基于健康監(jiān)測的夏季智能勞保服設(shè)計

季婷婷　叢杉　張永楊

【摘 要】建筑工人長期處于熱濕環(huán)境下，容易受到熱應(yīng)力的侵害，設(shè)計具有實時生理數(shù)據(jù)監(jiān)測及預(yù)警報警功能的勞保服，便于了解建筑工人的身體情況。本文從勞保服的面料、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)及硬件植入方式四個方面設(shè)計，保證了服裝穿著的舒適性、功能性以及數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】健康監(jiān)測;勞保服;預(yù)警

中圖分類號：TS941文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1007-0125（2020）07-0209-02

智能服裝是將賦予人工智能的微型電子元件整合到服裝中，可支持多種交互方式，在保障服裝穿著舒適性的前提下，為用戶提供智能分析、決策支持和反饋控制[1-3]。目前市面上大多數(shù)智能服裝主要應(yīng)用在健康監(jiān)測、安全定位、運(yùn)動健身方面。

夏季著裝行為是影響建筑工人安全、健康的重要因素。中暑、昏厥等危險情況發(fā)生時，一般會出現(xiàn)體溫升高、心率加快等情況，設(shè)計一款實時監(jiān)測溫濕度、心率數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)異常時發(fā)出警報信息的智能勞保服，能有效地保障建筑工人的健康安全。

一、夏季建筑工人的需求

夏季建筑工人長期處于潮濕悶熱的環(huán)境下，舒適安全的勞保服有助人體的排汗散熱。建筑工人的主要需求如下：（一）服裝穿著的舒適性及功能性;（二）生理數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，遇到危險情況時及時發(fā)現(xiàn)。

二、智能服裝設(shè)計思路

智能服裝因為市場推廣、信息安全等問題，普及率不是很高。在設(shè)計前，對建筑工人的需求進(jìn)行市場調(diào)研，結(jié)合微型化電子元件，選取合適監(jiān)測點，采用適當(dāng)?shù)闹踩敕绞奖ＷC服裝的美觀性、舒適性與功能性。如2014年，Mimo公司推出一款智能嬰兒連體衣監(jiān)測寶寶睡覺時的呼吸、體溫以及活動，傳感器隱藏在可拆卸的烏龜殼內(nèi)，通過藍(lán)牙技術(shù)， 將實時監(jiān)測信息推送到智能手機(jī)的應(yīng)用程序上[4]。與智能服裝連接的傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可通過藍(lán)牙、NFC、RFID、ZigBee等無線傳感技術(shù)[5]傳輸?shù)絺€人設(shè)備的APP上，實現(xiàn)人機(jī)交互。

三、智能勞保服設(shè)計方法

（一）面料選擇

從織物的風(fēng)格預(yù)測出發(fā)，根據(jù)織物的基本物理屬性、通透性等指標(biāo)，綜合分析各個部位的性能需求，選取熱濕性能最優(yōu)面料。面料的顏色盡量選擇深色系的。雖然深色系的服裝在短時間內(nèi)穿著會比深色系服裝更熱，但建筑工人受日曬的時間比較久，日曬十幾分鐘后情況會發(fā)生改變。因為人體的熱量可以通過輻射、傳導(dǎo)、對流、蒸發(fā)的方式向外發(fā)散，吸收的熱量可以成為衣服內(nèi)空氣對流的動力[6]。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)不僅會影響服裝的美觀，對服裝的舒適性、功能性也有很大的影響。設(shè)計上衣時，版型寬松，側(cè)縫轉(zhuǎn)移，加幾個口袋的設(shè)計用于放置輕便工具，插肩袖的設(shè)計便于運(yùn)動，加上一些反光條的設(shè)計利于知道位置避免施工危險;設(shè)計褲子時，臀寬加大，腰部半彈性設(shè)計可調(diào)節(jié)腰圍尺寸不適用皮帶更透氣，部分區(qū)域可增加口袋設(shè)計和反光條的應(yīng)用。

（三）健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本文選擇以Arduino[7]程序設(shè)計為主控板操作平臺，通過無線藍(lán)牙技術(shù)與手機(jī)APP連接。首先，溫濕度傳感器、心率傳感器與主控板相連，通過相應(yīng)的程序設(shè)計提取并處理溫度和濕度模塊所接收到的數(shù)據(jù)信息;其次，在達(dá)到溫濕度、心率設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍時，蜂鳴器及時地預(yù)警和報警;同時，藍(lán)牙模塊與主控板和手機(jī)終端相連接，通過低功耗無線傳輸再次將獲得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到手機(jī)端，實現(xiàn)在手機(jī)端實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能。

