衣服已無法完全滿足人們出行的需求等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT通信技術(shù)的智能多傳感衣服，提出了一種將無線通信技術(shù)引入衣物，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位、智能控溫、心率監(jiān)測以及實(shí)時(shí)通信等功能。該設(shè)計(jì)搭載了DS18B20溫度傳感器并引入心率傳感器、語音通信模塊和智能充電3種核心模塊。以石墨烯為主要材料設(shè)計(jì)多傳感器衣服。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN 91" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

服飾的功能隨著社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平提高變得多樣化，除了遮體保暖等基本功能外，還出現(xiàn)了各種針對(duì)不同需求的功能性衣服。目前，市場中的保溫衣服存在溫度控制不智能、發(fā)熱片不易拆洗以及功能單一等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的工作和生活環(huán)境，影響人們的使用體驗(yàn)。雖然文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了多功能智能保溫衣服，但是都沒有考慮網(wǎng)絡(luò)拓展能力和多傳感器的融合，應(yīng)用還有一定的局限性。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)一種利用NB-IoT通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能多傳感衣服的方案。智能多傳感器衣服是一種具有多種功能的衣服，它不僅可以利用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保溫，還具有遠(yuǎn)程定位、心率監(jiān)測和語音通信等功能，使監(jiān)護(hù)人可以通過App實(shí)時(shí)了解家人的位置、身體狀況和語音信息，方便及時(shí)溝通和關(guān)懷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該智能多傳感衣服的設(shè)計(jì)材質(zhì)選用石墨烯面料，具有柔軟、透氣、安全和可水洗的特點(diǎn)。在帽檐內(nèi)設(shè)置語音通信模塊，可實(shí)時(shí)進(jìn)行語音通信交流。衣服靠近心臟的位置搭載心率傳感器，通過心率監(jiān)測模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測心率。在衣服左右口袋位置分別設(shè)置溫度傳感器以及控制按鈕，智能溫度調(diào)控模塊可以根據(jù)外界以及人體的溫度，自適應(yīng)或手動(dòng)調(diào)整溫度。

這種衣服基于NB-IoT通信，以CC2530模組搭建的無線Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，融合多種傳感器。其中，主要采用收集技術(shù)，底層數(shù)據(jù)檢測采用高性能DS18B20溫度傳感器、光電式心率傳感器 ADPD174 模塊以及語音播放模塊，將采集的數(shù)據(jù)與NB-IoT模塊通信，經(jīng)過算法融合，打包發(fā)送至用戶終端，可實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器信息，與此同時(shí)，用戶也可以通過在終端設(shè)置不同的溫度值和傳輸語音指令等信息傳至CC2530模組，然后加熱模塊根據(jù)用戶設(shè)置的溫度值進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，溫度控制通過獲取終端提供的天氣情況進(jìn)行溫度分析，并通過PID算法智能調(diào)節(jié)至人體最適溫度。NB-IoT模塊與用戶終端建立聯(lián)系，并提供用戶的實(shí)時(shí)位置信息，保障用戶的安全。其分為4層系統(tǒng)架構(gòu)，分別為感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層以及綜合應(yīng)用層。

1.1 感知識(shí)別層

感知識(shí)別層的作用為獲取當(dāng)前位置信息、溫度、心率以及語音內(nèi)容，及時(shí)獲取上述信息，并將其發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，接收用戶終端的指令并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層傳達(dá)至各傳感器，如圖1所示。麥克風(fēng)接收語音信號(hào)，再通過基于藍(lán)牙協(xié)議的語音通信模塊收集語音內(nèi)容?；赯igbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括DS18B20溫度傳感器和ADPD174心率傳感器，溫度傳感器通過電子加熱模塊采集人體溫度信息、心率傳感器采集人的心率信息，再通過NB-IoT通信模塊實(shí)現(xiàn)感知識(shí)別功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層是智能多傳感器衣服的核心層，它負(fù)責(zé)傳遞和處理各種信息，類似人體的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦。如圖2所示，該層采用Zigbee和NB-IoT協(xié)議相結(jié)合的方式，保證傳感器之間和云服務(wù)器之間的有效通信，同時(shí)通過云服務(wù)器與用戶端進(jìn)行間接通信。另外，音頻傳輸模塊通過Bluetooth協(xié)議直接與用戶端進(jìn)行通信。這樣，感知層獲取的信息就可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層的處理和傳遞，達(dá)到下一層。

