幼童用智能示警蚕丝被的研发

2021-01-06黄阳阳赵中琦

纺织学报 2020年10期

黄阳阳，刘伟，华英，赵中琦，徐劲

(1. 苏州市职业大学丝绸应用技术研究所，江苏苏州 215000； 2. 苏州太湖雪丝绸股份有限公司，江苏苏州 215000； 3. 苏州市职业大学计算机工程学院，江苏苏州 215000； 4. 苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏苏州 215000； 5. 江苏省蚕桑学会，江苏南京 210000)

随着人们消费能力的提高，产品需求结构正不断向高端迁移，高品质、改善性、智能化的产品正不断成为市场新宠。蚕丝被凭借蚕丝材质，具有保暖透气、轻盈贴身、亲肤抗敏等诸多特点，一直定位中高端的家纺产品[1]；但是，蚕丝被行业整体技术水平不高、进入门槛低、产品同质化严重，行业企业都有着转型升级的迫切需求，家纺产品智能化是转型的重要方向之一。

幼童自我控制能力和抵抗力较弱，在夏季空调环境中易因踢被子引发感冒等疾病，因此对幼童踢被智能示警蚕丝被新产品的开发研究具有重要意义。通过文献检索可知，有学者提出利用超声波检测障碍物原理[2]、内外热敏结合红外传感器的方法[3]、热释电检测人体方法[4]、陀螺仪结合温度差值的方法[5]判断踢被，以及单纯依靠温度差值的方法判断踢被[6-8]；但是，这些研究大都为理论性的设想，未对工作原理、实现方式和性能指标等展开充分论证和实验。此外，超声波、热敏+红外、热释电、温度差+陀螺仪等复杂技术手段，会导致传感器体积偏大，植入被芯后产生明显的异物感。而单纯依靠温度差值来判断踢被，则存在降温幅度达到差值所需时间过长、正常睡眠过程中误报警概率大等问题，无法找到一个合适的温度差值。因此，如何在保证传感器体积较小的前提下，实现踢被报警的准确性和报警时间阈值精度，且避免正常睡眠过程中产生误报警，仍是亟待解决的问题。

针对上述问题，通过技术和市场调研，确定幼童踢被智能示警蚕丝被新产品设计理念如下：1)安全性。安全性是面向幼童产品最为关键的因素，本产品需要确保辐射安全性以打消家长购买的疑虑[9]，而蓝牙通信方式辐射功率非常低[10]，安全性满足面向幼童产品需求；2)体积小。植入被子中的传感器体积大则会产生异物感，因此需要尽可能减小传感器的体积，所用传感器应具备原理简单、结构紧凑等特点；3)功能性。产品在能准确识别和判断踢被的基础上，还需满足报警时间阈值最低值、时间阈值精度、误报警率等关乎用户体验的性能指标要求；4)分离性。报警端需要和被子产品端相分离，以避免报警噪音对儿童睡眠的影响，而短距蓝牙通信不仅能够实现两端分离，且其10 m左右的通信距离满足大部分家庭使用场景需求；5)人性化，消费者对报警时间阈值的需求存在多样性，所开发的手机APP需具有报警时间阈值调节功能，由消费者根据自身需求进行适当调节，满足产品的人性化要求。

在产品设计理念指导下，本文确定技术路线为：在蚕丝被中植入多个微型传感器，通过蓝牙通信方式广播温度数据，手机APP读取数据后，根据踢被温度变化逻辑判断模型对数据进行分析，达到判定条件后，由手机发出声音和振动示警。该技术方案基于准确的温度数据传感器，且体积较小技术成熟，结合建立踢被温度变化逻辑判断模型的方式，不仅能够准确判断踢掉被子的行为，而且避免了正常睡眠过程中的误报警现象，所开发出的工程样品技术性能指标良好，具有非常广阔的市场前景。

