智能运动文胸电子监测系统设计方案与实施

王建萍，徐 朔，王竹君，姚晓凤，李永贵

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051； 3. 同济大学 设计创意学院，上海 200092； 4. 闽江学院 服装与艺术工程学院，福建 福州 350108)

近年来人们越来越关注健康和生活体验，而提高日常体验最直接的方式之一是通过各种运动来感受[1]。在运动过程中，更多的人希望能及时掌握自己的运动参数和生理状态，许多可穿戴设备的研发积极响应了这一市场需求[2]，并应用在服装、手套、鞋等产品上，其中在运动服饰上的应用更是这几年研究的热点[3]。在现有的研究中，国内外关于智能运动文胸的探讨非常少：一方面由于文胸类产品的技术研究是近几年新兴起来的，国内外很多包含服装专业的高校还没有开设内衣课程，涉及运动文胸更是少之又少；另一方面智能运动文胸属交叉学科的范畴，更加深了研究的难度，因此对智能化运动文胸的设计与研究迫在眉睫。

本文首先从系统方案设计思路展开，设计了智能运动文胸整体框架。然后在智能化设计层面选择不同功能的传感器集成，并描述了整体电子系统的工作流程。另外总体规划了智能运动文胸的服装板型设计和各传感器安装布局。针对关键传感器加速度计，在智能运动文胸监测人体运动状态方案的可行性上，设计了具体的实验和测试平台，同基于手部穿戴进行了对比实验，得出相关结论。最后综合版型设计进行了试穿舒适度评价，并总结了未来进一步的研究方向。

1 设计思路

智能运动文胸的研发除要兼顾吸湿、散热、透气、防护等功能和舒适性外，同时要能测量人体运动时的加速度、速度、位置、方向等运动状态特征[4]，因此需要结合内衣生产、人体功效学、信息感知交互等多种专业技术。本文所研发的智能运动文胸包括运动文胸本体，以及ARM主控通讯单元、全球定位系统(GPS)天线、织物心率带、温湿度计和运动传感器等组件。要能够根据监测到的人体运动生理数据，如人体运动距离、路线、心率、体温、出汗情况，分析人体当前生理状态和运动效果，判断是否发生超负荷运动。图1示出系统方案设计框架图。

图1 文胸电子系统设计方案框图Fig.1 Design diagram of bra electronic system

ARM主控通讯单元在运动文胸和智能终端中起到承上启下的作用。运动传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪：三轴加速度计会记录人体的三维运动情况，检测人体步行或跑步状态；三轴陀螺仪会检测人体的旋转矢量，实现惯性导航和轨迹记录。湿度传感器会检测人体皮肤周围的湿度情况并反映人体排汗程度，温度传感器会测量人体实时温度。心率带通过柔性薄膜电极吸附在人体皮肤表面[5]，记录运动过程中人体皮肤的心动电流或者电势的周期变化，测量心跳，能直接反映当前运动强度和生理参数，并通过I2C总线按特定的串行通信协议方式传输数据至主控通信单元。主控通信单元提供与智能终端通信的蓝牙接口，根据时间轴打包整合接收所有传感器采集的人体数据，暂存在主控通信单元的内部。当采集的数据包数量到达设定阈值时，发送多个数据包到智能终端，智能终端就可以通过友好的人机界面显示结果以供查询及预警。

整个系统基于运动文胸结构合理设计的基础上，迎合现代运动健身的生活理念，注重高频采样人体生理特性参数，精密监视运动状态，满足女性活动的生理性、安全性、科学性需求，也为进一步的科学运动研究提供基础数据。

2 设计原理

2.1 系统传感器的选用

运动文胸为女性贴身穿着，对胸部起到包覆和支撑的作用，因此电子系统的设计应当不影响运动文胸的舒适性和功能性，所以对传感器的选择和设计除了高效外，应当柔软、防水和无异物感。可使用智能导电纺织品作为柔性传感器无缝添加到服饰当中[6]。智能运动文胸在心率带中封装一个非常小的传感器和芯片,通过织物柔性传感性能实现数据采集，同时织物中优良的传导材料提供所需的电子连接。商用心率带由传统的纤维编织而成(柔韧性强),织物中导电纤维经纬向交织形成一个矩阵,可以准确感知到织物受压部位[7]。另外随电子科学技术的发展，已经研发出了各式各样的微机电系统(MEMS) 传感器[8-9]，其三维尺寸非常微小，可直接集成在运动文胸当中，使用低功耗的蓝牙处理系统[10-11]，配备纽扣电池能实现智能运动文胸的全天候工作，并且由于质量轻，合理设计的文胸结构完全不会影响穿着的舒适性。

