基于可穿戴技术的智能服装平台探究

朱祥成,刘亚侠,*,刘华新

(1.北京服装学院 服装艺术与工程学院,北京100029;2.内蒙古工业大学 轻工与纺织学院,内蒙古 呼和浩特010051)

随着以现代通信技术、互联网技术、数据库技术为基础的信息化生产力的迅速发展,物联网技术与人们的日常生活已经密不可分。物联网技术是在互联网技术基础上的扩展与延伸,物联网将互联网的人人相连转变为人物相连、物物相连、物人相连[1]。由于物联网与电子信息技术的日趋成熟以及可穿戴技术和新材料技术的不断突破发展,人们对服装的要求不再局限于遮体和服装款式造型的美观与得体,而是进一步要求服装的个性化、便捷性与智能性[2]。人们要求未来服装能够具有娱乐交流、生理检测等功能,智能服装可以根据用户需求和使用环境的不同,做到功能定制。

在纺织服装行业中,智能服装已经成为发展的新方向与新动力。目前实现服装的智能化主要有2种方式:(1)通过对纺织纤维进行改性,使纺织纤维具有导电、变色、记忆等功能,将具有特定功能的改性纤维单独或与普通纺织纤维交织制成智能面料,用含有智能纤维的面料制成智能服装。(2)将微电子技术、通信技术、能源技术等与人们日常服装相结合,包括对导电纺织材料、柔性传感器、纳米发电机等产品的应用,让服装在保留服用性能的情况下,能够实现检测、交流、反馈等功能[3]。现基于可穿戴技术的发展现状及前景对智能服装的实现进行探究。

1 可穿戴技术

可穿戴技术(wearable technology,WT)是一项把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣着中,可支持手势和眼动操作等多种人机交互的创新技术。同时,可穿戴技术也是探索和创造某种设备能直接穿在身上或是整合进用户的配件的科学技术[4],这些设备常用的形式有手表、眼镜和项链,也有大衣、鞋子等。可穿戴技术产业在发展过程中衍生出两大分支,一类是智能可戴设备,另一类是智能服装。依托可穿戴技术所制造的产品不仅仅代表的是一种硬件设备,同时它也是一种能够迅速获取数据信息并实现信息云交互的智能终端平台。可穿戴技术与人工智能(AI)的结合,不仅可以让电子设备更加人性化,而且可以达到利用可穿戴技术影响和改变人们生活方式的目的。

1.1 可穿戴技术发展现状

早在20世纪70年代可穿戴技术就已经出现,这项技术只是为了方便赌徒在赌场作弊而出现,由于当时电子技术发展不成熟,并且不能满足大众消费的需求,所以可穿戴技术并没有得到真正的发展。随着近年来人们对高集成化电子设备需求的不断提高,可穿戴技术已然成为了产业和学术的焦点。在可穿戴技术发展过程中较为经典的智能可戴设备产品是由谷歌公司于2012年发布的“增强现实”眼镜Google Project Glass[5],如图1所示。使用者可以通过声音控制眼镜,来实现通话、照相、文件处理等功能。伴随着谷歌眼镜的出现,可穿戴技术逐渐被大众认知,各大科技公司也纷纷推出自己的智能可戴产品。如苹果公司2014年推出的智能手表Apple Watch,这是一款基于健康和运动功能的设备,它可以实时对运动数据进行记录。Jawbone up智能手环可以跟踪使用者的活动状态、睡眠状态等数据。Nixie可穿戴无人机颠覆了人们对传统无人机的固有印象,当它折叠时可以像手表一样戴在手腕上,而展开时就是一架四旋翼无人机,能够实现飞行、实时录像及数据传输功能,如图2所示。

图1 谷歌眼镜Google Glass

图2 Nixie可穿戴无人机

目前对于智能服装来说,由于不能满足日常使用要求,大规模工业化生产实现比较困难,又有许多可替代的产品,所以现在出现在市场上的智能服装只有一小部分,大多数的产品无法由实验室里的雏形走向产业化。2016年在谷歌I/O大会发布了由谷歌和李维斯合作生产的智能夹克,如图3所示。该款智能夹克将电容导线织入服装的袖子里,让左袖成为了触控板,通过在袖子上滑动和点击,就能操控口袋里的手机(如双击播放音乐,上划播报时间等)。马萨诸塞大学的科学家开发了一款电力储存系统,能够在任何衣服上绣上储电电池,如图4所示。该系统使用的是超级电容,它将涂层导电线与聚合物薄膜结合,通过特殊缝纫技术,在服装面料上绣出柔性网状电极,从而为传感器供电。储电系统的大小也可以根据需求不同而随意改变。

