基于可穿戴技術的智能服裝平臺探究

朱祥成,劉亞俠,*,劉華新

(1.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院,北京100029;2.內蒙古工業大學 輕工與紡織學院,內蒙古 呼和浩特010051)

隨著以現代通信技術、互聯網技術、數據庫技術為基礎的信息化生產力的迅速發展,物聯網技術與人們的日常生活已經密不可分。物聯網技術是在互聯網技術基礎上的擴展與延伸,物聯網將互聯網的人人相連轉變為人物相連、物物相連、物人相連[1]。由于物聯網與電子信息技術的日趨成熟以及可穿戴技術和新材料技術的不斷突破發展,人們對服裝的要求不再局限于遮體和服裝款式造型的美觀與得體,而是進一步要求服裝的個性化、便捷性與智能性[2]。人們要求未來服裝能夠具有娛樂交流、生理檢測等功能,智能服裝可以根據用戶需求和使用環境的不同,做到功能定制。

在紡織服裝行業中,智能服裝已經成為發展的新方向與新動力。目前實現服裝的智能化主要有2種方式:(1)通過對紡織纖維進行改性,使紡織纖維具有導電、變色、記憶等功能,將具有特定功能的改性纖維單獨或與普通紡織纖維交織制成智能面料,用含有智能纖維的面料制成智能服裝。(2)將微電子技術、通信技術、能源技術等與人們日常服裝相結合,包括對導電紡織材料、柔性傳感器、納米發電機等產品的應用,讓服裝在保留服用性能的情況下,能夠實現檢測、交流、反饋等功能[3]?，F基于可穿戴技術的發展現狀及前景對智能服裝的實現進行探究。

1 可穿戴技術

可穿戴技術(wearable technology,WT)是一項把多媒體、傳感器和無線通信等技術嵌入人們的衣著中,可支持手勢和眼動操作等多種人機交互的創新技術。同時,可穿戴技術也是探索和創造某種設備能直接穿在身上或是整合進用戶的配件的科學技術[4],這些設備常用的形式有手表、眼鏡和項鏈,也有大衣、鞋子等?？纱┐骷夹g產業在發展過程中衍生出兩大分支,一類是智能可戴設備,另一類是智能服裝。依托可穿戴技術所制造的產品不僅僅代表的是一種硬件設備,同時它也是一種能夠迅速獲取數據信息并實現信息云交互的智能終端平臺?？纱┐骷夹g與人工智能(AI)的結合,不僅可以讓電子設備更加人性化,而且可以達到利用可穿戴技術影響和改變人們生活方式的目的。

1.1 可穿戴技術發展現狀

早在20世紀70年代可穿戴技術就已經出現,這項技術只是為了方便賭徒在賭場作弊而出現,由于當時電子技術發展不成熟,并且不能滿足大眾消費的需求,所以可穿戴技術并沒有得到真正的發展。隨著近年來人們對高集成化電子設備需求的不斷提高,可穿戴技術已然成為了產業和學術的焦點。在可穿戴技術發展過程中較為經典的智能可戴設備產品是由谷歌公司于2012年發布的“增強現實”眼鏡Google Project Glass[5],如圖1所示。使用者可以通過聲音控制眼鏡,來實現通話、照相、文件處理等功能。伴隨著谷歌眼鏡的出現,可穿戴技術逐漸被大眾認知,各大科技公司也紛紛推出自己的智能可戴產品。如蘋果公司2014年推出的智能手表Apple Watch,這是一款基于健康和運動功能的設備,它可以實時對運動數據進行記錄。Jawbone up智能手環可以跟蹤使用者的活動狀態、睡眠狀態等數據。Nixie可穿戴無人機顛覆了人們對傳統無人機的固有印象,當它折疊時可以像手表一樣戴在手腕上,而展開時就是一架四旋翼無人機,能夠實現飛行、實時錄像及數據傳輸功能,如圖2所示。

圖1 谷歌眼鏡Google Glass

圖2 Nixie可穿戴無人機

目前對于智能服裝來說,由于不能滿足日常使用要求,大規模工業化生產實現比較困難,又有許多可替代的產品,所以現在出現在市場上的智能服裝只有一小部分,大多數的產品無法由實驗室里的雛形走向產業化。2016年在谷歌I/O大會發布了由谷歌和李維斯合作生產的智能夾克,如圖3所示。該款智能夾克將電容導線織入服裝的袖子里,讓左袖成為了觸控板,通過在袖子上滑動和點擊,就能操控口袋里的手機(如雙擊播放音樂,上劃播報時間等)。馬薩諸塞大學的科學家開發了一款電力儲存系統,能夠在任何衣服上繡上儲電電池,如圖4所示。該系統使用的是超級電容,它將涂層導電線與聚合物薄膜結合,通過特殊縫紉技術,在服裝面料上繡出柔性網狀電極,從而為傳感器供電。儲電系統的大小也可以根據需求不同而隨意改變。

雖然一些智能可戴設備具有與智能服裝相同的效用,但是在某些方面智能服裝有著智能可戴設備無法比擬的優勢。

圖3 智能夾克

圖4 新型柔性儲存電池

1.2 智能服裝較智能可戴設備的優勢

智能服裝與智能可戴設備雖然同屬于可穿戴技術產品,但以目前的科技而言無法讓每一件智能服裝做到常服化的水平。在便捷性上,智能服裝比智能可戴設備的優勢并不是很明顯。不過在其他方面,具備同種功能的智能服裝與智能可戴設備相比更具有優勢。智能服裝比智能可戴設備接觸人體表面的有效面積更大,能夠最大程度地收集人體的各項生理指標信息,并且在信息數據收集方面可以做到更加全面與準確,通過預定程序的篩選分析可以采用語音或者文字等形式對人們的行為習慣作出指導。而且在智能服裝上可以根據需求隨意地放置智能設備進行數據的檢測收集,并不像智能可戴設備那樣需要借助如手腕、頸部等特定位置安放設備。智能服裝也具有智能可戴設備不具有的柔性、能夠大程度變形等特點。智能服裝在時尚方面能提供的選擇更多,長時間的穿著也不會讓人感覺不舒服,同時具備不會影響人的活動等功能。