1 实验材料与设备

CC2640型微控制器(德州仪器(上海)有限公司)、SHT20型温湿度传感器(瑞士盛思锐公司)、CR2025型纽扣电池(3 V，松下电器中国有限公司)、未来8000树脂(深圳市未来工场科技有限公司)、开发板(自制)、120 cm×150 cm儿童款蚕丝夏凉被(苏州太湖雪丝绸股份有限公司)、Redmi 7型手机(小米科技有限责任公司)、Lite 450 3D型打印机(上海联泰科技股份有限公司)。

2 实验方法

2．1 传感器硬件开发与植入

2.1.1 传感器开发

温湿度传感器、微控制器和天线等元件为自行焊接，传感器成品如图1所示。

图1 蓝牙温度传感器Fig.1 Temperature sensor by Bluetooth. (a) Front face of sensor; (b) Back face of sensor; (c) Side face of sensor

板上温度传感器节点主要包括具有蓝牙功能的无线微控制器CC2640，以及温湿度传感器SHT20，传感器与蓝牙微控制器以I2C总线的形式进行通信，传感器节点通过蓝牙4.0协议，以广播的方式与智能手机进行通信。传感器硬件成品直径为26 mm、高度为5.3 mm。温度数据采集频率为100 ms/次，蓝牙广播发送频率1 s/次。整个传感器依靠背面的CR2025纽扣电池供电，理论续航时间为492 d。

2.1.2 传感器外壳制作

传感器外壳采用3D打印制成，设计模型及制成品如图2所示。

图2 外壳设计模型及成品Fig.2 Shell design model and finished product. (a) Front face of shell model; (b) Back face of shell model; (c) Final product

外壳模型采用Unigraphics NX10.0软件设计，材料壁厚为1 mm，内部仓室直径为27 mm、高度为5.6 mm，通气孔数量9个、圆心相互间距7.5 mm、孔径为2 mm。模型设计完成后导入3D打印机进行打印，耗材选用高强树脂。装配时先用双面胶将传感器背面电池卡槽粘在无孔外壳中间位置，然后盖上含孔外壳即完成装配。

2.1.3 传感器植入被子方式

将3个组装好的传感器植入被芯中，平面位置为沿被子中间线等分对称分布，立体位置为靠近人体的丝绵套内侧。固定方式为在丝绵套上相应位置，缝制略大于传感器尺寸的口袋，袋口采用橡筋松紧式开口，便于传感器的放入和取出。

2.2 手机APP开发

根据项目需求分析，将手机APP功能划分为蓝牙通信、图表显示和降温报警3个模块，APP相关界面如图3所示。

图3 手机APP软件界面Fig.3 Interface of mobile APP software. (a)Scanning and connection interface of Bluetooth; (b)Data displaying and alarm time threshold setting interface; (c)Kicking quilt alarm interface

软件具体业务流程包括：1)扫描周边蓝牙设备列表，并选定其中符合定义名称的设备；2)以1 min/次的频率读取和显示选定蓝牙设备广播的数据，并生成温度变化曲线图和数据记录；3)根据踢被报警逻辑判断模型，对采集温度数据进行分析，当达到判定条件后，手机端发出语音和振动示警；4)手机APP中留有报警时间阈值数值输入和确定按钮，用户可根据自身需要修改报警时间阈值。软件开发选择APICloud开发平台，用HTML5等标准Web语言开发iOS与Android原生APP。软件开发中调用了APICloud平台Store中封装了bluetooth 4.0相关功能接口的“ble”模块。通过JavaScript语言，一套代码能同时调用iOS和Android双平台模块，编译生成的Html5移动应用，能够同时在iOS和Android双平台运行。

2.3 软硬件合成实验及逻辑判断模型确定

软硬件开发完成后，由适龄幼童实际使用植入传感器的夏凉蚕丝被，在相应的环境温度条件下，模拟相应的盖被/踢被场景(整晚睡眠数据由幼童夜晚真实的睡眠过程产生)，结合所开发的手机APP进行模拟实验和数据采集。通过对场景模拟和真实睡眠所采集的数据规律进行分析，建立踢被温度变化逻辑判断模型。