1.硬件選擇

LilyPad Arduino[8]是為可穿戴設(shè)備和電子紡織品而開發(fā)的特殊版本，小而薄可通過導(dǎo)電線與其他電子元件相連，并且元件防水可與衣物一起洗滌。西班牙巴塞羅產(chǎn)品設(shè)計師設(shè)計的能記錄舞蹈路徑的芭蕾舞鞋E-TRACES[9]運(yùn)用LilyPad Arduino為主控板，通過舞鞋與地板接觸產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與APP相連后可將舞者的滑翔、旋轉(zhuǎn)等動作可視化，方便矯正姿態(tài)等。

藍(lán)牙模塊選用HC-05適合手機(jī)或電腦跟設(shè)備間通過藍(lán)牙串口通信，如數(shù)據(jù)采集，串口打印機(jī)，智能車，戶外點陣屏控制等。

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，具有小體積、低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、范圍廣、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定性、性價比高等優(yōu)點。

MAX30102[10]是一款用于可穿戴健康設(shè)備的高靈敏度集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊，具有體積小、極低功率、數(shù)據(jù)輸出快等優(yōu)點。

蜂鳴器作為本文的智能預(yù)警和報警的實時反饋裝置，便于建筑工人在工作過程中遇到危險情況可以更為直觀地了解。

2.總體軟件設(shè)計

LilyPad中的2號輸入數(shù)字引腳與AM2302傳感器對應(yīng);LilyPad中的3號輸入數(shù)字引腳與MAX30102傳感器相連接;蜂鳴器對應(yīng)LilyPad中的9號輸出數(shù)字引腳。

由于LilyPad Main Board不帶有USB接口，所以本文選擇CH340G下載器連接。CH340G是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，體積小、功能強(qiáng)大，可作為串口通信、單片機(jī)下載器、路由下載器、硬盤固件修復(fù)。

3.手機(jī)實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

本文手機(jī)端的作用主要是通過藍(lán)牙的無線傳輸技術(shù)接收Arduino端傳來的數(shù)據(jù)，在手機(jī)端查看實時監(jiān)測的溫濕度與心率數(shù)據(jù)。藍(lán)牙串口助手APP的主要功能是用于調(diào)試藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口透傳模塊，屬于硬件調(diào)試工具，并通過藍(lán)牙搜索、設(shè)備連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

（四）硬件植入

以導(dǎo)電縫紉線的方式實現(xiàn)電子元件與服裝的固定與導(dǎo)電。將主控板LilyPad放置在服裝背面的下方不影響日?；顒?，溫濕度傳感器放置于左側(cè)腋下熱濕變化明顯的部位，心率血氧傳感器置于左手腕部便于感應(yīng)的位置，作為報警信號裝置的蜂鳴器置于右側(cè)下擺處貼身部位，以達(dá)到適應(yīng)人體運(yùn)動需求、服裝舒適性需求、電路連接安全、準(zhǔn)確性以及通信傳輸?shù)男枨?。藍(lán)牙模塊硬件根據(jù)其無線傳輸?shù)姆秶Y(jié)合溫濕度傳感器以及心率血氧傳感器的安裝位置，最終確定將藍(lán)牙模塊硬件安裝于左肩部位。

四、結(jié)論

本文結(jié)合夏季建筑工人的工作環(huán)境，在保證舒適性的前提下設(shè)計一款具有報警和預(yù)警功能的智能勞保服。以Lilypad Arduino為主控板，根據(jù)硬件監(jiān)測范圍、準(zhǔn)確性選取最優(yōu)的藍(lán)牙模塊、溫濕度傳感器、心率血氧傳感器等，通過無線傳輸技術(shù)將Arduino監(jiān)測到數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端實現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)生理數(shù)據(jù)異常時蜂鳴器發(fā)出警報。

電子元件向微型化柔性化持續(xù)發(fā)展，由于兼容性、生產(chǎn)成本高并沒有得到廣泛應(yīng)用。未來的健康監(jiān)測服裝將朝著柔性化、美觀性、精確性不斷進(jìn)步。

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