第34卷第1期 纺 织 学 报 Journal of Textile Research V01.34.No.1 2013年1月 Jan.,2013 文章编号:0253—9721(2013)01・0096—05 人体生理指标与服装微气候监测系统研发 洪 岩 ,杨 敏 ,陈 雁 (1.苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州2.现代丝绸国家工程实验室(苏州),江苏苏州215021; 215123) 摘 要 为研究人体生理特征指标和服装微气候指标的监测方法,在分析人体健康状况的生理特征指标和人体舒 适感的服装的基础上,探讨了将传感器和显示器技术应用于服装产品的路径与方法,设计了应用于人体生理指标 监测智能服装的信息采集、传输、显示和记录系统,研制了可以用于服装的、以AT89C52单片机为基础的智能化生 理指征监测服装系统。其研究成果可以为传感器和显示器技术在智能服装领域的应用提供参考。 关键词智能服装;生理参数;服装微气候;传感技术 文献标志码:A 中图分类号:TS 941.73 Development of clothing micro climate monitoring system for human physiological indexes HONG Yan .YANG Min .CHEN Yan (1.College ofTextile and Clothing Engineering,Soochow University,Suzhou,Jiangsu 215021,China 2.National Engineering Laboratory for Modern Silk(Suzhou),Suzhou,Jiangsu 2 1 5 1 23,China) Abstract This study is devoted to how to monitor human physiological indexes by observing the change of related indexes of the clothing micro climate monitoring system.Having analyzed the clothing which makes a person feel comfortable and enjoy good healthy as well as related physiological indexes,we investigated the route and method for applying the technologies of sensor and LCD to clothing,designed a smart clothing for collecting,transmitting,displaying and recording the signals from human body,and developed a smart monitoring system for human physiological indexes.The system,based on single chip microcomputer AT89 C52,can be used in the clothing.This findings may serve as a reference for the application of sensor and display technologies in the field of smart clothing. Key words smart clothing;physiological index;clothing micro climate;sensor technology 人体的健康状况一般可以通过一些生理特征间 界环境进行热量交换,来保持体温恒定以维持生命。 接地进行反映,一些潜在疾病的发生也会导致一些 生理参数发生相应的变化。体温值和心率值等指标 是衡量人体是否健康的重要生理指标。为了更好地 对人体的健康状况进行监测,可以对这些生理指标 人体本身产生的热量,通过服装的作用,使人体与外 界所得的热量之间保持平衡。在相同的环境温湿度 条件下,穿着不同的服装可在衣服内部形成不同于 外界环境的温湿度条件,即服装微气候 。服装 参数进行监测和记录 I2 。及时监控一些重要的人 体生理参数,对于预防疾病具有重大意义 。 服装微气候是“环境一服装一人体”工效系统内 微气候可以通过保温、散热、蒸发和换气等进行调 节,而婴幼儿、重症病人、特殊丁种人员等部分人群 可能会处于本身不能表达自己主观感受的状态,需 要通过第三者进行监护帮助,通过调节服装微气候 满足生理需求,所以监测人体舒适度对部分特殊人 的温度、湿度、气流速度等因素的综合,能对人体的 健康状况和舒适感产生影响。人体通过持续地与外 收稿日期:2012—04—25 修回日期:2012—08—13 作者简介:洪岩(1990一),男,本科生。研究方向为功能性服装开发与评价。陈雁,通信作者:E—mail:yanchen@suda.edu.cn。 第1期 洪岩等:人体生理指标与服装微气候监测系统研发 ・97- 群而言显得尤为重要。 随着科技水平的不断提高,人们对服装的要求 已不仅仅停留在御寒、保暖、遮体和视觉美观等基本 功能方面。