婴幼儿可穿戴智能监测服装设计

唐 茜， 张冰冰， 郑笑雨

(湖北工业大学 工业设计学院， 湖北 武汉 430000)

随着社会的发展，婴幼儿生活的家庭及社会环境发生着巨大的变化，当代青年父母对于自我角色的认知程度要求越来越高，他们在面对现代社会工作压力的同时还要学习如何当合格的父母，这也是传统上依靠家庭实现照护正在面临的挑战[1]。同时，消费者观念的转变及科技的迅速发展，智能服装在婴幼儿消费市场中所占比例也逐渐加大。信息技术、人工智能、大数据、物联网等新兴技术，加快了智能监测服装的发展，也将是服装行业的重大变革[2]。

目前，国内外市场上出现了多种多样的婴幼儿健康监测设备，如可穿戴式婴幼儿测温计、可穿戴式儿童物理退热仪、婴幼儿智能连体衣、智能袜等[3-4]。这些婴幼儿可穿戴智能监测设备在一定程度上可满足婴幼儿的温度监测，并通过手机APP进行数据监控，但仅监测出是否发烧，而没有起到婴幼儿的照护功能。

本文以婴幼儿功能性照护方式为研究方向，在现有智能可穿戴监测设备单一的基础上，增加新的照护功能。以手机APP为交互平台，实时监测婴幼儿的温度及出汗量数据，当婴幼儿温湿度达到限定值时，手机APP将发出报警提示。

1 用户需求分析

调查发现，较多新手父母对于照看婴幼儿的经验存在不足，因此，不能及时发现婴幼儿发烧、感冒等常见状况。可穿戴智能监测服装的直接使用者为婴幼儿，监测信息接收者和行动者为照护人，通过用户场景观察、问卷调查、用户访谈等方式进行调研，并对调研结果进行分析得出用户有以下几点功能性需求：智能服装的安全性、舒适性；能够及时提醒照护人；可以监测体温健康数据；有一定的照护功能。

2 整体设计方案

婴幼儿可穿戴智能监测服装的设计方案主要以服装款式设计、硬件监测模块、监测平台3个方面为核心。服装本体设计参考中国传统婴幼儿裹肚款式；硬件监测模块主要通过服装内置的电子元件采集、处理人体生理数据[5]；监测平台向照护人传递数据信息。

根据功能性需求：硬件监测模块分为电源供电模块、开发板数据处理模块、温湿度数据采集模块、无线传输模块。电源模块为数据监测模块供电，由于衣物附着于人体表面，服装中内置的传感器模块进行人体数据监测，开发板控制器对传感器模块所采集到的数据信息进行分析处理，通过无线传输模块上传至监测平台——用户手机端进行储存、显示。监测平台包括温湿度数据、报警提醒、监测报告、育儿论坛圈，照护人可根据监测平台(手机APP)实时监控婴幼儿身体温湿度状态，温湿度到达设定报警值时，监测平台可发出报警提醒，同时监测平台也可查看监测报告，照护人通过观察婴幼儿温湿度变化，达到更好的照护效果，同时照护人使用育儿论坛圈分享交流育儿经验。监测服装整体框架如图1所示。

图1 婴幼儿可穿戴智能监测服装整体框架图Fig.1 Overall frame diagram of wearable intellegent moitoring clothing for infants

婴幼儿可穿戴智能监测服装与普通的婴幼儿防护服装有所不同，服装本体内置监测人体健康数据的传感器，整个系统方案功能丰富，服装本体防护与智能监测为一体，传统与科技相融合满足婴幼儿与照护人的共同需求。

3 服装款式设计

由于婴幼儿自身的特殊性，在服装的色彩、面料、造型上有特殊的需求。婴幼儿皮肤娇嫩，材质上选取吸湿性、透气性好的面料，如棉质面料提高服装的保暖性。色彩在一定程度上可影响婴幼儿的情绪[6]，服装的主题颜色选用红色，代表着吉祥，男女均适用。款式选用中国传统服饰中最为典型的代表——裹肚，其在中国服饰文化中具有特殊性，能够体现民族特质和丰富的民族文化。在造型、材质、纹样的表现上都具有一定的审美趣味。婴幼儿裹肚是传统裹肚中的基本类别，为婴幼儿遮挡肚脐以防着凉。在注重功能的同时，裹肚上的纹样、图案也有美好的寓意。服装款式设计如图2所示。