1.3 管理服務(wù)層

管理服務(wù)層是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈條的核心環(huán)節(jié)，它在整體設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。如圖3所示，該層根據(jù)用戶端反饋的信息，通過預(yù)設(shè)的算法控制傳感器的工作狀態(tài)，同時(shí)通過NB-IoT通信模塊與感知層和綜合應(yīng)用層進(jìn)行雙向通信，為綜合應(yīng)用層提供應(yīng)用開發(fā)能力和統(tǒng)一接口。

1.4 綜合應(yīng)用層

綜合應(yīng)用層的設(shè)計(jì)主要通過用戶終端實(shí)現(xiàn)位置信息獲取、智能溫控和音頻輸出等功能，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)溫度、音量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并實(shí)時(shí)監(jiān)測和提示自己的心率狀況。此外，后端服務(wù)中心還對(duì)用戶上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整合，并根據(jù)用戶反饋的意見進(jìn)行優(yōu)化，保證更好的服務(wù)質(zhì)量，如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IoT遠(yuǎn)程定位技術(shù)

衣物采用的NB-IoT技術(shù)作為互聯(lián)網(wǎng)通信的分支，屬于新興的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]。其支持待機(jī)時(shí)間長，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT具有以下4個(gè)特點(diǎn)：1）廣覆蓋。在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力，在信號(hào)較弱場景下同樣具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋功能。2）具備支撐連接的能力。NB-IoT一個(gè)扇區(qū)理論上能夠支持10萬臺(tái)設(shè)備連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3）功耗更低。新興的NB-IoT技術(shù)發(fā)展之初就是為吞吐量、成本和能耗都很低的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供支撐。4）模塊成本更低。得益于上述優(yōu)勢(shì)，該項(xiàng)目遵循安全穩(wěn)定與低功耗的原則，使用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程定位與通信，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳入終端。衣物內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議主要為近距離通信效率非常高的紫峰ZigBee技術(shù)。由于其技術(shù)的傳輸范圍為10m～100m，通信距離過短，因此通過與NB-IoT節(jié)點(diǎn)間的接力，形成協(xié)議調(diào)節(jié)器，增加其通信距離。NB-IoT技術(shù)是借助各大運(yùn)營商的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了廣域的覆蓋和無線的移動(dòng)。本項(xiàng)目將NB-IoT用于無線傳感網(wǎng)接入應(yīng)用的通道。不僅如此，由于衣服內(nèi)部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在系統(tǒng)復(fù)雜、安全性不夠以及聯(lián)網(wǎng)接入難度較大等問題，因此該項(xiàng)目將傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和面向低功耗、低成本、廣覆蓋和大容量需求的NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合。對(duì)NB-IoT-WSN組網(wǎng)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)條件，提出目前可以推廣應(yīng)用的可行方案。在該基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換和處理的雙模網(wǎng)關(guān)，在WSN 網(wǎng)與NB-IoT網(wǎng)之間進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)融合。

2.2 基于PID的智能控溫算法

衣物的內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)主要采用PID算法，PID算法是常見的過程控制算法，在溫度、壓力以及流量等控制領(lǐng)域[4]被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)PID算法如公式（1）所示。

（1）

式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；u（t）為控制器的輸出值；e（t）為系統(tǒng)輸出值和觀測值的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將該連續(xù)公式轉(zhuǎn)化為離散公式，因此需要進(jìn)行替換，如公式（2）所示。

（2）

式中：Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e（k）為第k個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)輸出值與觀測值的誤差。

本項(xiàng)目采用單一控制和復(fù)合控制相結(jié)合的溫控儀控制算法，該算法需要溫度傳感器檢測人體溫度和環(huán)境溫度，然后通過遺傳PID算法[5]對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。遺傳PID算法是一種基于遺傳算法的優(yōu)化方法，它可以有效地避免傳統(tǒng)PID算法由于參數(shù)設(shè)定不合理而導(dǎo)致的局部最優(yōu)或者控制效果不佳的問題。遺傳PID算法具有調(diào)試方便、控制精度高以及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的變化。用戶設(shè)定一個(gè)期望的溫度閾值，與溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后通過遺傳PID算法計(jì)算當(dāng)前誤差、歷史偏差和最近偏差，并根據(jù)這些偏差對(duì)溫度傳感器的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其逐漸趨于穩(wěn)定，并達(dá)到人體舒適的范圍。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓展能力突出