智能服装的发展成为服装发展的前沿领 域引起了关注,例如温控、形状记忆、光敏变色等服 装能随外界变化而感知并自动产生某些功能。随着 计算机技术、通信技术和网络技术的发展,以及生物 技术、信息技术、物联网技术、材料科学与传统的服 装工艺的结合,智能服装又可以具有更广泛的功能 和用途 ’ 。 目前已有利用传感器监测心率、体温及呼吸等 体态特征,以及可以调节温度的服装方面的相关研 究 ,但是对能够检测人体生理指标的智能化服装 的研究尚处于初级阶段。本文主要从老年人、婴幼 儿、重症病人等特殊人群的实际需求出发,开发设计 了人体生理指标与服装微气候监测系统,为人体生 理指标和服装微气候监测智能服装的设计提供了 参考。 1 生理特征指标和服装微气候测量要素 本文涉及的智能服装需要对人体和服装内相关 信息进行采集和传输,所以需要对检测的人体生理 特征和服装微气候要素进行分析。 1.1 生理特征指标测量要素分析 心率、血压、呼吸等心理机能涉及服装生理属 性,是服装人体监测的重要参量。 体温是人体的基本生命体征之一,是病情进展 及预先判断的重要指标。体温变化的监测有助于对 危重患者病情的诊断评估,临床医护人员对危重患 者的体温测量尤为关注。另外,心脏是人体的动力 泵,其主要生理功能是维持全身的血液循环。心率 是血液循环机能的重要生理指标之一。心率作为重 要生命体征,包含重要的人体生命信息。由智能服 装来采集生命体征信号、储存和报警,甚至将上述资 料传送给远方的监测者,对老人小孩等特殊群体具 有重要意义。 除了心率和体温这2项生理指标能够显示人体 的生理状况外,血压等生理指标对于反映人体的生 理状况也具有重要意义。由于血压等指标的测定需 要比较严格的条件,并且这些指标在发生改变 时会在心率和体温上有所反应,所以只需通过监测 体温和心率就能够实现实时监控特殊人群人生理状 况的目的。 综上所述,体温、心跳作为人体的2项重要体 征参数能够使医护人员及时了解病人的身体状 况,对病情做出相应的判断,为制定治疗方案提供 参考。 1.2 服装微气候测量要素分析 服装对人体的舒适性感觉有热湿舒适性、压力 舒适性、心理舒适性等方面,其中热湿舒适性是评价 服装服用性能的重要方面。 对热湿舒适性的研究一般是从生理学和气候学 2个方面进行,“环境一服装一人体”这个系统中,服 装微气候显示人体热湿舒适性,将服装微气候参数 控制在舒适的范围内,人体就会有良好的舒适度 感觉。 服装微气候指的是人体皮肤与服装最里层之间 的气候,是该微小空间的空气温度、相对湿度、气流 速度的总称,对人体热感觉起着较为重要的作用,人 体感到舒适的服装微气候的温度是(32±1)c∞ ∞ 舳 加 ∞ 如 c、湿 ∞ 度是(50±10)%、气流速度是(25±15)cm/s。服装 温湿度与穿着舒适感之间的关系可归纳为图1所示 的范围 。 出 汗 区 域 蜊 ・霞 嗟 楼 3l 32 33 34 35 36 衣服内温度/℃ 图l舒适的服装温湿度范围 Fig.1 Comfort temperature and humidity franges in clothing j由图1可见,体表温度、微气候湿度是反映劂装 微气候也就是显示人体舒适度的重要指标,故本I文 开发的系统通过体表温度和微气候湿度来提取舒瞧 度指标,表达人体舒适度。 } 1-3测量要素 从智能服装的设计要求和使用者的实际需要l出 发,欲采集的信号将从人体生理特征指标信号和人 体服装微气候信号2方面考虑,如图2所示。 ・98・ 纺织学报 第34卷 f回 人体生理特征指标 团 采集信号 “人体一服装”微气候 f回 【回 图2人体生理特征指标和服装微气候要素 Fig.2 Human physiological factors and clothing micro climate elements 2 生理特征与服装微气候测量方法 提取生理指标和舒适度指标的传统方法为采用 大型监护仪器,或者采用人工测量方法。这些测量 方法工作强度大,并且存在测量误差,不能实时监 测,不能同时获取多项指标的问题。 本文旨在开发能够实时、连续、长时间地检测病 人体温、心跳2项生理参数的系统,通过监测人体微 气候来了解病人的身体舒适度。 2.1 体温测量 目前临床上温度测量的方法和部位多种多样, 研究显示,不同测量部位和方法的实际测量误差有 很大的差别,所以选用误差小的部位和方法具有重 要意义。 2.1.1测量方法 对于本文研究系统的设计目标群体而言,大都 行动不便或者在测试时不方便解开衣服,所以不便 采用测量腋温或肛温;测量口腔又存在被测者生理 不舒适和交叉感染等问题。鉴于各种测量方法本身 的比较结果以及特殊人群的情况,本文采用温度传 感器来进行温度信号的提取。 2.1.2测量部位 温度测量部位有口腔、腋窝、直肠内、颈下、背部 肩胛间等。 背部肩胛间血管由腋动脉的主要分支组成,在 大血管周围、肩胛问区、腋窝和颈部等处形成中心保 暖系统,通过背部肩胛间与腋温测量的对比研究,显 示背部肩胛间测温10 min能较准确地反映体温。 有研究对100例重症监护室患者背部测温的临床观 察,同样证实了卧床患者采用背部测温的可能 性¨ 。基于本文研究的对象特点,选用背部肩胛间 测温方法,可以在不同的姿势下,通过固定在服装上 的温度传感器进行测定,温度测量的误差小 于±1 oC。 