图2 裹肚设计Fig.2 Belly wrapping design. (a)Front view; (b)Back view

由于人体各部位蒸发散热量不同，为达到所测数据的有效性、准确性，同时判断婴幼儿的热湿舒适性，将湿度传感器放于汗腺密集、出汗量较大的位置[7]左胸接近腋下部位；腋下更加接近于人体体表温度，将温度传感器置于人体腋下部位。

4 硬件监测模块设计

婴幼儿智能服装监测模块主要分为电源供电模块、温湿度数据采集模块、开发板数据处理模块、无线传输模块[8]。随着互联网与传感器技术的发展，柔性电子技术在智能服装中的应用较为广泛，其中柔性电子元件具有质量轻、体积小、功耗低等优点。

根据婴幼儿智能监测服装的设计需求，电源供电模块选用LG柔性电缆型电池，具有优良的比容量、优异的弯曲特性和循环稳定性。温湿度使用可穿戴式柔性传感器进行监测，温度数据采集模块使用14J20柔性NTC温度传感器，其采用富温SMT高精度热敏电阻和柔性基板聚酰亚胺(FPC)，通过精密焊接设备加工而成(长度可在8～800 mm 之间定制，厚度仅为0.5 mm)，具有较高的灵敏性以及优良的柔性；湿度数据采集模块使用苏州能斯达电子所研发的SH2090柔性薄膜湿度传感器[9]，优点是在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折，对湿度监测具有较高的灵敏性。开发板数据处理模块选取STM32F103C8T6微控制器，具有体积小、性价比高的特点。无线传输模块选取LG Innotek公司推出的新型蓝牙低功耗(BLE)模块，具有成本低的优点，可实现短距离的无线数据传输功能。硬件模块分布如图3所示。

注：1—温度数据采集模块；2—湿度数据采集模块；3—无线传输模块； 4—开发板数据处理模块；5—电源供电模块。图3 硬件模块分布图Fig.3 Hardware module distribution diagram

利用温湿度传感器对人体温湿度数据进行采集，通过微控制芯片进行数据信息处理，并通过蓝牙传输模块将数据传至监测平台(手机APP)，照护人可使用手机APP实时监测婴幼儿的温湿度变化，超出设定温湿度值时，手机APP可发出报警声音。

5 监测平台构建

在交互设计的理念下，婴幼儿智能服装设计不仅是服装与环境的交互，更重要的是照护人与婴幼儿之间的一种交互[10]，并通过移动终端来传递所需信息。图4示出手机监测界面。

图4 手机监测界面Fig.4 Mobile phone monitoring interface. (a)Mobile APP temperature monitoring interface;(b)Mobile APP relative humidity monitoring interface; (c)Mobile APP parenting forum circle interface

婴幼儿可穿戴智能监测服装通过手机APP达到一种全新的交互模式[11]，利用无线接收模块将所接收的数据传输至手机APP，照护人能够直观地监测到婴幼儿的温湿度信息。通过无线传输功能模块将智能服装与手机配对连接，注册登录账号可显示监测状态，当婴幼儿体温在36.5～37.5 ℃、相对湿度在40%～70%时，手机APP无报警提醒，当婴幼儿体温>37.5℃或相对湿度>70%时，手机APP将向照护人发出报警提醒；手机APP中的监测报告可向照护人提供3 d内的温湿度信息,如图4(a)、(b)所示；育儿论坛圈中能够为照护人提供新手妈妈攻略，照护人之间通过育儿论坛圈互相学习育儿知识,如图4(c)所示。