2.4 产品评价指标与测试方法

目前尚无相关国家/行业标准，通过对最终用户和使用场景进行分析，建立产品测试方法为：由适龄儿童在26 ℃室内空调环境下进行模拟测试，报警时间阈值≥7 min，踢被情况为踢掉全部被子。产品评价指标包括报警时间阈值精度、报警成功率、报警时间阈值最低值、正常睡眠误报警率。

2.4.1 报警时间阈值精度

报警时间阈值为发生踢被到触发报警之间的时间间隔。时间阈值精度则为发生踢被至触发报警实际耗时，与APP中所设定时间阈值的偏离程度。

2.4.2 报警成功率与误报警现象

报警成功率为10次踢被模拟测试中，在报警时间阈值精度允许范围内，成功触发踢被报警的次数所占的比例。

误报警现象为适龄儿童夜间真实睡眠过程中，处于正常盖被状态而错误发出踢被报警的现象，测试时间持续整晚。

2.4.3 报警时间阈值最低值

报警时间阈值最低值为在保证报警成功率100%，且无误报警现象发生的前提下，时间阈值可设置的最低值。

3 结果与讨论

3.1 传感器布置位置及数量确定

3.1.1 传感器平面位置及数量

传感器植入数量为3个，沿被子中间线等分对称布置，在被子中的平面位置如图4所示。

图4 传感器平面位置Fig.4 Plane position of sensor

传感器在被子中植入数量和平面位置的确定，主要考虑以下几点：1)在实际工作效果能够得到保证的前提下，应尽可能减少传感器数量，以最大程度消除潜在的异物感；2)3个传感器的布置，能够监测到人体胸部、腹部和腿部3个典型区域附近的温度，且实际工作效果良好；3)传感器沿着被子中间线布置，与正常盖被习惯相吻合，且等分对称布置符合被子两头盖的特点。

3.1.2 传感器立体位置初选

蚕丝被主要由丝绵填充物(丝绵兜拉网层层叠加而成)、丝绵套(俗称内胆)和被套3部分组成，传感器在蚕丝被层中的立体位置如图5所示。

图5 传感器立体位置Fig.5 Stereo position of sensor

传感器在蚕丝被层中立体位置的确定，主要考虑以下几点：1)被套需要经常更换和洗涤，且贴近人体导致异物感更明显，因此不适合加载传感器；2)蚕丝被丝绵填充物为丝网层叠而成，拆开会破坏其均匀性和稳定性，加之传感器有更换电池的需要，因此也不适合加载传感器；3)为降低异物感，同时避免幼童好奇取出传感器，将传感器布置在丝绵套内侧较为妥当；4)丝绵套内侧可分为靠近人体和远离人体2种选择，需要再进行对比和优选。

3.1.3 传感器立体位置优选

在幼童整晚真实睡眠实验条件下，当传感器分别布置在靠近和远离人体的丝绵套内侧时，传感器采集温度变化如图6所示。

图6 传感器在被中位置对温度采集的影响Fig.6 Effect of sensor position in quilt on temperature acquisition. (a) Close to side of human body; (b) Aaway from side of human body

当传感器布置在远离人体的丝绵套内侧时，主要受到人体热源经过丝绵层后散失和递减的热量，以及室内环境温度的影响。经散失和递减后的热能偏弱，加之与环境因素的相互作用，导致整晚睡眠过程中，采集温度整体处于27～30 ℃的较低区间，灵敏度较低。此外，采集温度持平现象较为明显，单个传感器采集温度持平最长持续了22 min，3个传感器采集温度同时持平最长持续了17 min。

当传感器布置在靠近人体的丝绵套内侧时，传感器采集温度主要受人体热源以及被窝封闭空间中热空气环境的影响。因此整晚睡眠过程中传感器采集温度整体处于30～35 ℃的较高区间，对人体和被窝温度的监测更加灵敏。此外，与传感器布置在远离人体的丝绵套内侧时相比较，单个传感器采集温度持平最长持续时间降到15 min，3个传感器采集温度同时持平最长持续时间降到5 min，传感器温度持平现象明显减少。传感器采集温度大概率、长时间的持平，易在正常睡眠过程中引发误报警，因此最终选择将传感器布置在靠近人体的丝绵套内侧。

