基于全织物传感网络的温敏服装设计

陈 慧， 王 玺， 丁 辛， 李 乔

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 信息科学与技术学院， 上海 201620)

慢性疾病(如心脏病、糖尿病和高血压等)的增加成为许多国家公共卫生领域的一大挑战，加重了医疗护理系统的测试时间、测试成本及工作人员的负担[1-2]。一些疾病会使人的体温调节机制发生障碍而引起体温的变化[3]，因此，准确实时地监测体温不仅可以掌握人体是否发烧发热，还可为疾病的治疗提供指导[4-5]，实现对老年人及婴幼儿健康的实时监护[7]。现阶段，对人体温度的持续监测技术多限制在室内的操作，其仪器笨重，测试过程烦琐，造成了医学资源的浪费。少量已研发的织物温度传感器多采用嵌入法或缝合法制备，在实际使用中容易产生滑移错位，且部分传感器容易引起人体刺痒感和不适感，影响测试结果；部分采用织入法将热阻材料与织物相结合，但牢固性较差。同时，柔性传感器输出信号的采集受到采集模块及接收器的限制，且数据存储显示系统有待进一步改进。鉴于上述问题，本文将设计并制备应用于人体温度持续监测的温敏服装，着重研究组成温敏服装重要部分的全织物传感网络的设计、制备及性能，开发数据采集和显示系统，进行温敏服装可靠性的验证。

为制备基于全织物传感网络的温敏服装，本文根据实际应用，利用大变形的织物电路板，设计弹性导电通道阵列，将其连接多个织物柔性温度传感器，实现全织物传感网络；根据应用要求，设计并制备含全织物传感网络的温敏服装；模拟应用环境，测试全织物传感网络的拉伸-回复性对传感网络受拉伸影响的程度进行评价，评估温敏服装温度测试数据的可重复性；设计并开发数据采集存储系统，实现数据传输与显示功能；采用温敏服装系统实时监测人体皮肤温度，结合实际应用进一步分析实验数据。

1 温敏服装的设计与制备

1.1 设 计

1.1.1 测试点的选择

人体皮肤温度的分布不均匀，常采用14点法测试。人体表面可分为14个面积相等的区域，不同部位皮肤的温度存在差异；但同一部位左右两侧相比则差异不明显[8]，故分别选择7个区域测试。图1示出测试点的位置分布。图中：1为肩胛，2为腋下，3为胸部，4为大臂，5为后腰，6为小臂，7为腹部。

图1 测试点位置的分布Fig.1 Measurement points. (a) Front; (b) Back

1.1.2 电路设计

采用并联的方式集成7个电阻式织物基温度传感器，设计全织物传感网络。图2示出并联电路。R1～R7为7个电阻，电阻大小会随温度的变化而变化。图3为全织物传感网络设计图。此传感网络分为2部分：C1和C2。 传感网络C1包括分布在测试点2、3、4、6、7的5个织物温度传感器及其对应的导电通道S2、S3、S4、S6、S7。传感网络C2包括分布在测试点1、5的2个织物温度传感器及其对应的导电通道S1、S5。每条传感网络均含1个地线G1和G2，分别与各测试点及对应的信号线形成闭合回路，各回路相互独立、互不干扰。

图2 并联电路Fig.2 Parallel circuit

图3 传感网络设计图Fig.3 Design of sensing networks

1.1.3 服装基体的选择

具有可穿戴性能的温敏服装对服装基体有一定的要求：良好的弹力回复、透气性以及面料舒适性。故选用女士针织紧身压缩衣作温敏服装基体，本文选用具有罗纹结构的服装面料(奥林匹克装甲(香港)有限公司生产，成分：80%锦纶、20%氨纶；尺码：M)。

1.2 制 备

1.2.1 全织物温度传感网络的制备

传感网络的制备采用TNY101B-20型全自动剑杆小样织机(上海双九实业有限公司)，选用1上3下右斜纹组织进行织造。以氨纶/锦纶/锦纶包缠纱(振德医疗用品股份有限公司生产，线密度为30.8 tex/4.4 tex/4.4 tex)作经纱，在特定位置加入1根或2根镀银导电纱作经纱，棉纱线作纬纱。织物幅宽分别为10 cm(C1全织物传感网络，共计6个导电通道，其中5个为信号线、1个为地线)和5 cm(C2全织物传感网络，共计3个导电通道，其中2个为信号线、1个为地线)。