衣物內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓展不僅是指設(shè)備連接到手機(jī)等終端，而是連接其他功能組件的能力。單純的智能服裝連接到Internet成為一個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或說大數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，但是這并不能說明是完整的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該衣物使用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh Network）是其本質(zhì)和最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谶@種網(wǎng)絡(luò)下，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以與其他任一設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)交換或控制功能，這就給任一節(jié)點(diǎn)帶來了功能的拓展?jié)摿?，而在一定程度上減少用戶端的復(fù)雜操作，為后期衣物內(nèi)部軟件的迭代更新提供便利。

3 硬件設(shè)計(jì)

通過多傳感器模塊將數(shù)據(jù)上傳至CC2530核心芯片，再通過BC260全網(wǎng)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到用戶終端。用戶可通過設(shè)備顯示屏觀察穿衣者相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)位置查找、溫度控制等功能。其中，主要通過NB-IoT技術(shù)進(jìn)行定位，溫度通過PID算法調(diào)控將人體溫度調(diào)控到最適宜的溫度。

3.1 NB-IoT全網(wǎng)通信模塊

NB-IoT通信模塊是與手機(jī)App、各無線傳感器之間交換傳輸數(shù)據(jù)信息的重要通道，NB-IoT通信模塊一般以串口的形式與單片機(jī)相連。通信匹配成功后，可以作為全雙工串口使用，支持?jǐn)?shù)據(jù)位位數(shù)8位、停止位位數(shù)1位的通信格式。用戶端通過與NB-IoT通信模塊建立連接，由通信模塊向無線傳感器發(fā)送消息，NB-IoT通過協(xié)議調(diào)節(jié)器與基于Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立連接，相應(yīng)傳感器接收消息后做出相應(yīng)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)智能控溫、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)定位等功能。

3.2 智能溫控模塊

智能控溫模塊采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器對(duì)衣服內(nèi)外部的溫度進(jìn)行感知與數(shù)據(jù)傳送，主板再通過遺傳PID算法將溫度調(diào)節(jié)至人體最適溫度。其具有以下4個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：1）采用單總線的接口方式，與微處理器連接時(shí)只需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。2）不需要任何外圍元件，多個(gè)DS18B20并聯(lián)在唯一的單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。由于單總線經(jīng)濟(jì)性好、抗干擾能力和惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，因此測量誤差控制在±0.5℃。3）供電方式靈活，DS18B20通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時(shí)序滿足一定的要求時(shí)，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高。4）掉電保護(hù)功能。DS18B20內(nèi)部含有EEPRoM，在系統(tǒng)掉電以后，仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。另外，該智能控溫系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)及溫度控制也可以通過一鍵式按鈕進(jìn)行調(diào)控。長按按鈕即可開啟/關(guān)閉加熱功能，短按則為調(diào)溫。衣服有3檔默認(rèn)加熱溫度，高檔約為65℃，中檔約為 55℃，低檔約為45℃。三檔溫度可以通過用戶終端重新設(shè)置，能靈活應(yīng)對(duì)天氣溫度的變化，滿足不同的保暖需求。

3.3 語音通信模塊

智能多傳感衣服的帽子和衣領(lǐng)搭載了語音通信模塊，衣服的帽子設(shè)置了WT2605-24SS 音頻藍(lán)牙芯片，WT2605芯片專為音頻藍(lán)牙應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款高品質(zhì)MP3語音編解碼藍(lán)牙芯片，包括一個(gè)功能強(qiáng)大的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）核心，通過UART接口與外部器件進(jìn)行訪問以及數(shù)據(jù)交互，操作簡單，具有以下3個(gè)功能：1）芯片內(nèi)置的模擬接口為用戶提供高品質(zhì)的音頻輸入和輸出，外設(shè)接口豐富，可滿足不同用戶的需求。2）支持標(biāo)準(zhǔn)音頻藍(lán)牙功能，具有高信噪比的ADC以及DAC外設(shè)，分辨率高達(dá)16bit。3）支持錄音功能，可實(shí)現(xiàn)MIC錄音以及AUX錄音，也可實(shí)現(xiàn)音頻藍(lán)牙錄音。

衣服通過Bluetooth協(xié)議與WT2605-24SS音頻藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信，具有藍(lán)牙功能的用戶端與其連接后可以播放相應(yīng)的音頻。也可以通過衣領(lǐng)使用錄音功能，錄音數(shù)據(jù)通過 UART 接口實(shí)時(shí)輸出，方便用戶對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，例如上傳到服務(wù)器或語音識(shí)別等。