虽然一些智能可戴设备具有与智能服装相同的效用,但是在某些方面智能服装有着智能可戴设备无法比拟的优势。

图3 智能夹克

图4 新型柔性储存电池

1.2 智能服装较智能可戴设备的优势

智能服装与智能可戴设备虽然同属于可穿戴技术产品,但以目前的科技而言无法让每一件智能服装做到常服化的水平。在便捷性上,智能服装比智能可戴设备的优势并不是很明显。不过在其他方面,具备同种功能的智能服装与智能可戴设备相比更具有优势。智能服装比智能可戴设备接触人体表面的有效面积更大,能够最大程度地收集人体的各项生理指标信息,并且在信息数据收集方面可以做到更加全面与准确,通过预定程序的筛选分析可以采用语音或者文字等形式对人们的行为习惯作出指导。而且在智能服装上可以根据需求随意地放置智能设备进行数据的检测收集,并不像智能可戴设备那样需要借助如手腕、颈部等特定位置安放设备。智能服装也具有智能可戴设备不具有的柔性、能够大程度变形等特点。智能服装在时尚方面能提供的选择更多,长时间的穿着也不会让人感觉不舒服,同时具备不会影响人的活动等功能。

智能服装在未来不单是人体的第二层皮肤,它也将会对人们行为习惯、生活方式的优化改善起到重要作用。智能服装能够精确地采集人体各项体征信息,对一些疾病的预防(如心血管疾病,癌症等),以及身体姿态的调整都有着一定的指导作用。由此可见,智能服装是智能可穿戴设备发展的必然趋势。为了让这种趋势得到发展,一个好的平台是不可或缺的。

2 智能服装原型平台

2.1 Arduino平台介绍

David Cuartielles和Massimo Banzi为了能够让学生使用上价格低廉、性能优良的微控制器,在2005年联合创建了Arduino,同时Arduino也是专为各行设计人员和那些对交互设计感兴趣的人而设计的[6]。Arduino是一个开源电子原型平台,包含硬件(Arduino控制板)和开发软件(Arduino IDE)。Arduino系统是在Java语言基础上建立的,同时在网络上也有丰富的开源代码可供参考[7]。

Arduino通过接收不同输入模块的输入信号,用来检测输入模块的运行环境,并通过对舵机、显示屏以及其他驱动器的控制来反馈、影响其周围环境[8]。Arduino拥有灵活易用、功能多样、价格低廉等特点,在互动装置研究领域被广泛应用。根据所做项目需求的不同,有多种型号的Arduino控制板可供选择,现在也有专为可穿戴技术和电子织物而设计的可水洗微控制器板FLORA、Lily Pad等,如图5所示。因此Arduino平台完全可以作为快速、简易实现服装智能化的方式之一。

图5 Arduino控制板

2.2 可穿戴能水洗的Arduino控制板FLORA

FLORA是一种微型可穿戴、能水洗的控制板,可以用Arduino IDE开发软件对其进行程序设定。FLORA能够被缝合在普通面料上,通过导电缝纫线联通、控制输入模块与输出模块,如图6所示。在未来的智能服装产品开发中,导电缝纫线将会被广泛使用。

2.3 Arduino智能服装控制模式

采用Arduino平台对智能服装进行控制,通过对输入模块的数据采集,经过Arduino控制板的数据分析,将数据处理结果编辑成指令由输出模块进行操作,由此来实现智能服装的不同功能。智能服装的硬件部分主要包括Arduino控制板、传感器和执行器[9]。智能服装系统硬件结构如图7所示。

图6 通过导电缝纫线与织物结合的FLORA

图7 智能服装系统硬件结构图

2.4 Arduino开发环境

Arduino IDE是Arduino平台的编辑软件,可以在其官方网站上免费下载使用。开发者可以通过软件在代码编写区随意地对代码进行编写或修改。信息栏能够显示代码编译或者下载是否成功。Arduino IDE与其他开发软件不同之处在于设置有一个串口监视器窗口,方便开发者在程序调试过程中对程序的运行状况进行观察,或者得到程序的运行成果,如图8所示[10]。

