基于WSN生理监测的老年服装设计与研究

陈海荣，郝学峰，周晔彤，赵天北，张 旭

（内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

《中国人口老龄化行业现状调研分析及发展趋势预测报告（2021年）》显示，预计到2050年，我国老龄化人口将激增4亿左右，我国将进入重度老龄化社会[1]。以往保暖、美观、舒适的服装，已经无法满足老年消费者对生理健康监测的需求，具有特殊功能的智能服装已成为老年人的新需求。

1 生理监测智能服装的发展现状

生理监测智能服装的应用从军事、极限条件等特殊领域逐渐向运动、医疗等生活化场景迈进。人们对健康监测的需求不局限于部分特殊行业人群，会逐渐向广大老年消费者普及。

1.1 用于医疗监测的可穿戴智能服装

智能服装通过在服装中嵌入无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN），对用户日常生活中的运动、睡眠、心率、血压等实时数据进行监控和记录，并与电子设备同步，实现交互式信息传输，用户可以实时监控自己的身体状况，进而实现健康监护的作用。医疗可穿戴设备还可以采集患者的活动轨迹、体温以及活动场所是否途经中高风险地区等。传输完成后，医护人员可以在终端设备查看数据，有效地避免了医患直接接触，进而降低了医务人员被感染的概率。

1.2 用于军事、极限条件等特殊场景的智能服装

特殊场景是指具有一定危险性的环境，如军事演练现场、极地地区、火灾现场。适用于该场所的智能服装，除了可以监测用户的基本体征数据，还可以监测外部环境，并通过数据分析进行交互式提醒。如季婷婷等[2]基于夏季建筑工人的工作环境设计了一款智能劳保服，将监测温度的传感器、监测心率的传感器与内部的主控板连接，在达到温度、心率设定的数据范围时，蜂鸣器及时发出预警，以此对特殊工种人员起到十分重要的人身安全保障作用。

1.3 用于运动场景的智能服装

与前者相比，适用于运动等生活场景的智能服装在外观上更具生活化特征。如Ombra智能运动胸罩具备追踪和记录步数、呼吸频率、卡路里等健身信息的功能，其配备柔性传感器并设计出与普通内衣一致的外观，以此保证使用者穿着后在日常生活场所的正常活动。

2 基于WSN生理监测服装的原理分析

通过将WSN嵌入服装，在服装内构成体域网。各简约节点部署在人体的不同部位，分别负责采集心率、血糖和血压等生理信号；中央协调器设置在服装中央，负责接收和转发采集的数据[3]。为使智能服装更加轻便并适于穿戴，本设计采用体积更小、性能更强的传感器、传输设备以及监控设备，共同构成无线网络系统，进而达成高效、准确监测的目的。

2.1 生理参数采集系统的设计

生理参数采集系统的设计，即基于服装生理监测的功能而进行的硬件与软件设计，是服装智能化设计的基础。将心率、血糖、血压等传感器监测和采集的生理参数嵌入服装中的多个微处理器进行特征提取、模式识别和模式分析，并对信息进行计算和处理，构成智能服装的数据分析系统。数据分析系统是智能服装功能系统的核心，包括电源、存储器和中央处理器。将数据分析的复杂计算任务放在服装中完成，进而有效避免上机位软件系统由信号弱导致的数据分析不准确、信号储存不及时等问题。

2.1.1 心率传感器

采用微压力传感材料制成的压电式传感器或光电传感器进行测量。无论是压电式传感器还是光电传感器，都会受到脉搏信号和自然抖动信号等因素的影响，造成测量数据出现偏差。因此，选择ST188红外传感器和感测控制电路，利用光电传感器对红外线强度的变化进行监测，在监视人体血管内的血液流动时，重视光的透过度或折射度等心率信号，每当心脏跳动时，心脏泵血就会改变血管中的血液流量以及血液饱和度，进而导致光反射强度的变化，获得信息对应心跳数的节奏，一次心跳数的节奏取得一次心跳数脉冲信号，对心率是否出现异常做出相关判断。这个方案最主要的优点是外部干扰小以及监测数据的相对误差小。

