基于DS18B20和CC1101的智能温控衣服研究

胡欣宇++常晋宇++王亚松++王博++王涛

摘 要：文中通过基于无线温控模块对智能温控衣服进行研发，主要利用了无线通信技术，温控模块，传感器技术等实现对衣服的升温降温，同时通过传感器来监测人体与外界的体温差距以自动对衣物温度进行控制，也可以在手机端手动控制温度高低，同时还可在手机上观看自己一天的运动量，并显示健康状况，如血压、心率、体温、呼吸速率等。用戶通过手机端根据自身需要可智能控制衣服温度以使人体感到舒适。此外，由于该智能温控衣服均使用低功耗、低电压模块实现诸多功能，因此人身安全可得到有效保障。考虑到人体会因剧烈运动而产生汗液，为防止汗液进入电路中导致电路老化，故我们采用新型防水绝缘材料。

关键词：无线通信；传感器技术；智能控制；防水绝缘

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

现阶段，智能科技几乎涵盖了人类生活工作的所有方面，而我们研制的产品符合现阶段人们的穿衣需求。目前，冬天人们大都依赖棉、毛等天然物品制成的衣物来保暖，但穿上由这些材料制成的衣物后使我们变得臃肿，行动不便，不符合年轻人穿衣单、薄、轻便的风格；到了夏天，由于天气比较炎热，出汗后衣物贴在身上不舒服。基于这些原因我们设计了一款智能温控衣服，通过智能传感器采集信息，由手机端实现身体状况的监测并分析信息来控制衣服的温度，首先解决保暖问题，其次实现制冷。这款衣服不仅可以满足普通大众的需要，还对风湿病有一定的缓解作用。现阶段是云计算、物联网、计算机的时代。而智能温控衣服实现了通过云计算促进硬件与软件互通互融，促进新型商业模式快速革新的目的。目前智能手机的功能发展迅速，可直接通过手机App进行控制，实现全智能化。

1 智能温控衣服的工作原理

智能温控衣服的设计主要包括手机和衣服上温控电路的无线连接，智能控制技术和衣服材料的选择。

1.1 智能温控原理基于DS18B20传感器

美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术[1]。所有的传感器件和转换电路均集成在很小的集成电路中。一线总线可使使用者轻松构造传感器网络，为温控系统的搭建引入新的理念。目前，新一代DS18B20相比其他温度传感器而言更加经济、灵活、精致，方便使用者充分发挥“一线总线”的优点。与DS1820相比，DS18B20同样兼容单总线连接方式，测温区间为-55℃～+125℃，在-10～+85℃区间内，精确度的浮动约为±0.5℃[2]。DS1822的测温精度较低区间为±2℃。实际温度可直接用单总线的数字形式传输，极大地提升了系统的抗干扰能力，使其能够适应各种恶劣的环境，如测温类消费电子产品、设备或过程控制、环境控制等。且新的温度传感器支持低电压，使用电压范围为3～5.5 V，使得系统设计更加精致，实用性强。

1.1.1 DS18B20、DS1822的特性

DS18B20的精度为±0.5℃，程序可设置为9到12位的分辨率，可使用更宽的电压区间与更精致的封装方法。用户报警的温度和分辨率设置保存在E2PROM中，即使突然断电也可实现自动保存。DS18B20是新一代产品中的佼佼者，性价比极为出色，DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本，但去掉了保存使用者报警温度的功能，且精度下降为±2℃，适用于对资源严格控制，性能不做要求的环境中。自“一线总线”出现后，DS1820开创了温度传感器技术的新理念[3]。通过DS18B20和DS1822可以建立经济的测温系统，原理如图1所示。

DS18B20的主要特性如下所示：

（1）可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，对应的分辨率在9～12位，可实现高精度测量。

（2）接口方式独特，DS18B20仅需一条口线就可实现与微处理器的双向通讯。

（3）DS18B20的所有传感器件及转换电路均集聚在极小的电路中，且多个DS18B20可同时并联在单独的三线上，实现组网多点测温。

（4）测温范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（5）电压适用区间为3.0～5.5 V，可通过外接电压提供（充电宝，太阳能电池等）。

