摘要：可穿戴計(jì)算技術(shù)是一種將計(jì)算機(jī)穿戴在人體上進(jìn)行各種應(yīng)用的國(guó)際性前沿計(jì)算機(jī)技術(shù)，是智能環(huán)境的一個(gè)主要研究課題?？纱┐饔?jì)算技術(shù)并非是簡(jiǎn)單地把計(jì)算機(jī)微小化后直接穿戴在人們身上，它需要解決很多關(guān)鍵性的技術(shù)才能真正發(fā)展起來(lái)，以滿足人們的應(yīng)用需求。其中最重要的四項(xiàng)技術(shù)為人機(jī)交互技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線連接技術(shù)和高效能源技術(shù)。若將可穿戴計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智能服裝，可為人們提供一個(gè)舒適的智能環(huán)境。因此，可以用Android智能手機(jī)作為上位機(jī)，AVR單片機(jī)作為微控制器，采用藍(lán)牙無(wú)線通信方式，大容量鋰離子電池作為能源，為運(yùn)動(dòng)受限的病人設(shè)計(jì)一款智能保暖服裝，為他們提供一個(gè)舒適的生活環(huán)境。

　　0引言

　　可穿戴計(jì)算技術(shù)是探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進(jìn)用戶衣服或配件的設(shè)備的科學(xué)技術(shù)。其最核心的理念是讓人們能夠更便捷地使用智能化的設(shè)備而感覺(jué)不到它的特殊存在?？纱┐鹘】翟O(shè)備是把可穿戴技術(shù)應(yīng)用于健康領(lǐng)域，對(duì)用于檢測(cè)身體情況、統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及改善健康狀況的設(shè)備的統(tǒng)稱?？纱┐饔?jì)算是隨著新的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)不斷發(fā)展而產(chǎn)生的。可穿戴設(shè)備是目前市場(chǎng)熱點(diǎn)，要設(shè)計(jì)、生產(chǎn)該類電子設(shè)備，選擇高性能、高可靠性的專用集成電路是其關(guān)鍵因素?？纱┐饔?jì)算系統(tǒng)是一個(gè)人與計(jì)算機(jī)密不可分的集合體，因此，人機(jī)交互技術(shù)是可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了人與計(jì)算機(jī)之間的交互問(wèn)題，人通過(guò)這種交互提高了對(duì)環(huán)境感知的能力。而Android智能手機(jī)已實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)自帶的藍(lán)牙設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)與智能服裝的交互式通信。因此，將“智能化保暖”引入醫(yī)療裝備行業(yè)，用Android智能手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信方式實(shí)時(shí)監(jiān)控保暖服溫度。該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需求設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)保暖服的自動(dòng)保暖功能，為其提供智能保暖，為研制新型醫(yī)用智能服裝奠定軟硬件基礎(chǔ)。

　　1系統(tǒng)構(gòu)成與試驗(yàn)方法

　　1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能

　　本系統(tǒng)的硬件部分由Android智能手機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、主控模塊組成。其中主控模塊集成了以ATmega16芯片為核心的主控板、DS18B20溫度檢測(cè)電路、BQ27210電量檢測(cè)電路、加熱電路。硬件系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

　　圖1硬件系統(tǒng)整體框架

　　目前，在短距離無(wú)線通信中所使用的技術(shù)主要有無(wú)線局域網(wǎng)（IEEE802.11）、HomeRF和藍(lán)牙，它們均工作在2.4GHz頻段，除此之外還有紅外技術(shù)?？紤]到手機(jī)控制終端和遠(yuǎn)程溫度控制器之間的距離一般不會(huì)超過(guò)10m，而且用在開(kāi)放的環(huán)境中，還要降低成本，所以選擇手機(jī)藍(lán)牙無(wú)線通信方式。

　　把手機(jī)作為人機(jī)交互的終端，主要用于保暖服監(jiān)控系統(tǒng)的溫度設(shè)置、保暖服實(shí)時(shí)溫度的顯示、環(huán)境溫度的顯示、供電電源剩余電量的顯示等。另外手機(jī)端還控制著主控模塊加熱電路的開(kāi)啟和停止。手機(jī)屏上的自動(dòng)溫控系統(tǒng)軟件圖標(biāo)如圖2所示。

　　圖2自動(dòng)溫控系統(tǒng)軟件圖標(biāo)