2.1.2 血糖传感器

无创血糖检测是最新的血糖检测方法，将其与智能服装技术相结合，可实现实时血糖监测功能。采用收集人体汗腺血糖数据的方式进行血糖生理参数采集，已达到血糖监测目的。调查研究显示，在分析汗液的过程中，因为有代谢物和电解质的存在，可以及时、准确地反映患者状况。具有可穿戴性质的三电极电化学生物传感器是基于弹性纤维的一种生物传感器，用于监测汗液中的葡萄糖。

2.1.3 血压传感器

选用压电式HK-2000B脉搏传感器，灵敏度高，能无创采集人体脉搏信号[4]。采用脉搏波测量血压的原理在于脉搏波传播速度受动脉血管壁的紧张程度影响。因此，可以根据脉搏波传递速度判断血压数值：脉搏波传递速度越快，证明动脉壁在收缩，血压在上升，反之亦然。具体数值可以根据英国著名物理学家托马斯·杨提出的公式推导出[5]：

式中：P是血压，γ是表示血管特征的一个量值，ρ是密度，d是管内直径，S是横截面面积，T是脉搏传导时间，a是加速度，E0是动能。由式（1）推导出血压变化与脉搏波传导时间之间的关系：

式中：∆P为动脉血压变化值，∆T为脉搏波传导时间，γ是表示血管特征的一个量值。

2.1.4 传感器位置

为提高监测数据的可靠度，传感器的位置非常重要。首先指出心率传感器的位置，心率值可以在许多位置实现监测；其次结合服装种类，选择人体前躯干作为传感器的安装位置。本设计将传感器放在9处位置，分别是左腋中线平第五肋间、胸骨左缘第四肋间、右锁骨中线第二肋、左锁骨下窝内1/3处、胸骨右缘第四肋间、左锁骨下窝中1/3处、左锁骨中线第五肋间处、胸骨左缘第四肋正上方、右腋中线第四肋间。

2.2 数据分析系统

数据分析系统由中央控制器和辅助处理器组成。系统的主要软件在不同的处理器平台上运行不同的程序，完成各自的处理任务。

2.2.1 数据检测编译软件简介

目前，主流的编程语言——C语言被用于编写单片机程序，优势在于可读性更强、代码维护人员更多，有利于单片机程序的开发与维护。使用Microsoft Visual Studio作为编译器的优势在于包含统一建模语言（UML）工具、代码管控工具、集成开发环境（IDE）等；支持多种编程语言编写，适用性与实用性较强。

选择STC89C52微处理器作为数据存储设备，该型号的单片机使用了经典的MCS-51内核，但做了很多改进，使芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位中央处理器（CPU）和在系统可编程Flash，使STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供了高灵活性、超有效的解决方案[6]。

2.2.2 数据分析

将心率、血糖、血压等传感器监测和采集的生理参数嵌入服装中的多个微处理器中进行特征提取、模式识别和模式分析，并对信息进行计算和处理，构成服装的数据分析系统。数据分析系统是智能服装功能系统的核心，包括电源、存储器和中央处理器。将数据分析的复杂计算任务放在服装中完成，进而有效避免上机位软件系统因信号弱导致的数据分析不准确、信号储存不及时等问题。

数据分析系统将分析结果通过无线方式传输至智能服装的交互式系统，进而及时反馈给用户，实现健康监护的功能。数据分析模块具有以下功能：数值计算、生理参数显示、测量状态选择、根据状态判断身体情况和危险度，并且将计算的生理参数、计算时间、诊断结果存入历史记录。

3 老年人生理监测服装结构设计

3.1 老年人生理与心理特征

研究表明，老年人群是糖尿病、高血压、冠心病等疾病的高发人群，部分老年人的监护人无法长期陪伴其身旁，不能及时发现老年人身体出现的问题并进行及时治疗。老年人在心理上大多不愿经常去医院检查身体，更不愿将个人生理参数告知监护人，进而导致身体出现异常情况但没有及时发现而错过治疗的最佳时期。研究表明，通过各项生理参数及时发现身体的异常，对在住院前进行急救具有重要作用，有助于降低患者的发病率以及其他突发事件发生的概率，进而降低医疗成本。