智能运动文胸使用各类微小的MEMS传感器[12]检测人体生理和环境参数，考虑其结构特征和数据需求，采用Invensense公司的MPU-6050芯片，集成了三轴加速度、三轴陀螺仪的数字运动传感器[13]及1个温度传感器，更加精准地记录人体运动状态。湿度传感器[14]可用数字类的MEMS芯片，在局部空间测量湿度，通过湿度反演人体出汗情况，采用Measurement公司的HTU21D芯片。GPS还没很好的解决方案，主要是功耗和天线技术问题。今后随着太阳能材料得到进一步发展，也可以选配为智能运动文胸的功能组件[15]。目前可以选用模块探讨未来智能运动文胸的集成方案，本文选用的GPS接收器采用RF Solutions公司的GPS-330R模块。使用低功耗的蓝牙芯片作为ARM 主控通讯单元和数据传输单元[16-17]，可选赛普拉斯公司(Cypress)的CY8C4LP型片上系统(PSoC)，集成蓝牙4.0协议[18]和低功耗工作模式。

1—加宽工型夹棉肩带；2—复合式全罩杯；3—加宽弹力下围； 4—温湿度传感器；5—运动传感器；6—主控通信单元。图2 智能运动文胸正面示意图Fig.2 Front view of smart sports bra

图3 系统工作流程设计图Fig.3 System workflow design diagram

2.2 智能运动文胸款式和工艺设计

该款智能化的运动文胸如图2所示。加宽夹棉肩带采用网眼布面料，其中80%为聚酯纤维，20%为氨纶，顶端设有夹棉，可以降低电子元件的异物感并起到降低压力和弹力缓冲的作用。复合式全罩杯采用3条不同车缝线立体缝合，可以扩大胸部容积贴合人体，还可将防水柔线设计内嵌缝合处，提高美观性，降低异物感，并且罩杯中间位置通过卡扣的方式固定有温湿度传感器4。卡扣固定方便拆卸清洗，提高智能化服装的使用寿命。加宽弹力下围采用81%锦纶面料和19%氨纶面料制成，内侧缝合有心率带，心率带为内部贴有柔性薄膜电极的织物，通过三针冚车缝合到加宽弹力下围，并预留与主控通信单元的数据接口；前部左边位置通过卡扣的方式固定有运动传感器；前部中间还通过卡扣的方式固定有主控通信单元，主控通信单元设有GPS接收器。心率带、温湿度传感器和运动传感器通过内嵌在文胸主体的防水柔线与所述主控通信单元相连。

2.3 系统工作流程设计

当用户穿戴上智能运动文胸，连接并固定各传感器模块及其数据接口，通过加速度传感器检测运动状态，当运动幅度大于设定阈值时，将唤醒主控传输单元启动系统。图3示出系统工作流程设计图。

智能运动文胸系统内部将设置10 Hz和100 Hz 2种采样频率，对于GPS、温度、湿度和心率使用 10 Hz 低频采样，而加速度和陀螺仪使用100 Hz高频采样。在每次100 Hz采样中，设置运动检测的阈值：如果小于运动阈值，则采样加速度值为0，该模式同理适用于陀螺仪的数据采集。当运动检测连续10 s采样数据为0时，则判断人体进入静息状态，系统将转为待机状态，直至下次运动来临，该模式将极大减少电子系统功耗。为进一步提高智能运动文胸的续航能力，在运动模式中设置标准工作模式和高精度工作模式。

当智能运动文胸工作于标准工作模式时，开启所有传感器工作和GPS数据接收处理，其中心率带、运动传感器和温湿度计以10 Hz采样频率发送数据到主控通信单元；GPS接收器以1 Hz的数据解析频率发送数据到主控通信单元；主控通信单元整合时间码、心率数据、三维加速度计数据、三维陀螺仪数据、胸部下位温度、胸口湿度、胸口温度以及GPS数据为一个原始数据段，转存于主控通信单元的存储器内。内部存储器以256 M Flash，满后循环存储，可一次性导出到智能终端。同时将每个原始数据段，通过训练过的人体运动算法，识别前进、后退、步行、跑步、旋转、正常运动心率、体脂燃烧率以及GPS方位和当前方位，并将这些结果整合为结果数据段，打包10个结果数据段为一个数据包，通过蓝牙4.0协议发送数据包到智能终端进行数据处理。