在未变形的传感网络相应位置上连接前期研发的织物温度传感器[2]，将传感器两端电极分别与传感网络导电通道的信号线、地线缠绕连接。导电通道与导电线缠绕固定后，为避免导线晃动影响测试结果，将导电线缝合在织物基底上，进行封装固定，图4为封装后全织物温度传感网络的实物图，封装减少了整个组件被外力拉伸时接触区域中的可能应变，增强了机械强度[9]。

图4 全织物传感网络实物图Fig.4 Full fabric sensing network

1.2.2 温敏服装的制备

图5为温敏服装的设计图。各织物温度传感器与人体测试点的位置相对应。2条全织物传感网络连接导电线的部分交汇于服装左腹部的位置，以便后期数据的采集。选用手缝无胶魔术贴的方式将传感网络与服装结合，该方式快捷方便、环保卫生且成本低。

图5 温敏服装的设计图Fig.5 Design of temperature-sensitive garment

1.3 性能测试与分析

1.3.1 数据稳定性

对全织物温度传感网络的性能进行测试。测试传感网络在0%、15%、30%应变下电阻与温度的关系。将传感网络平铺在加热平台上，温度范围设置为25～45 ℃，同时利用安捷伦(Agilent 34970a)数据采集器(安捷伦科技有限公司)测试不同应变下的传感网络的输出电阻，测试结果如图6所示。结果表明灵敏度无明显降低趋势，故拉伸应变对传感网络监测温度时输出数据的准确性无显著影响。

图6 不同应变下的电阻-温度关系Fig.6 Resistance-temperature relationship at different strains

为评估重复机械变形对传感网络的影响，在相同温度(25 ℃)条件下，将全织物传感网络夹持在JF-9003型电脑拉力试验机(东莞市尖峰仪器仪表有限公司)的2个夹头上，对其进行10 000次30%应变的循环拉伸，同时利用Agilent 34970a数据采集器测试传感网络的输出电阻，测试结果如图7所示。结果表明，循环拉伸后，传感网络的电阻产生从71.5 Ω到72.5 Ω的轻微变化，可忽略不计。故全织物温度传感网络在重复轴向拉伸时表现出非常稳定的性能。

图7 30%应变下的拉伸循环测试Fig.7 Tensile cyclic test at 30% strain

1.3.2 灵敏度

作为实时监测人体温度的产品，温敏服装必须具备良好的灵敏度。模拟实际使用情况测试温敏服装的灵敏度，测试不同温度下各传感点对应的电阻值。图8示出各织物温度传感器和传感网络中地线及信号线的电阻变化与温度的关系。其中：曲线0表示没有连接导电通道的织物温度传感器在不同温度下的电阻变化率；曲线1～7表示传感网络不同测试点1～7分别对应的织物温度传感器和导电通道的电阻变化率。结果表明，该传感网络均具有良好的电阻-温度线性关系，且具有较高的灵敏度。

图8 灵敏度测试结果Fig.8 Test results of sensitivity

1.3.3 重复性

图9示出服装面料的横向拉伸-回复性能和纵向拉伸-回复性能。10次循环拉伸测试结果表明，该服装面料回复时具有迟滞性。图9(a)示出横向拉伸-回复性能测试结果，经计算得迟滞率为14.25%；图9(b)示出纵向拉伸-回复性能测试结果，经计算得迟滞率为13.26%。

图9 织物的拉伸测试结果Fig.9 Tensile test result of knitted fabric. (a) Horizontal direction; (b) Longitudinal direction

2 数据采集存储系统的设计与开发

图10为温敏服装的数据采集系统示意图。将全织物传感网络集成到服装基体得到温敏服装Ⅰ，传感网络一端的导电线连接到开发板数据采集器Ⅱ，将采集到的数据蓝牙传输到接收器并显示。

图10 温敏服装的数据采集系统Fig.10 Data acquisition system of temperature-sensitive garment. (a) Data acquisition device; (b) Display system

从温敏服装的数据采集系统到远程接收器，开发出3种系统配置模式，区别是运用了3种不同类型的远程接收器，即台式计算机、笔记本电脑和智能手机。模式1使用的远程接收器是具有蓝牙适配器的台式计算机，由于受试者受蓝牙适配器辐射范围的限制，该模式适用于临床或实验室研究。模式2使用的远程接收器是带有集成蓝牙模块的笔记本电脑，相比模式1，笔记本电脑虽可在室外环境中比较方便地使用，但受试者仍受限于笔记本电脑蓝牙模块的辐射范围，故这种模式仅限于小区域户外活动的测量。模式3是最灵活的配置模式，其远程接收器是带有嵌入式蓝牙模块、可随身携带的智能手机，可在测试期间记录受试者不同部位温度而不受任何空间限制，适合长时间户外测试。本文重点介绍模式3，即智能手机作接收器。