2.5 Arduino智能服装常用输入模块与输出模块

一般的输入模块就是各类传感器,传感器是一种检测装置,能够探测或者感受外界信号,常规的为物理信号(力、热、光、电、磁等)或化学信号(烟雾等),将探知的信息转换成电信号通过导线传递到输出模块。开关按键是最基础的输入模块,可以用来控制智能服装电源的通断。GPS模块、超声波测距传感器常用于对服装穿着者的定位确定。还有物联网通信模块,如无线通信蓝牙、有线通信以太网等,这让Arduino也具备了与其他设备(如手机等)之间的信息传输功能。

输入模块的接口分为3种,分别为数字接口、模拟接口与协议接口(数字)。Arduino控制板通过数字信号与模拟信号两种“语言”在输入模块与输出模块之间建立起沟通桥梁。数字信号的输入(按键、开关信号等)只有2个数值(0V和5V),在Arduino中指的就是低(Low)和高(High),“Low”为“0”对应的是0V,“High”为“1”,对应的是“5V”。模拟信号的输入(压力、角度量传感器等)在指定范围内是无限值。在Arduino中,0V～5V对应表示的是0～1023范围内的值。例如,0对应是0V,1023对应的是5V,512对应的是2.5 V。

在智能服装中可以运用到多种输出模块,如具有光表现形式的多彩LED控制灯、LCD控制显示器等,具有动作表现形式的舵机、小电机等,具有声音表现形式的蜂鸣器、小喇叭等。品类繁多的输入模块与输出模块让基于Arduino平台的智能服装可以实现更多的功能。

图8 Arduino IDE界面

2.6 Arduino智能服装开发实例

将儿童外套与电子元器件相结合,把Arduino平台作为智能童装外套的控制核心,通过GPS、蓝牙、嵌入式系统、手机APP等技术并根据服装功能进行电路设计,最终可设计出一款防走失智能童装外套[11]。该款智能童装外套能够实现家长实时监控孩子的位置、孩子可以通过服装上的智能装置向家长发出求救信号、家长与孩子距离超出预设值主动报警震动提醒等功能,在一定程度上解决了儿童安全保护问题。

通过传感技术可实现骑行服装的监测功能,采用Arduino作为电子原型的开发平台。在Arduino开发软件中,通过对代码进行编写来实现该款服装功能的开发与应用[12]。在研究过程中使用LilyPad Arduino Simple作为控制板,将心率测量模块及温湿度集成测量模块并联,对在骑行过程中的骑行者的身体各项指标状况进行实时监测,给骑行者带来了更优质的运动体验。

3 智能服装的发展趋势

研究表明,医疗护理、娱乐休闲、体育、工业及军事等是未来智能服装的主要应用领域。在全面二胎政策下的中国,人口年龄结构问题依然十分严峻,虽然新生儿出生率较以往有了略微提高,但老龄人口比例有增不减[13]。随着老龄化市场、儿童业态市场需求的不断扩大以及大众消费者对生活质量要求的不断提高,保健医疗、儿童安全、体育将成为智能服装的三个主要发展方向[14]。

未来的智能服装不再是一件衣服,它将是每个人的贴身管家[15]。如对个人的生理数据监测,预防一些疾病的发生;提醒即将要做的事情;主动改变服装温度等。同时,智能服装也可以与智能家居等智能系统建立联系,通过对使用者生活数据的分析归纳,划分用户对每一项活动的喜好和习惯,在使用者进行不同活动时主动对环境进行改变,如播放音乐、调节光线的明暗等,让使用者感到舒适与放松。

4 结语

关于智能服装的研究还停留在初级阶段,不过,随着柔性电子技术、能源技术、信息技术的高速发展[16],智能服装研究水平一定会跨上新的高度。在未来,智能服装必将成为人们日常生活中不可或缺的一部分。以Arduino作为智能服装的原型平台,将电子元器件与服装进行简单结合,通过简化程序编程和硬件电路设计,在一定程度上可实现服装的智能化,为智能服装的快速实现提供一种解决方案,这对Arduino平台的广泛应用具有较好的参考价值。