2.2 湿度测量 本文研究设计的湿度测量装置旨在能够测量服 装与人体之间的湿度,并具有对湿度超限报警功能, 鉴于此项要求利用单片机及外围电路构成一个监测 系统,达到如下要求: 1)能对服装与人体之间的湿度进行实时监测; 2)检测得到的湿度数据可以实时显示,湿度测 量的误差为±5%; 3)监i贝0系统存在上、下限,超限报警。 2.3 心率测量 从工作方式角度而言,人体脉搏采集处理系统 处理功能的实现有以下2种方式:一种是将人体脉 搏信号的采集和运算等一系列的操作在一个脱机系 统中完成,通常这类系统是用DSP这类具有高速运 算能力的器件来构建;另一种是用专有的硬件设备 来采集人体脉搏信号,然后将采集到的信号传给上 位机 。由于人体脉搏信号的频率较低,主要在 1 Hz左右,用单片机作为处理器可以满足系统对运 算速度的要求,所搭建的硬件系统能够满足实际应 用的要求,所以本文研究所采用的系统使用第2种 方法,将单片机作为核心器件。 3 生理指标与服装微气候测量系统设计 依据服装的设计要求,考虑到低功耗与操作简 单化,生理指标与服装微气候测量系统由图3所示 的8个子系统组成,即:脉搏监测子系统,体温监测 子系统,湿度监测子系统,充放电、电压检测子系统, 单片微机子系统,无线发射子系统,声光报警子系 统,液晶显示子系统。 体温监测子系统 ] l I r— 整形电路 湿度监测子系统 单片微机 —哐塑垄 墨堕 子系统 手 充放电、电压 检测予系统 液晶显示子系 图3系统整体框图 Fig.3 Diagram of system construction 3.1信息采集系统 信息采集系统由脉搏监测子系统、体温检测子 系统、湿度监测子系统组成。本文研究根据目前的 第1期 洪岩等:人体生理指标与服装微气候监测系统研发 ・99・ 技术确定信息采集的方法。 3.1.1体温监测子系统 选用DS18B20温度传感器测量体温指标。 DS18B20温度传感器用12位存储温度值,理论精度 可达到0.05 oC,能实时、精确地检测到人体温度的 变化,可通过单片机在液晶显示器上显示,避免了电 压或电流等模拟信号再转换为数字信号的过程,从 而提高了系统的抗干扰能力和精度。该芯片采用单 线接口方式即可实现与CPU的双向通信,测温范围 为一55~125℃,工作电压为3~5 V(直流电)。 3.1.2体温监测子系统 采用HK20OOB传感器测量心率指标。该类传 感器主要特点是:灵敏度高,抗干扰性较强,过载能 力较好,性能可靠,有较长使用寿命 。传感器处 于测量系统的最前端,起着获取检测信息与转换信 息的重要作用。现在常采用将力敏元件、灵敏度温 度补偿元件集成于传感器内的高度集成化传感器, 主要应用于无创心血管测试、中医脉象诊断。 3.1.3湿度监测子系统 采用DHT11数字温湿度传感器测量湿度指标。 测量范围为20%~90%,测量精度为±5%。它应 用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确 保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 3.2呈 信息处理系统 信息处理系统由单片微机子系统和声光报警子 系统共同构成。信息处理系统作为系统整体的 CPU集成了体温测量、湿度测量和心率测量数据处 理,以AT89C52单片微机为核心。AT89C52单片微 机是低功耗、高性能,具有4 000ByteE2PROM的微 处理器。数字处理部分单片机能对采集的信号处理 后通过液晶实时显示出来,当生理参数异常时启动 声光报警系统,声光报警系统流程图如图4所示。 3.3信息显示系统 信息显示系统由无线发射子系统和液晶显示子 系统组成,满足监护者不同劳动强度的要求以及被 监护者自身的需要。 3.3.1液晶显示子系统 本文采用Nokia/诺基亚5110 LCD作为信息显 示装置,该装置具有以下特点:具有可显示4行汉字 84×48像素的点阵LCD;使用串行接口与主处理器 进行通信,接口信号线较少;支持多种串行通信协 议,传输速率较高可达到4×10。Byte/s,可全速写人 显示数据;可通过导电胶连接模块与印制版,较易安 装和更换;模块的体积较小;采用低电压供电,且具 图4声光报警系统流程图 Fig.4 Flow chart of sound—light alam system 有掉电模式。这些特点非常适合于本文研究的智能 服装系统。 3.3.2无线发射子系统 系统无线传输模块采用NRF905单片无线收发 器,工作电压为1.9~3.6 V,32引脚QFN封 装(5 mm×5 iilm),工作于433/868/915 MHz这3 个ISM频道(可以免费使用)。传输距离为300 m, 满足本文研究的设计要求。 本文开发的系统可以通过专门的接收装置,接 收来自终端目标机的信息。当接收装置的接收地址 与目标机地址相匹配时,数据开始传输,接收机把接 收的数据通过RS232通信通道与PC通信,最终在 PC上位机软件上显示出相应信息。 4 结 语 本文旨在开发设计人体生理指标与服装微气候 监测系统,以单片机为核心,它能够方便地随身携 带,能够对监测到的各种生命参数进行信号处理和 与计算机之间的数据传输,可以用可充电的电池为 能源,移动灵活,并具有超强的抗干扰能力。 人体生理指标与服装微气候监测系统的开发为 人体生理指标和服装微气候监测智能服装的研制提 供了设计思路。该系统借助物联网技术将单片机技 术、传感器技术和信息技术结合服装工艺,通过监测 人体生理特征指标和服装微气候来监测人体的生理 状况和个体舒适度,为传感器和显示器技术以及物 联网技术在智能服装领域的应用提供借鉴与参考。 