（6）测得的数据输出为数字温度信号，可传送CRC校验码，也可通过“一线总线”串行的方式将其传送到CPU，拥有很强的抗干扰纠错能力。

（7）负压特性：当电源的正负反接时，芯片不会被烧坏。

1.1.2 硬件原理

图2中低温系数晶振的振率对温度的影响非常小，生成的固定频率直接传送给计数器1。高温度系数晶振随温度的改变变化很大，因此新信号作为计数器2的脉冲输入。温度寄存器和计数器1被暂时存放在-55℃对应的基数值上。计数器1对低温系数晶振产生脉冲信号，产生的脉冲信号做减1计数，当计数器1的预置值减为0时，温度寄存器的值加1，此时计数器1的预置值将会重新被装入，计数器1再次对低温系数晶振产生的脉冲信号计数，循环往复，直到计数器2的计数值为0，则终止对温度寄存器值的叠加，此刻温度寄存器中的数值就是目前的温度。

温控原理如图2所示[4]。

1.1.3 测温流程

智能温控App的初始温度为15℃。主界面设有温度降、升按钮，还设有加热电路关闭和启动按钮，系统出现故障时能够通过手动方式来调节温度。此外，该App中还设有保护系统，当智能温控衣服内的温度高于39℃时，蜂鸣器自动报警并切断加热电路；当智能温控衣服内温度低于11℃时，蜂鸣器自动报警并开启加热电路；当DS18B20出现故障时，蜂鸣器报警并关闭电路。经过反复测试，最终发现在选择12 V供电电源时可达与人体相近的温度，有力保障了人身安全。打开手机主界面自动温控系统，点击“连接设备”，设置密码，防止其他手机接入，手机端的温度在设置框内只能输入11～39之间的数字。当温度高于39℃时，手机界面显示“温度过高”断开加热电路；当温度低于11℃时，手机界面显示“温度过低”打开加热电路[5]。测温流程如图3所示。endprint

1.2 无线技术的原理

智能温控衣服主要使用C8051F310单片机最小系统和CC1101无线通信模块。通常最简单的无线控制系统由单片射频收发芯片、微控制器及显示设备和少量外围等构成。

该温控衣服由外接电路、接收模块、处理单元、发射模块等构成。当发射模块发出信号时，接收模块会做出回应，如LED灯。

（1）发射和接收装置。无线收发单元使用CC1101芯片。C8051F310单片机和CC1101采用串行外设接口连接，该芯片功耗低、体积小，数据速率在6、35、56、100 MHz波段工作，支持-30～10 dBm输出功率，同时，还可以控制在1.2～500Kb/s范围内编程。文中CC1101工作在6 MHz的频率上，采用偏移调变调制方式，信道间隔为200 kHz，数据速率为100 Kb/s。

（2）处理单元。选择兼容性较好，性能稳定的C8051F310单片机作为处理单元，该单片机系统工作电压范围为2.7～3.6V。

C8051F310单片机使用射频片上系统实施无线通讯技术，是开发低功耗、低成本无线通讯应用系统的理想方案。射频片上系统设计独特，使微处理器与高频线路与无线芯片之间可默契合作，将数字电路对高频通讯的影响降到最小；C8051F310单片机从无线芯片到天线之间只有简单的滤波电路，无需对高频电路另行设计，由于其将高频部分电路全部集成到了电路内部，同时C8051F310是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，因此具有价格低廉、体积小巧、控制灵活、重量轻等优点，配置一个简单的电路即可设计完成整个电路系统。

2 本产品具有的功能

2.1 智能控制温度功能

通过传感器感应内部和外部的变化来进行控制，如光、热、电磁、震动、应力等的强度和变化[6]。智能衣服的功能框图如图4所示。

通过对自身、纺织品及电子器件的接口进行分析，通过温湿度自动控制技术、无线通信技术、均压性技术及其他技术可实现手机、衣服与人的交互，使智能温控衣服变成人们的穿衣必备品。通过使用低电压小型接口来产生热量以满足人体生理所需，顾客可以通过手机自己调控衣服和身体之间的温度变化来达到最舒适的效果。这套智能温控衣服加热技术的主要成份是很细的导电纤维，穿插在衬里与表层之间，每根导电纤维的粗细可与毛发匹及，这些加热组件具有弹性和防水性。感应器安装在对人体、气温敏感的地方，可以迅速感应人体和外界温度，通过编写Java代码设定适合人体的最佳温度。当后台设定与外界变化的数据不一致时，可自动对衣服升降温，也可通过手机App手动操作，如图5所示。

2.2 测量生命体征的功能

通过选择合适的面料以及其他防水材料来实现防汗液、耐洗、无线网络体能分析与抗压功能。在手机端显示各项指标，实现生命体征的测量，它能检测、追踪使用者的身体状况，智能显示用户最近的健康状况，并通过大数据对比来分析个人的情况，为每个用户制定一套专属的运动计划，由传感器智能检测并显示血压、心电、血氧、脉搏等其他各项生理指标。

