智能服装中无线射频技术的应用

徐 军，郭 慧，王 婷

（1.西安工程大学服装与艺术设计学院，西安 710048；2.西安工程大学计算机科学学院，西安 710048）

智能服装中无线射频技术的应用

徐 军1，郭 慧1，王 婷2

（1.西安工程大学服装与艺术设计学院，西安 710048；2.西安工程大学计算机科学学院，西安 710048）

以无线射频收发芯片nRF24E1为核心，采用各种传感器，应用传感技术、无线收发技术及计算机技术，实现人体生理参数的采集与传输．将基于射频芯片的人体参数的测量及短矩离无线传输应用于服装中，实现了智能服装的设计，并阐述了无线收发芯片在服装中的具体设置及系统的硬件电路结构．

智能服装；传感器；无线射频

许多专家认为智能服装的研究对于整个纺织产业、半导体产业乃至全人类的传统生活方式都将是一场巨大的变革，智能服装是将来纺织服装业的发展趋势．面向智能服装的各种参数采集及信息传输系统的开发研制在我国是一个崭新的课题，对于我国科技事业的发展及服装行业的腾飞具有深远的意义[1]．由于人体生理本身的复杂性，使得智能服装成为一个复杂的系统，它是传感器、信号检测、信号处理、智能材料、无线通信、嵌入式系统的有机统一体，尤其是在无线通信技术方面仍需要很大的提高.可穿戴计算机的实现，其功能不仅要能够对远程信息进行存取或与附近其他设备交流信息，而且要通过无线网络技术解决移动中通信的问题[2-4]．现有的人体参数测量仪器多半都只能测量人体的某一种参数，而且一般使用有线的方式来传输数据，这些已经无法再满足人们的需求[5]．无线射频技术较有线传输技术在成本、体积、内耗、便利性和适应性等方面都有明显的优势.因此，本文在无线射频技术的基础上，提出了一种可以采集多种人体生理参数，并用无线射频进行数据传输的方法．

1 核心芯片的选择

本文核心芯片采用无线射频芯片 nRF24E1. nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款单片2.4 GHz无线收发芯片，采用0.18 m CMOS技术制造，以增强型51为内核，9路10 bitADC，采样率可达100 kbit，具有125个频道，传输速率可达1 Mbps，内置CRC校验并支持多点通信.1.9～3.6 V低功耗工作，内置电压监视和复位电路，多种省电模式可供选择，待机电流仅为2 A.nRF24E1可广泛应用于无线水表、煤气表、电表、无线数据采集装置、无线身份识别智能卡、无线耳机、无线鼠标、无线键盘、PDA手持终端等短距离无线通信场所[6].其内部结构见图1.

nRF24E1内部重要组成如下：

（1）nRF24E1的微控制器中有256字节的数据RAM和512字节的ROM.上电复位或经软件初始化后，处理器自动加载ROM引导区中的代码.

（2）SPI的3个口（SDI、SCK和SDO）与GPIO（DIN0、DIO0和DIO1）共同复用P1口的3个引脚（P1.0、P1.1、P1.2）.SPI硬件不产生任何片选信号，通常用GPIO位（P0口）作为外部SPI设备的片选口[7].

（3）nRF24E1内有9通道10位ADC，线性转换时间为每10位48个CPU指令周期.A/D转换器可在ARFE输入和内部1.22 V的带隙参考之间进行软件选择.转换器的9个输入可由软件进行选择.

（4）nRF24E1收发器通过内部并行口或内部SPI口与其他模块进行通信，同单片射频收发器nRF2401具有相同的功能.DuoCeiver接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其作为微处理器的中断或通过GPIO口传给CPU.nRF24E1工作于全球开放的2.4～2.5 GHz频段.收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成.发射模式下，射频电流消耗仅为10.5 mA，接收模式下为18 mA.为了节能，可通过软件程序控制收发器的开/关[8].

2 基于射频技术的智能服装设计

本文以胸衣为例来阐述基于无线射频技术的智能服装设计方法.

2.1 款式设计

选料是款式设计中的一个重要环节.由于测量生理参数时需要人体保持一定的体温和湿度，因此所选择材料首先要具备排汗速干性能，其次压力参数的测量需要面料具备一定的弹性.基于上述要求，本文选择采用了以纯棉为内层、95%棉与5%氨纶混纺的针织面料为外层的面料.

本文所设计胸衣的款式如图2所示.图2（a）为胸带外层的后片，图2（b）为胸带外层的前片.肩部与右侧缝的设计采用的是粘合式，不仅使得被采集者或者病患穿脱简便，便于医护人员的工作，而且可以随着人体的肥胖度进行调节，以免胸带本身的松紧度过大而影响压力参数的采集.同时在内层的设计中设置有安置传感器的小型口袋，从而保证传感器的固定性与贴身性.

2.2 硬件装置与服装连接关系

服装舒适性主要包括热湿舒适性、触感舒适性和压力舒适性3个方面[9]，因此设计智能服装时主要以压力、温度、湿度的参数及生理参数心率为主要采集数据.其中压力数据采集主要以人体受胸带压力较大的受力点为研究对象，并作为研究服装压力舒适性的基础数据.根据文献显示，女胸衣各部位压力较大点为肩点、胸衣侧缝处、脊柱后中线两侧[10].因此，采集系统的布置方案如下：压力传感器设置于人体受胸带的压力较大部位，即左肩部最高点、左腋下胸衣侧缝、脊柱后中线左侧最高点；温度、湿度传感器置于胸带内插垫片的空隙处；测心跳所用话筒置于左胸上部心脏位置且贴近皮肤，便于更好的接收心脏跳动所发出的声音信号；参数采集模块置于腰际处，以舒适、不影响人体运动为原则；而数据上传模块则置于人体25 m范围内即可.