3.2 环境温度变化对采集温度的影响

在幼童盖好被子的实验条件下，通过空调制冷逐步将室内环境温度从室温32 ℃降到低温21 ℃，被子中传感器采集温度变化如图7所示。

图7 环境温度变化对传感器的影响Fig.7 Effect of ambient temperature on sensor

在室内环境降温实验过程中，室内降温幅度达到了11 ℃，而靠近幼童胸部和腹部的传感器，采集温度整体降温幅度控制在2 ℃以内。这是由于人体胸腹部面积较大，尽管测试过程中幼童会有肢体动作，但是传感器基本能够保持与人体的较近距离，传感器温度受人体热源和被窝热空气环境的影响较为明显，加之丝绵层具有一定的保温作用，因此传感器温度受室内环境温度变化的影响相对减弱。

在室内环境降温实验过程中，靠近腿部的传感器采集温度波动明显。这是由于腿部面积相对较小，且姿势动作频繁和多样，造成传感器与腿部之间的距离变化较大，当二者距离接近时采集温度升高，二者距离较远时采集温度降低，但是，被子盖好时被窝会构成较为封闭的空间，进而形成一个较为稳定的热空气环境，这给腿部传感器提供了基础的热量支撑；因此室内环境温度从室温32 ℃降到低温21 ℃ 过程中，靠近腿部的传感器采集温度基本也能维持在27 ℃以上。

3.3 被子被全部踢掉后采集温度的变化

在幼童盖好被子保温基本稳定后，分别在家用空调低温21 ℃和夏季推荐温度26 ℃条件下，踢掉全部被子，全踢被后传感器采集温度变化如图8所示。

在不同环境温度下踢掉全部被子后，传感器采集温度的变化规律较为相似，都呈现出整体下行趋势，且降温速率先快后慢。这是由于踢掉全部被子后，传感器失去了人体热源支撑，加之被窝封闭空间热空气环境也被破坏，所以采集温度无法再出现升温现象，这是判断踢被极为重要的依据。

但是，全踢被后传感器采集温度并非断崖式下降，受被芯余热、被子保温作用、初始温度和室温环境等多种因素影响，整体降温速率较为缓慢。在环境温度21 ℃和26 ℃下踢掉全部被子后，所有传感器降至室温分别耗时近1.2 h和2.5 h，全踢被5 min 后3个传感器中最小的降温幅度分别为1.3 ℃ 和0.9 ℃，全踢被15 min后3个传感器中最小的降温幅度分别为3.7 ℃和2.5 ℃。因此，如果采用单纯温度差值来判断踢被，则会存在温度差值较小时易引发误报警，温度差值较大时所需时间较长等问题。

此外，以在APP中设置的1 min/次温度数据采集频率条件下观察，全踢被后每分钟采集的温度数据并非总是下降，过程中相邻采集时间也会出现温度持平的现象，且下行时温度越靠近室温，前后持平发生的概率越大，持续时间越长。因此，逻辑判断条件中不能采用“温度持续下降”这一定义。

综上考虑，针对踢掉全部被子先行设立2个逻辑判断条件。逻辑判断条件1：当所有传感器同时出现未升温(温度持平或下降)现象时，进入踢被逻辑判断过程，并开始累计未升温现象持续时间(逻辑计时)。逻辑判断条件2：当3个传感器中有任何一个出现升温，立即跳出踢被逻辑判断过程，同时将逻辑计时归零。