2.3 体验音频的输出功能

随着科技的发展，芯片进入衣服已成為一种趋势，这些微芯片首先被植入衣服中，不但使用方便，还不会影响穿着的舒适性。

音频模块由多媒体卡模块与可拆卸电池、语音处理芯片和微处理器、话筒和耳机以及柔韧的传感器键盘等组成。音频芯片可直接连接到话筒、耳机、显示器、存储器、传感器、键盘和驱动器[7]。

3 材料的选择

3.1 防水透气绝缘材料

衣服是生活中与人体最贴近的一种必须物品，因此有很多服装设计师在设计满足人们防寒保温、审美需求的衣物。而智能温控衣服是在这两个基本的功能需求上增加了智能温控的功能。要实现这些需求，首先要有较好、合适的布料。

经研究，实验打算选用一种防水、透气、防电的高性能布料。这种布料在基本布料柔软、舒服的基础上增加了防水、防潮、透气性好、防渗透的功能。

3.2 使用太阳能电池

现阶段智能穿戴最大的问题就是供电，太阳能电池的使用可以有效解决该问题。德国斯图加特大学和霍恩斯坦因研究所共同研制出了一个肩部太阳能电池，小巧、柔软，可为智能温控衣服提供充足的电源。现阶段太阳能电池主要的争议在电池的耐久度与衣服之间的衔接性及是否舒适等问题，这些问题如果得到解决，那么就可以广泛使用在服装上[8]。

3.3 微型元器件的使用

现如今，随着科技的发展，电子产品越来越趋向于轻便可携带的产品，计算机的鼻祖是一台巨型的，约两吨重的大机器，而现在，可携带的笔记本已成为主流，更小型的电脑即智能手机重不到半斤。目前研究人员正在寻求使电子产品与衣服相结合的方式，通过这种方式可以安装开关及传感器，并将其集成在衣服中，不影响用户的穿着舒适度[9]。由于每一件衣服都需要具有良好的耐用性、柔软性及便于清洗等特点，而电子产品必须做成适应于衣服的舒适度，因此需要开发软键盘、柔性开关、软化接口和软触界面柔性开关等。

3.4 传感器的选择

DS18B20是常见的温度传感器，具有精度高，抗干扰能力强等特点。且外接电压较小（3～5 V），安全系数比较高，对人体穿衣的舒适度影响较小，适合穿戴。硬件开销小，成本低，能为普通大众接受。综上，DS18B20是最适合的温度传感器。

3.5 加热材料的选择

本产品主要运用碳纤维加热丝。碳纤维作为发热体具有耐氧化、升温快、耐高温、电热转化效率高、使用寿命长等优点，有效解决了碳化硅、金属丝等电热材料强度低，使用寿命短、易氧化的问题，成为上述电热材料的替代品。智能温控衣服实物如图6所示。

4 结 语

通过上面的陈述，我们研制的智能温控衣服在技术、材料、功能等方面都是可行的，该款衣物可以自动调节温度或手动调节温度，满足人体的不同需求，同时还可以测试其他数据，如湿度、光照、震动等，感知现阶段衣服的湿度，并测得现阶段是在行走还是在跑步状态。还可以通过光照感知天气的好坏，全方面对身体进行实时监测。因此具有很好的发展空间，未来或许会成为人们穿衣的一种潮流，可满足各类群体，如南极考察者、登山爱好者、运动员及有风湿病的老年人与喜欢单薄轻便衣物的年轻人等。

参考文献

[1]施昆松.多个数字温度传感器DS1820地址的自动搜寻[J].电子设计工程，1997（1）：4-6.

[2]高敏.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].广州城市职业学院学报，2016，10（4）：26-29.

[3]张天鹏，魏蔚.“一线式”数字温度计DS18B20原理与应用[J].办公自动化（综合版），2009（2）：24-26.

[4]胡亚范.远红外辐射加热技术节能原理与应用[J].红外技术，2002，24（5）：58-59.

[5]翟军辉，薛天宇.基于可穿戴计算技术的保暖服监控系统设计[J].微型机与应用，2015，34（4）： 26-28.

[6]郭锐.电子智能服装的开发现状及其市场分析[J].轻纺工业与技术，2010，39（3）：55-58.

[7] U R B Sastry，黄鹤.全球智能纺织品发展综述[J].国外纺织技术，2004（12）：1-3.

[8]程彦钧.智能型电子纺织品的市场展望[J].电子技术，2006（5）：74-77.

[9]唐昱.智能纺织品：信息技术与纺织工业的结合[J].印染，2002，28（10）：50.endprint