当智能运动文胸工作于高精度工作模式时，开启所有传感器工作，并提升采样频率至100 Hz，其中GPS模块采样频率仍为10 Hz。主控通单元以100 Hz频率整合接收到数据，并转存于主控通信单元的Flash存储器内，以供智能终端批量读取原始运动数据。在高精度工作模式时，以10 Hz的频率抽取100 Hz原始数据。高精度工作模式注重高频采样人体生理特性参数，精密监视运动状态，可为专业的运动员或运动爱好者提供更有精确有效的科学运动分析。

所有采集数据都以10 Hz的采样频率打包，考虑到单个蓝牙通信(BLE)的通信成本，在不需要原始数据的情况下，减少数据包数量，可通过1 Hz的频率一次上传10个打包好的数据量，提升通信效率。

而由上可知，通过智能运动文胸采集到的原始数据，打包上传到数据终端，终端可以是智能设备(手机、平板、电脑等)或云平台，拥有了大量数据，就可以进行各种复杂算法甚至是深度学习应用。

3 关键数据采集及测试

文中提及的GPS、温度、湿度传感器采集均可放置在需要测量的部位，得到相应的测量结果。心率带放置在胸部位置，能很好地测量人体的心率数据。陀螺仪测量人体的矢量旋转，如果佩戴在四肢末端，会引入比较多的肢体动作如甩手、挥手等，这些动作需要专门算法滤除，而佩戴在胸部反而纯粹直接，能更好测量人体的矢量旋转信息。加速度计目前主要佩戴在四肢，在人体进行行走、跑步或游泳等不同运动时，四肢都会做出不同的运动形式。四肢的运动更偏向测量一个运动周期内的摆幅，加速度变化曲线等等，通过连贯的时间点测量，依据不同的运动模板判断不同的运动状态，再反演出人体的运动信息。运动文胸将加速度计放置于胸部，必然需要另外一套全新的评估和算法，去推算反演人体运动信息。为此，本文专门设计了一个实验，验证放置于胸部的加速度传感器和放置于手部的加速度传感器获得数据同样具备相关性，能够正确地反映人体的运动状态。数据采集的基本原理是使用固定时钟的采样频率，搜集加速度传感器的数据。普通人体的运动动作频率小于10 Hz，依据奈奎斯特采样定理，采样频率要大于信号中最高频率的2倍，采样信号才能完整地保留原始信号中的信息。

本文通过使用图4所示的MPU-6050传感器和单片机组合，配置MPU-6050 100 Hz采样率输出经单片机接收转为电信号输出。这样设计的好处是可以通过USB HUB无限扩展传感器的数目，以便在多个测量点测量，如图5所示。

图4 MPU-6050模块Fig.4 MPU-6050 Module

USB HUB采集多点数据同时传输到电脑上位机接收，保存解析数据。电脑上位机软件以多串口通讯为基本框架，使用面向对象C# 语言编写，包含对传感器基本配置(采样频率等)和每个传感器原始数据分别显示及整数据的实时输出。实验过程人体运动状态基本保持在原地跑步运动状态。

图5 USB多传感器采集Fig.5 USB multiple sensors. (a) Input sensor data to computer; (b) Acquisition chest sensor data; (c) Acquisition sensor data in moving; (d) Acquisition hand sensor data

通过MatLab编写分析获得数据，对比并整理手部和胸部数据，处理过程如图6所示。

图6 数据处理流程Fig.6 Data processing flow

因为芯片的三维加速度输出都是基于芯片的坐标，所以手和胸部芯片固定方式以及运动过程中芯片位置的不断变化，对输出的三维数据都会有很大干扰，输出的三维数据都需要统一变换为人体运动的坐标系即上下/前后/左右。2个坐标系的相互关系，刚好可以通过类似飞行器的欧拉坐标系即俯仰角/偏航角/翻滚角计算转换为人体坐标系的三维加速度值，这样就排除了芯片不同姿态的干扰，如图7所示。

图7 坐标系转换关系Fig.7 Coordinate transform relationship

分析过程分3步：1)计算芯片的欧拉坐标系下的俯仰角、偏航角和翻滚角；2)依据获得的3个欧拉角，分别将胸部和手部的三维加速度值芯片原始数据转换为人体运动坐标系下的三维加速度；3)对二者数据进行分析比较。