　　點(diǎn)擊自動(dòng)溫控系統(tǒng)圖標(biāo)進(jìn)入圖3所示的手機(jī)控制頁(yè)面。

　　圖3手機(jī)控制頁(yè)面

　　點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，手機(jī)自動(dòng)搜索附近藍(lán)牙設(shè)備，該系統(tǒng)默認(rèn)藍(lán)牙名稱為HC-07，連接到該藍(lán)牙設(shè)備需輸入密碼，默認(rèn)密碼為1234，藍(lán)牙名稱和配對(duì)密碼可以通過(guò)藍(lán)牙串口助手修改，但為了安全起見(jiàn)，不允許用戶修改。

　　藍(lán)牙通信協(xié)議直接對(duì)字節(jié)消息格式編碼，代碼移植性差，對(duì)平臺(tái)依賴性強(qiáng)。為了消除這種依賴，把藍(lán)牙通信協(xié)議提供的接口封裝成為藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信接口。封裝后的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信接口很好地滿足了要求，符合編程習(xí)慣。封裝以后，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議無(wú)關(guān)，不需要對(duì)協(xié)議命令格式的考究，只需連接到單片機(jī)串口，按照串口通信協(xié)議編程即可，增加了應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)的靈活度和可靠度。藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊如圖4所示。核心模塊使用HC-07從模塊，引出接口包括RXD、TXD、GND、VCC等，可直接連接單片機(jī)串口。

　　圖4藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊

　　主控系統(tǒng)接收手機(jī)端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)或命令，并作出相應(yīng)動(dòng)作。控制器核心是由微控制器ATmega16構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器感知保暖服裝溫度，不斷地與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較、計(jì)算溫度偏差，控制算法依據(jù)溫度偏差的大小和控制參數(shù)計(jì)算出控制量，按計(jì)算出的控制量控制保暖服裝加熱裝置的加熱時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)將保暖服裝的溫度控制到預(yù)先設(shè)定的溫度值附近。

　　主控系統(tǒng)有3個(gè)溫度傳感器DS18B20，其中兩個(gè)用來(lái)測(cè)量衣服內(nèi)兩個(gè)點(diǎn)的溫度，系統(tǒng)把這兩個(gè)點(diǎn)的溫度的平均值發(fā)送到手機(jī)端，另外一個(gè)用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度值也通過(guò)主控系統(tǒng)發(fā)送到手機(jī)端。

　　BQ27210是TI公司的一款電池監(jiān)測(cè)器件，對(duì)由獨(dú)立單體鋰離子和鋰聚合電池構(gòu)成的電源系統(tǒng)進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)與報(bào)告。該器件能夠?qū)﹄姵氐娜萘?、溫度和放電速率等進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，以便在各種工作條件下提供剩余電量等信息。在從滿電到無(wú)電的放電周期內(nèi)，自動(dòng)重新校準(zhǔn)或獲取電池容量。該器件內(nèi)部寄存器記錄了電池容量、電流、電壓等信息。外部控制器可通過(guò)I2C串行總線與BQ27210進(jìn)行通信，讀取芯片內(nèi)部寄存器中記錄的電池容量等實(shí)時(shí)信息。BQ27210與外部處理器通信的典型電路如圖5所示。

　　圖5BQ27210典型電路

　　PACK+、PACK-分別接充電器的正負(fù)極，SCL、SDA各接一個(gè)單片機(jī)端口。BQ27210檢測(cè)到的電池信息通過(guò)I2C總線發(fā)送到主控板，經(jīng)主控板處理后發(fā)送到手機(jī)端顯示。

　　加熱電路的核心器件是XL4016，該器件為大功率降壓型DC-DC電源變換器芯片，具有低功耗、高頻率、高效率、大電流、高可靠性等特點(diǎn)，另外其內(nèi)置有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)，很容易實(shí)現(xiàn)PWM控制。加熱電路如圖6所示。其中FB接單片器端口，輸出端接入衣服，衣服由我校材料院用特殊加熱絲織成，衣服導(dǎo)電能產(chǎn)生熱量。

　　圖6加熱電路

　　1.2藍(lán)牙通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　藍(lán)牙模塊只是手機(jī)與主控系統(tǒng)通信的中轉(zhuǎn)站，手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)區(qū)分還需要特殊的通信協(xié)議。