3.2 老年人生理监测服装功能要求

老年人生理监测服装需要具备的主要功能包括心率实时监测、血糖实时监测、血压实时监测。基于老年人这一特殊受用主体，本智能服装应满足以下需求。

3.2.1 舒适性

老年人群在选择服装时，会将服装的舒适性作为首要需求。目前，大多数智能服装为保证生理监测数据的准确性，会选择贴身款式，再加上大量智能纤维和电子元件被加入服装中，用户体验的舒适性降低。因此，服装的结构设计需要保证用户体验的舒适性。

3.2.2 便利性

智能服装的使用便利性对老年人来说尤为重要，无论是穿脱便利性还是清洁便利性，都影响着智能健康监护功能的实现。

3.2.3 安全性

智能服装装有大量的导电线与电子元件，存在电子辐射的风险，在数据传输过程中也存在信息安全风险。安全性保障既是智能服装设计的底层要求，也是智能服装的命脉。

3.3 面料选择及工艺设计

本设计原料选用棉、锦纶和氨纶混合制成的面料，棉织物的吸湿透气性强、保暖性好，符合老年人的生活习惯；质地柔软，符合老年人的舒适度要求；光泽柔和、简约，符合老年人对服饰外观的需求。但是，由于纯棉织物弹性差、易起皱、褶皱不易恢复、易霉变和变质，需要与其他材料混纺。锦纶结实耐磨，产品更轻，穿着更舒适；织物的弹性和回弹性好，但织物在外力作用下容易变形。氨纶弹性较强。将上述3种材料混合制成的织物具有穿着舒适、光泽明亮、手感光滑饱满、收缩小、保暖性好、抗皱性强、透气性好等优点，改善了纯棉面料易霉变、纯锦纶面料易变形的缺点。科学运用智能服装材料，可以保障服装的合体性，进一步提高服装的美观效果[8]，满足老年人的穿着要求。

老年智能服装设计整体使用物理复合的方式，利用缝制工艺中贴附、缝合或内嵌等方便拆卸的方式，将电子材料器件内嵌到服装中，使服装对人体健康起到监测的作用。这种方法直接且易于服装清洗。针对中老年人对服装舒适性、保暖性、透气性、耐用性的要求，实现智能化、微型化、便携化等特点。

3.4 结构设计

智能服装应满足老年人日常活动所需的服装宽松度和基本呼吸量，针对中老年人群体的穿着习惯与喜好，该款智能服装结构选择将合身背心的胸围尺寸在净胸围的基础上增加4.0 cm，在服装上增加了分割线和省道，在后腰打褶以提高测量精度，使背心更加贴身，且为了使智能服装更符合人体活动的要求，对服装结构进行了局部收紧和放松。该设计将胸腰省道转换为肩省道，并将其组合在一起，使整个背心更贴合人体，减少误差，使衣服肩部更舒适。采用双层织物和双层衬里的组合，内层有衬里和夹套表面。考虑到老年人在日常活动中以坐姿、躺姿居多，故马甲内层围度会因呼吸、摩擦、运动导致缝份开合。因此，本设计在接缝时下摆为4.0 cm，衬里周围为1.5 cm，以此在底摆处或后中、侧缝处形成掩皮量，避免上述情况发生。

4 结语

基于WSN的生理监测服装是将传感器嵌入服装中，依靠SPP-C蓝牙模块等进行传输数据，及时上传到移动客户端，以达到对人体生理指标的实时监测。设计方便、及时、高效的智能服装，既能满足老年人随时关注自身身体状况的需要，同时也能解决因监护人不能随时陪伴而无法发现身体异常的问题。在国家相关医疗体系以及社会保障制度的配合下，此种智能服装可以给我国老龄化人群养老提供更多的解决方法以及更强的技术支持。