图8示出手部和脑部人体坐标系三维加速度值。可发现胸部和手部位置在人体坐标系Z轴的加速度具有非常大的周期性运动关联现象。从胸部的数据可看出，其他两轴的加速度非常小，而手部另外两轴由于手臂的摆动还会有一些小幅的加速度存在。总体上佩戴在胸部获得的数据干扰性更小，更易去反演当前的运动状态。综上，本测试证明佩戴于胸部的加速度计比手部佩戴更能准确反演人体的运动信息。

4 整体设计效果及评估

4.1 性能评价

目前集成的传感器基本覆盖了常见的人体生理特性测量需求。针对不同参数使用100 Hz和10 Hz的采样频率也基本满足了不同的数据应用。并且从关键数据采集及测试的实验结果也可以看出：相比于智能手环、手机等，智能运动文胸对女性生理特性参数及运动数据的采集方式更具有科学性和准确性，同时在运动过程中，女性只需穿着智能运动文胸，无需另外佩戴手环或携带手机，更简单便捷。

目前制作的智能文胸还处于实验室研发阶段。穿戴后，因为运动文胸的紧身包裹特性，能感觉到一定的异物感。邀请5位胸型尺寸相近的实验者穿着传统运动文胸和智能运动文胸，进行比较评价实验，主要从喜爱程度、整体舒适性(包括面料触感、导线触感、传感器触感、仪器的重力感及运动过程中的舒适感等)、压迫感和安定性这4个方面进行评价。通过心理学标尺法将主观感觉定量化,满意程度同评价数值大小成正比关系，数值1为最差，数值10为最优，结果如表1所示。

从数据的统计结果来看：相比传统运动文胸，实验对象对智能运动文胸更感兴趣，特别是实验的分析结论。然而试穿的智能运动文胸还在设计和开发阶段，对于采集的数据如何深度分析和应用还需进一步研究；在整体舒适性的评价中，智能运动文胸的触感体验度略差，其主要原因是传感器和主控单元需要线缆连接，如果有产品化的需求，必须优化传感器在运动文胸上的布局，以及使用多芯细铜丝预埋作为连接线缆的工艺，改善智能运动文胸的舒适度。在压迫感和安定性的评价中，二者无明显差异。

图8 手部和胸部人体坐标系三维加速度值Fig.8 Hand and chest accel data in body coordinate. (a) X-axis acceleration of hand human body coordinate system; (b) Y-axis acceleration of hand human body coordinate system; (c) Z-axis acceleration of hand human body coordinate system; (d) X-axis acceleration of chest human body coordinate system; (e) Y-axis acceleration of chest human body coordinate system; (f) Z-axis acceleration of chest human body coordinate system

表1 穿着评价实验Tab.1 Wearing evaluation experiment

4.2 数据应用

数据的采集目前都是基于孤立的数据做自我判断应用，并没有考虑同一个人体的不同参数之间的关联性应用。比如运动参数和心率参数都是独立应用判断，其实二者之间还可以结合为更复杂的应用。比如结合运动和心率参数数据，经过终端复杂算法学习，锻炼强度和身体健康之间的联系，规划指导科学训练计划，满足一些专业运动员或资深运动爱好者需求。当然这个复杂应用的基础，就是目前制作的智能化运动文胸及其采集的数据。

5 结束语

国内外服装技术的发展不再局限于传统的版型舒适性研究，已经拓展出很多新的领域，其中智能化就是一个重要的发展方向。这正是受益于传感器、芯片等科学技术日新月异的进步，让微小化、多功能和低功耗等特性成为可能，使得智能服装的硬件基础变得越来越可行实用。

智能运动文胸结合传统服装设计技术，融入算法实现人工智能和在不同场景下的个性化设计，并且在同一硬件平台上，使用软件和算法的方式，方便迭代提升每个个体的差异化用户体验，在运动领域具备非常好的切入点和实用价值。市场的品类是越来越细分化的，随着热衷于运动和健身的青年人群数量不断上升，也将会更加关注这部分群体的特点和需求。

尽管目前对运动文胸的智能化研究已取得一些进展和成果，但大部分还处于实验的初级阶段和初级产品阶段，因此在未来有待进一步深入的研究与开发，才能达到产业化应用和满足市场的需求。