3.4 正常睡眠过程中误报警情况

3.4.1 幼童真实睡眠过程中采集温度的变化

室内环境温度26 ℃条件下，幼童盖好被子后进入持续整晚的真实睡眠状态，其真实睡眠实验过程中传感器采集温度变化如图9所示。

图9 实际睡眠过程中温度变化Fig.9 Temperature changes during actual sleep

幼童整晚真实睡眠过程中，传感器采集温度具有明显的波动性，包括上升、下降和持平3种可能，且靠近人体不同部位的传感器，温度表现既有趋同的时候，也有差异化的时候。因此，如果仅仅依靠3.3所先行设定的2个全踢被逻辑判断条件，则会在正常睡眠过程中引发误报警现象。

3.4.2 误报警情形分析及逻辑判断条件优化

表1～3示出基于3.3节内容先行设定的逻辑判断条件1、2，对幼童夜间整晚真实睡眠过程产生的数据进行逻辑推导，进而筛选出的误报警情形持续时间最长的样本。

表1 正常睡眠过程中误报警情形1(温度持平及下降)Tab.1 False alarm condition during normal sleep(temperature constant and decreasing)

表2 正常睡眠过程中误报警情形2(温度持平)Tab.2 False alarm during normal sleep (temperature constant)

表3 正常睡眠过程中误报警情形3(温度持平或下降)Tab.3 False alarm condition during normal sleep(temperature flat or falling)

由数据逻辑推导可知，共有3种可能导致误报警的情形：1)睡眠过程中因为人体动作等原因，传感器采集温度出现长时间的持平及下降；2)深度睡眠时人体基本动作较少，所有传感器温度出现持续同步持平；3)部分传感器采集温度出现持平的同时，其余传感器温度出现下降。

由表可知，误报警逻辑持续的5～7min时间后，总会有传感器整体降温幅度非常小，局限在1 ℃ 范围内。这是因为正常睡眠时处于盖好被子的状态，此时传感器会会受到人体热源和被窝封闭空间热空气环境的支撑。因此，新增逻辑判断条件3：当所有传感器同时出现未升温持续时间达到报警时间阈值时，还需满足所有传感器降温幅度同时≥1 ℃。逻辑判断条件4：报警时间阈值下限≥7 min(7min不仅是实验过程中误报警推导出的最大持续时长，而且需要有适当的时长才能产生和利用降温幅度条件，因此7 min作为阈值下限是较为理想的选择。此外，为防止报警时间阈值过长小孩已着凉，软件中设置时间阈值上限为30 min)。

3.5 踢掉部分被子情况的识别和判断

踢掉部分被子的情况非常复杂，本文所讨论部分踢被单指仅留被子一角盖在身上这一特别严重的部分踢被情况。实验条件为：在环境温度26 ℃下，幼童盖好被子保温一段时间后，踢掉大部分被子，仅留被子一角在身上，部分踢被后传感器温度变化如图10所示。

图10 部分踢被后传感器温度变化Fig.10 Temperature changes of sensor after quilt partially kicked off

当部分踢掉被子后，还盖在人体的被角中传感器采集的温度基本稳定。而被踢掉的部分被子，则因失去人体热量来源和被窝封闭空间热空气环境支撑，传感器采集温度开始出现下行趋势。且随着时间的延长，盖在身上被子中的1个传感器，与被踢开部分被子中的2个传感器之间的温度差会逐渐扩大。但是，正常睡眠过程中，靠近人体不同区域的传感器之间也会存在一定的温差。为区分正常睡眠和部分踢被产生的温差，需要温差具有一定的幅度，以避免可能的误报警现象。

基于幼童真实睡眠过程中，传感器之间的最小温差都控制在4 ℃以内。加之部分踢被15 min后，留在身上被子中传感器1，与被踢掉部分被子中传感器2和传感器3之间，温度差都超过了4 ℃。因此将4 ℃作为判断部分踢被的温差阈值。并新增逻辑判断条件5：当温度最高传感器与两个温度较低传感器之间的温度差都超过4 ℃时，触发部分踢被报警。

通过逻辑判断条件5能够对部分踢被行为有一定的辨识度，但是实验中仍存在一些部分踢被情况无法识别，或所需报警时间阈值较长等不足。