本文研究开发的系统,可以应用于智能服装的 设计与开发,将在通信、婴幼儿监护、医疗保健、家庭 ・100・ 纺织学报 第34卷 娱乐、军事和工业领域得到广泛的应用。系统器件 的微小型化、柔性化、便携式和穿着舒适性是本系统 今后研究的新方向。 参考文献: 李楠,王莹.电子体温监测探头在危重患者体温监测 的意义[J].天津护理,2007,15(2):97—98. LI Nan,WANG Ying.The significance of electronic temperature monitoring probe used in critically ill patients[J].Tianjin Care,2007,15(2):97—98. [2] 刘伶俐.心率测试衣的设计及心率与部分人体参数 关系的研究[D].杭州:浙江理工大学,2008. LIU Lingli.Design of heart rate test garment and study on the relationship between heart rate and part of the body parameter[D].Hangzhou:Zhejiang Sci—Tech University,2008. [3] 李艳文.人体生理指标监测分析系统的研究[D].天 津:天津大学,2005. LI Yanwen.Study on the physiological indexes monitor and analysis system of the human body[D].Tianjin: Tianjin University,2005. [4] BEDFORD T.The warmth factor in comfort at work『J]. Rep Industry Health Res,1936,76(5):45—60. [5] 张昌.服装热舒适性与衣内微气候[J].武汉科技学 院学报,2005,18(1):4—7. ZHANG Chang.Thermal comfort and micro-climate within clothing[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2005,18(1):4—7. [6] FANGER P O.Thermal Comfort[M].New York: McGraw—Hill Book Company。1972:50—5 1. [7] TAO X M.Wearable Electronic and Photonics『M]. England:Woodhead Publishing Limited,2004:198—214. [8] MEOLI Dina,TRACI May—Plumlee. Interactive electronic textile development:a review of technolo— gies[J].Journal of Textile and Apparel,Technology and Management,2002(2):1~11. [9] 王春红,王瑞,于飞,等,智能电子纺织品及其应 用[J].产业纺织用品,2006(2):42—43. WANG Chunhong, WANG Rui, YU Fei, et a1. Intelligent electronic textiles and its application[J]. Technical Textiles,2006(2):42~43. [10] 陈东生.服装卫生学[M].北京:中国纺织出版社, 2000:124—140. CHEN Dongsheng.Clothing Hygiene[M].Beijing: China Textile&Apparel Press.2000:124—140. [11] 张晓静,洪黛玲,卢洁.新生儿背部肩胛问体温与腋 温关系的探讨[J].护士进修杂志,2003,18(7): 594—596. ZHANG Xiaojing,HONG Dailing,LU Jie.Study on the relationship between temperature in neonate S back scapular location and axillary[J].Journal of Nursing Education,2oo3,18(7):594—596. [12] 许瑞庆.脉搏检测系统设计及其信号处理算法研 究[D].南京:南京信息工程大学,2008. XU Ruiqing.Design and study of signal processing algorithm of pulse detection system[D].Nanjing: Nanjing Information Engineering University,2008. [13] 王家庆.脉搏信号处理方法研究与脉搏测量系统设 计[D].北京:北京工业大学,2006. WANG Jiaqing. Study on method of pulse signal processing and design of pulse measurement system[D].Beijing:Beijing University of Technology, 2006