图10(b)示出智能手机端的数据显示界面。1～7分别表示温敏服装上7个传感区域，右侧为温度坐标轴。传感区域温度不同，根据右侧坐标轴所显示出相应位置的颜色也不同。其优点在于可直观反映人体不同部位在同一时间的温度值。该软件拥有参数设置界面，可根据温敏服装上织物基温度传感器的性能针对性地设置参数，提高数据的准确性及可靠性。

3 温敏服装的穿戴性分析

3.1 舒适性

采用调查问卷的方式测试温敏服装的舒适性。将问卷分发给随机抽取的10名年龄在20～30岁之间、身体健康的受试者。对每个项目评分：1分表示非常不同意；2分表示不同意；3分表示勉强同意；4分表示同意；5分表示非常同意。

评估结果如表1所示。该温敏服装为大多数受试者提供舒适的穿着体验，例如：服装的透气性(Q4)、传感器(Q7)和电子元件(Q8)在服装中的集成以及服装外观的时尚感(Q9)虽有待改进，但Q3的平均等级为3.9，这表明对服装舒适性的反馈接近一致(4.0)。该温敏服装具有良好的穿戴舒适性。

表1 温敏服装舒适性评估Tab.1 Comfort assessment of temperature-sensitive garment

3.2 穿戴温敏性

3.2.1 织物基温度传感器的校准

为保证后期测试结果的准确性，对织物温度传感器的测试结果进行校准。在恒温恒湿环境下，同时采用电子红外温度计和织物基温度传感器测试人体区域温度，结果如图11所示。织物温度传感器所测温度略低于红外电子温度计所测温度，故需对其进行校准。

图11 温度对比结果Fig.11 Result of temperature comparison

3.2.2 人体温度分布的测试

在使用温敏服装进行人体温度监测前需测试受试者各监测区域的平均温度分布。本文实验测试平静呼吸时人体不同部位的温度。1名受试者在恒温恒湿环境中静坐30 min以保证自身状态与当前环境达到动态平衡，测试结果如图12所示。

图12 不同部位皮肤温度的分布Fig.12 Distribution of skin temperature in different parts

3.2.3 人体不同部位的实时温度

在恒温恒湿环境下,将温敏服装平铺于实验台表面静置30 min；同时受试者在恒温恒湿环境下保持平缓的心态静坐30 min，并保证测试前1 h内无剧烈运动。受试者缓慢穿上测试服后在恒温恒湿环境中静站10 min以提高实验数据的可靠性，保证传感器正面感温区域紧密贴合人体皮肤而不会对皮肤造成物理伤害或妨碍人体正常活动。根据预定方案进行体温监测。实验方案：平静呼吸60 s为1组；平静呼吸频率：吸1 s→呼1 s→停顿2 s、4 s为1个周期。

全织物传感网络在测试过程中表现出极佳的可靠性，所有织物基温度传感器组件都能很好地运行，没有故障。不同测试点的温度测试结果如图13所示。受试者皮肤温度的变化具有一定规律：温度的变化以4 s为1个周期，每个周期均存在波峰，60 s内共15个周期(即15个明显波峰，个别周期存在异常值，已被剔除)，与平静呼吸的频率及周期一致，且皮肤表面温度总是随着吸气逐渐升高，随着呼气逐渐下降。

图13 不同测试点的测试结果Fig.13 Test results at different measurement points. (a) Upper chest; (b) Abdomen;(c) Scapula; (d) Back waist

查阅相关文献可知，呼吸循环系统与血液循环系统紧密相关[10]；而皮肤温度与心脏泵血引起的血液流动有关[11]，故可通过监测人体皮肤温度得到人体的呼吸状态。从图13看出，不同区域在人体呼吸时温度变化幅度不同，腹部和后腰具有更明显的波动幅度，胸部次之，肩胛最小。基本可通过人体温度的变化曲线追踪人体的呼吸状态，信号曲线较为平滑，存在细小的波动，这是由于呼吸时传感器电阻有较小的波动状态，但不影响对呼吸状况的基本判断。

4 结束语

体温作为主要生理指标之一，可直接反映人体生理状况，故可通过监测人体温度来反映人体健康状况。现有温度监测多采用硬质传感网络，会引起人体不适，且易滑移，影响测试的准确性。针对现有问题，本文结合大变形的织物电路板及弹性导电通道阵列，设计并制备温敏服装及数据采集系统，采用温敏服装系统实时监测人体皮肤温度，实现了人体皮肤温度实时监测，在一定程度上减轻了医疗负担。