6 应用与评价

为验证所设计的婴幼儿可穿戴智能监测服装的整体性能，本文使用Arduino开源电子平台进行功能性验证。

6.1 系统调试

为测试该智能监测服装系统的稳定性，在湖北省武汉市幸福佳苑社区选择6名健康的婴幼儿作为受试者进行试验，其中6名受试者的年龄为6～15个月，实验时间为1 d，地点选择各受试者当前居住地进行实验。首先将6名婴幼儿穿着智能监测服装，打开串口监视器记录30 min内测量的温湿度数据，计算每位婴幼儿温湿度数据的平均值；使用水银温度计及皮肤湿度测量仪分别对以上6名婴幼儿测量3次体温、湿度，并记录每位婴幼儿的平均测量值，如表1所示。

表1 6名婴幼儿2种温湿度测量方式数据Tab.1 Data of 6 infants from two temperature-humidity measurements

对于以上对比数据，使用回归方程可得出以下相关系数：r1≈0.95，r2≈0.99 (r1为温度相关系数，r2为湿度相关系数)，均接近1，说明2种测量方式的相关性较强，即智能监测服装系统具有良好的稳定性。

由于电子元件未直接接触人体表面，所测数据会存在一定误差，经过以上6名婴幼儿测量的试验数据得出，传感器所监测的平均温度数据比水银体温计所测的平均温度低0.67 ℃，相对湿度误差维持在5%。根据数据监测发现，温度监测精度超过误差允许范围为±0.2 ℃，为使温度监测数据更加精准，使用差值补偿的方式对温度监测程序进行误差校正，使监测平台上显示的温度更加接近人体实际温度；相对湿度监测精度在误差范围之内，无需校正。

表2示出6名婴幼儿温度监测数据的平均值。可知温度补偿后，6名婴幼儿使用传感器监测温度数据与表1中水银温度计测量的平均温度值进行对比，2种测量方式所测数据无明显差异。

表2 6名婴幼儿温度监测数据平均值Tab.2 Average temperature monitoring data for 6 infants

6.2 应用与分析

由于该智能监测服装使用对象为照护人与婴幼儿，试验随机选取武汉市幸福佳苑社区中10位3～18个月的婴幼儿作为受试者进行功能性效果测试。试验时间为2 d：第1天10位受试者未穿着智能监测服装，记录其24 h内的哭闹次数总和为39次；第2天 10位受试者穿着智能监测服装，记录其24 h内的哭闹次数总和为22次。通过以上数据对比发现，穿着智能监测服装的受试者哭闹次数明显减少；当婴幼儿穿着智能监测服装时，出现出汗量过多、踢被子等情况时，手机APP向照护人发送报警提醒，照护人及时为婴幼儿添减衣物，使其感到舒适。

婴幼儿24 h内穿着智能监测服装与未穿着智能监测服装，研究照护人的焦虑感程度发现，夜间照护人最为焦虑；当婴幼儿穿着智能监测服装时，照护人焦虑程度较低，主要依附于智能监测服装的报警提醒功能，照护人心情得到放松，如图5所示。

图5 照护人焦虑感曲线图Fig.5 Graph of caregiver anxiety

6.3 效果评价

通过试验验证婴幼儿可穿戴智能监测服装功能的可行性，该智能服装从功能上满足照护人的照护需求，将传统款式服装作为载体，加强婴幼儿的照护程度。婴幼儿穿着智能监测服装时，婴幼儿哭闹次数减少，照护人焦虑程度降低。然而在试验的过程中也发现该监测服装的不足之处：监测数据更新速度较慢；小几率地出现误报警现象。

7 结束语

本文通过对婴幼儿及照护人的需求进行分析，运用传感器技术、交互技术、移动互联网等对婴幼儿温湿度信息进行采集、处理和反馈，设计了1款婴幼儿智能监测服装。在服装款式上选取传统的婴幼儿裹肚样式，达到科技与传统的相互碰撞。将传感器置入服装中，通过试验得出智能监测服装系统具有很强的稳定性，对比监测数据得到误差值，并使用差值补偿的方法进行误差校正，使智能监测服装的监测数据更加接近人体平均温度。该婴幼儿智能服装具有一定的照护功能，异常情况时出现报警提醒，让照护人与婴幼儿通过监测平台直观地交流。本智能监测服装在一定程度上为照护人提供帮助，初步实现对婴幼儿身体温湿度的监测功能，未来可从智能服装的舒适性、可持续性、精确性等方向进行深入，满足用户需求，达到更佳的使用效果。