3.4 心率監(jiān)測模塊

為檢測使用者的心率，衣服內(nèi)部搭載了心率監(jiān)測模塊。主要采用光電式心率傳感器Si1144-AAGX HRM，其包括4個(gè)主要技術(shù)元件進(jìn)行心率測量：1）光電發(fā)射器。由2個(gè)以上的光發(fā)射二極管（LED）構(gòu)成，將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部。2）光電二極管和模擬前端（AFE），可以捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用于計(jì)算心率數(shù)據(jù)。3）加速計(jì)?？蓽y量運(yùn)動(dòng)，與光信號(hào)結(jié)合運(yùn)用，作為PPG算法的輸入。4）PPG算法。能夠處理來自AFE和加速計(jì)的信號(hào)，然后將處理過的信號(hào)疊加到PPG波形上，生成持續(xù)的、運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)的心率數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。該模塊的關(guān)鍵特性在于有效降低腕上心率監(jiān)測（HRM）應(yīng)用成本和復(fù)雜度，精確感測腕上微弱血流信號(hào)。

3.5 USBPD快速充電

衣物采用100 W快充方式，衣服內(nèi)部設(shè)計(jì)Type-C接口，采用PD協(xié)議。USBPD通信將協(xié)議層的消息調(diào)制成24MHz的FSK信號(hào)并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號(hào)來實(shí)現(xiàn)衣服和充電器通信的過程。

在USB PD 通信中是將24MHz的FSK通CAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平上的，為了使24MHz的FSK不對(duì)PowerSupply或者USBHost的VBUS 直流電壓產(chǎn)生影響，在回路中同時(shí)添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過濾掉FSK信號(hào)。根據(jù)公式：功率P=電流I×電壓U，實(shí)現(xiàn)快充提高衣服的充電功率，就需要提升充電的電流或者是充電的電壓，或者是兩者同時(shí)提升；目前，快充有高壓快充和高電流快充2種方案，本項(xiàng)目采用的是高電壓快充方案，高電流需要對(duì)充電線和充電電路進(jìn)行加強(qiáng)，因此在線材的選擇范圍比高電壓方案差。

3.6 石墨烯面料

考慮到衣服的質(zhì)量問題，本項(xiàng)目的衣服面料采用導(dǎo)熱率很高的石墨烯面料。石墨烯具有極高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率，遷移率為傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對(duì)于微電子器件來說是非常重要的參數(shù)，如果遷移率過低，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱嚴(yán)重、響應(yīng)頻率低等后果。因此，遷移率高、導(dǎo)熱好的石墨烯被認(rèn)為是一種理想的電子器件材料。石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其熔點(diǎn)達(dá)到3850℃，具有很好的穩(wěn)定性。作為新興材料，石墨烯面料在服裝面料領(lǐng)域還在嘗試階段，其具有很好的延展性以及抗靜電能力，可以安全承載各類傳感器裝置；同時(shí)具有抗菌性，肌膚舒適感好，有一定的保護(hù)作用。

4 結(jié)語

目前，市面上的智能多傳感器衣服功能單一，主要是溫度控制，而且技術(shù)水平有待提高。本文設(shè)計(jì)一種集成了溫度、心率、遠(yuǎn)程定位和語音通信等多種功能的智能多傳感器衣服，采用NB-IoT模塊、智能溫控模塊、心率監(jiān)測模塊和語音通信模塊等先進(jìn)技術(shù)，不僅彌補(bǔ)了現(xiàn)有保溫服的不足，也提供了多種實(shí)用功能。此外，這種衣服還配有專門的App，用戶可以通過終端設(shè)備方便地控制各傳感器以及接收各傳感器的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感，為后續(xù)智能多傳感器衣服的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李龑，胡立夫，高銘悅.一種多功能智能控溫服設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2021，643（1）：45-46.

[2]楊守華，林桂全，李秋連，等.一種智能保溫衣服的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2017，519（9）：79-80.

[3]馬斯斯，劉念，金鑫城.基于NB-IoT技術(shù)的智慧井蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試分析[J].粘接，2023，50（1）：187-191.

[4]李銀伢.滿意PID控制器設(shè)計(jì)理論[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[5]王榮光，曹碩桐，田翔，等.基于改進(jìn)的遺傳-PID算法的機(jī)組軸承油霧排放控制策略[J].應(yīng)用科技，2019，46（3）：70-75.