无线收发芯片nRF24E1能够实现在25 m内的数据无线发送与收取，不仅解决了传统参数采集系统有线的各种不便，而且更加微型化、智能化，易于实现二次开发．

2.3 服装中的硬件装置设计

智能服装中的硬件装置主要由两部分模块实现：参数采集模块及数据上传模块，其主要芯片均为nRF24E1．此外，参数采集模块中还包括压力、温度、湿度传感器及采集心跳的电路；数据上传模块还包括LED显示、实现串口通信的芯片．具体如下：各个传感器及采集电路将采集到的人体生理参数传输到核心芯片，经芯片的数据处理后，通过无线传输技术传输到另外一块射频芯片nRF24E1上，通过其处理进行显示和上传至PC机中．

需要采集时，由上位机发出唤醒命令，通过无线将命令传送给下位机，使之转至工作状态；上位机在完成发送命令之后便转入接收状态，当收到下位机传来的传输数据命令后便作接收数据准备，发射模块进入输入状态，继而接收经延迟后由下位机发来的数据；在将数据送入计算机后，上位机终止发射状态．下位机在接到上位机的唤醒命令之后，由休眠状态转入工作状态；经延时后，收发模块关闭，下位机进行采集和A/D转换；完成A/D转换后，下位机收发模块开启成发射状态，对上位机传送数据之后系统复位，收发模块关闭．上、下位机间的通讯模块不可同时处于接收状态，否则会出现无规则的干扰信号．

其中，压力传感器选择电阻应变式测力传感器，其具有成本较低、静态精度高、长期稳定性好、坚固耐用等优点；基于核心芯片的结构与经济关系，湿度传感器选择模拟型，而温度传感器选择数字型，因为模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差；心跳采集电路主要由话筒及集成电路LM324组成，由话筒采集到的声音信号经放大器集成电路的转化，形成计数脉冲可供计数电路计数，得到心率的数据；74LS164为译码芯片，用以驱动采集到的数据的数码管显示，根据期望得到数据的精确度来设置数码管的个数；MAX232实现射频芯片与PC机的串口通信.电源部分是模块的另一重要部分，其性能的好坏将直接影响各部分的工作．在射频电路中，对电源的要求更为严格，除了要考虑电源的负载能力、稳定性外，还要注意电源的瞬态响应能力．当无线收发部分处于快速状态变换时，如果电源的瞬态响应达不到要求，就会影响数据收发的实现．另外，射频芯片能承受的最大电压为3.6 V，因此选用AMS1117以实现5 V电压到3.3 V的转化.具体硬件设计模块如图3所示．

3 结 论

本文不仅介绍了无线射频芯片及射频技术在服装中的应用，还给出了芯片的确定及其硬件设置的思想．基于nRF24E1的人体参数采集及数据上传的心率、压力、温湿度测量系统电路简单，性能稳定，搭建方便、易于扩展、可靠性高，室内实际发射距离约25 m，可以帮助医护人员更好地掌握病人的身体状况．后期还可实现更多参数采集的扩展，各项数据可通过计算机软件的数据库和可视化功能进行存储和查看.该技术有广阔的应用前景．

[1]LANGENHOVE Van Lieva，HERTLEER Carla.Smart clothing：a new life[J].International Journal of Clothing Science and Technology，2004，（1）：63-72.

[2]RANTANEN J，IMPIO J.Smart clothing prototype for the Arctic Environment[J].PersonalTechnologies，2002（6）：3-16.

[3] 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.

[4]ROSSI D D，DELLA Santa A，MAZZOLDI A.Dressware:wearable hardware[J].Materials Science and Engineering，1999（7）：31-35.

[5]余海钱，廖海洋，王 涵.基于MEMS技术和无线射频网络的人体健康参数采集系统 [J].传感技术学报，2006，19（5）：2100-2106.

[6]李 劼，杨 剑.基于nRF24E1的无线射频数据采集系统设计[J].工业控制计算机，2006，19（8）：6-7.

[7]郑启忠，朱宏辉，耿四军，等.系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程 [J].单片机与嵌入式系统应用，2004（7）：42-45.

[8]吴钊炯，张 莹，刘新朝.基于nRF24E1的嵌入式2.4 GHz无线接入系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2005（6）：39-41.

[9] LI Yi.Clothing comfortable and its application[J].Textile Asia，1998，29（7）：29-33.

[10]王越平，赵 平，高绪珊，等.女胸衣压力舒适性的客观评测[J].纺织学报，2006，27（11）：90-93.

Applications of RFID in intelligent clothing

XU Jun1，GUO Hui1，WANG Ting2
（1.College of Apparel and Art Design，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China；2.College of Computer Science，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

The collection and transmission of human physiological parameters are realized with sensing technology，wireless transceiver technology and computer technology by using RF transceiver chip nRF24E1 as core and adopt various sensors.The measuring of human body parameters which based on RF chip and short-range wireless transmission is applied to the clothing in order to realize the design of intelligence clothing.The specific setting of wireless transceiver chip which is applied in the clothing and the hardware circuit structure of system are expounded.

intelligent clothing；sensors；RF

book=1,ebook=74

TS941.779.9；TN99

A

1671－024X（2010）01－0077－03

2009-05-25

陕西省国际科技合作计划项目(2003KW-01)；西安市科技攻关项目(GG200357)；中国纺织工业协会指导性计划项目（2007085）；陕西省教育厅自然科学基础项目（07JK262）

徐 军（1969—），女，博士，教授.

徐 军（1969—），女，博士，教授，E-mail：xujun0127@yahoo.com.cn