　　手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議如表1所示。當(dāng)手機(jī)端依次接收到0X01、0X00兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，下一個(gè)字節(jié)是剩余電量數(shù)據(jù)，把電量數(shù)據(jù)顯示到手機(jī)端，依次類推，上傳數(shù)據(jù)都是以該模式進(jìn)行的。當(dāng)用戶點(diǎn)擊手機(jī)端“打開(kāi)”或“關(guān)閉”時(shí)，手機(jī)端分別下發(fā)0X00、0XFF，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，分別做出打開(kāi)加熱電路、關(guān)閉加熱電路的動(dòng)作。用戶設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)直接下發(fā)到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)就可以接收到。

　　表1手機(jī)與主控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議

　　1.3試驗(yàn)方法

　　通過(guò)試穿衣服，記錄下身體感受，調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，盡量達(dá)到用戶體驗(yàn)最佳的狀態(tài)。另外，體感溫度受環(huán)境溫度和個(gè)人體質(zhì)等各方面的影響，用戶可以自行調(diào)節(jié)溫度，直到自己感覺(jué)舒適。

　　2系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

　　2.1系統(tǒng)測(cè)試

　　主控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)設(shè)置溫度為15℃。主控板上設(shè)有加熱電路啟動(dòng)和關(guān)閉按鈕，還有設(shè)置溫度增加和減小按鈕，保證主控系統(tǒng)在與上位機(jī)失去聯(lián)系時(shí)能單獨(dú)良好地運(yùn)行。另外，主控系統(tǒng)中設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)衣服內(nèi)溫度低于11℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)閉合加熱電路；當(dāng)衣服內(nèi)溫度高于39℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)斷開(kāi)加熱電路；當(dāng)DS18B20有一個(gè)或多個(gè)故障時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并斷開(kāi)加熱電路。其實(shí)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選擇12V供電電源，在直接對(duì)衣服通電的情況下，衣服最高溫度只能達(dá)到38.7℃。如此很好地保護(hù)了用戶的安全。

　　打開(kāi)手機(jī)端自動(dòng)溫控系統(tǒng)，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，需要輸入密碼才能連接到藍(lán)牙設(shè)備，而且用戶手機(jī)一旦連接到該系統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備，其他手機(jī)就算密碼正確也不能再連接上該藍(lán)牙設(shè)備，再加上特殊設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，保證了該系統(tǒng)通信的安全。

　　手機(jī)端溫度設(shè)置框內(nèi)只能輸入11~39之間的數(shù)字。溫度低于11℃時(shí)，手機(jī)端報(bào)警顯示“溫度過(guò)低”并向下位機(jī)發(fā)送閉合加熱電路的命令；溫度高于39℃時(shí)，手機(jī)端報(bào)警顯示“溫度過(guò)高”并向下位機(jī)發(fā)送斷開(kāi)加熱電路的命令。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)手機(jī)端控制頁(yè)面如圖7所示。

　　圖7系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)手機(jī)頁(yè)面

　　2.2結(jié)果分析

　　由于溫度的慣性很大，為了提高控制的精度，需要采樣控制。采樣控制系統(tǒng)不同于連續(xù)控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是系統(tǒng)中一處或幾處的信號(hào)具有脈沖序列或數(shù)字序列的形式。應(yīng)用采樣控制，有利于提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，也有利于提高控制器的利用率和通用性。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，每5s采樣一次，能達(dá)到很好的控制效果。

　　3結(jié)論

　　今后服裝行業(yè)的科技發(fā)展最主要的任務(wù)就是利用高新技術(shù)和信息技術(shù)改變和提升傳統(tǒng)服裝的功能，這主要體現(xiàn)在智能服裝的研究和開(kāi)發(fā)上?？纱┐饔?jì)算技術(shù)正成為服裝行業(yè)提升附加值的發(fā)展方向之一?，F(xiàn)在，智能服裝正在從實(shí)驗(yàn)室里走出來(lái)，邁向更加廣闊的市場(chǎng)。未來(lái)，本監(jiān)控系統(tǒng)將不再局限于調(diào)節(jié)溫度，可以增加一些傳感器，能夠檢測(cè)出人體心跳、呼吸頻率、血壓等各項(xiàng)生命特征，為研制醫(yī)用智能服裝奠定一些基礎(chǔ)，然后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)醫(yī)用智能服裝市場(chǎng)化、商品化。