智能服裝在未來不單是人體的第二層皮膚,它也將會對人們行為習慣、生活方式的優化改善起到重要作用。智能服裝能夠精確地采集人體各項體征信息,對一些疾病的預防(如心血管疾病,癌癥等),以及身體姿態的調整都有著一定的指導作用。由此可見,智能服裝是智能可穿戴設備發展的必然趨勢。為了讓這種趨勢得到發展,一個好的平臺是不可或缺的。

2 智能服裝原型平臺

2.1 Arduino平臺介紹

David Cuartielles和Massimo Banzi為了能夠讓學生使用上價格低廉、性能優良的微控制器,在2005年聯合創建了Arduino,同時Arduino也是專為各行設計人員和那些對交互設計感興趣的人而設計的[6]。Arduino是一個開源電子原型平臺,包含硬件(Arduino控制板)和開發軟件(Arduino IDE)。Arduino系統是在Java語言基礎上建立的,同時在網絡上也有豐富的開源代碼可供參考[7]。

Arduino通過接收不同輸入模塊的輸入信號,用來檢測輸入模塊的運行環境,并通過對舵機、顯示屏以及其他驅動器的控制來反饋、影響其周圍環境[8]。Arduino擁有靈活易用、功能多樣、價格低廉等特點,在互動裝置研究領域被廣泛應用。根據所做項目需求的不同,有多種型號的Arduino控制板可供選擇,現在也有專為可穿戴技術和電子織物而設計的可水洗微控制器板FLORA、Lily Pad等,如圖5所示。因此Arduino平臺完全可以作為快速、簡易實現服裝智能化的方式之一。

圖5 Arduino控制板

2.2 可穿戴能水洗的Arduino控制板FLORA

FLORA是一種微型可穿戴、能水洗的控制板,可以用Arduino IDE開發軟件對其進行程序設定。FLORA能夠被縫合在普通面料上,通過導電縫紉線聯通、控制輸入模塊與輸出模塊,如圖6所示。在未來的智能服裝產品開發中,導電縫紉線將會被廣泛使用。

2.3 Arduino智能服裝控制模式

采用Arduino平臺對智能服裝進行控制,通過對輸入模塊的數據采集,經過Arduino控制板的數據分析,將數據處理結果編輯成指令由輸出模塊進行操作,由此來實現智能服裝的不同功能。智能服裝的硬件部分主要包括Arduino控制板、傳感器和執行器[9]。智能服裝系統硬件結構如圖7所示。

圖6 通過導電縫紉線與織物結合的FLORA

圖7 智能服裝系統硬件結構圖

2.4 Arduino開發環境

Arduino IDE是Arduino平臺的編輯軟件,可以在其官方網站上免費下載使用。開發者可以通過軟件在代碼編寫區隨意地對代碼進行編寫或修改。信息欄能夠顯示代碼編譯或者下載是否成功。Arduino IDE與其他開發軟件不同之處在于設置有一個串口監視器窗口,方便開發者在程序調試過程中對程序的運行狀況進行觀察,或者得到程序的運行成果,如圖8所示[10]。

2.5 Arduino智能服裝常用輸入模塊與輸出模塊

一般的輸入模塊就是各類傳感器,傳感器是一種檢測裝置,能夠探測或者感受外界信號,常規的為物理信號(力、熱、光、電、磁等)或化學信號(煙霧等),將探知的信息轉換成電信號通過導線傳遞到輸出模塊。開關按鍵是最基礎的輸入模塊,可以用來控制智能服裝電源的通斷。GPS模塊、超聲波測距傳感器常用于對服裝穿著者的定位確定。還有物聯網通信模塊,如無線通信藍牙、有線通信以太網等,這讓Arduino也具備了與其他設備(如手機等)之間的信息傳輸功能。

輸入模塊的接口分為3種,分別為數字接口、模擬接口與協議接口(數字)。Arduino控制板通過數字信號與模擬信號兩種“語言”在輸入模塊與輸出模塊之間建立起溝通橋梁。數字信號的輸入(按鍵、開關信號等)只有2個數值(0V和5V),在Arduino中指的就是低(Low)和高(High),“Low”為“0”對應的是0V,“High”為“1”,對應的是“5V”。模擬信號的輸入(壓力、角度量傳感器等)在指定范圍內是無限值。在Arduino中,0V～5V對應表示的是0～1023范圍內的值。例如,0對應是0V,1023對應的是5V,512對應的是2.5 V。

在智能服裝中可以運用到多種輸出模塊,如具有光表現形式的多彩LED控制燈、LCD控制顯示器等,具有動作表現形式的舵機、小電機等,具有聲音表現形式的蜂鳴器、小喇叭等。品類繁多的輸入模塊與輸出模塊讓基于Arduino平臺的智能服裝可以實現更多的功能。

圖8 Arduino IDE界面

2.6 Arduino智能服裝開發實例

將兒童外套與電子元器件相結合,把Arduino平臺作為智能童裝外套的控制核心,通過GPS、藍牙、嵌入式系統、手機APP等技術并根據服裝功能進行電路設計,最終可設計出一款防走失智能童裝外套[11]。該款智能童裝外套能夠實現家長實時監控孩子的位置、孩子可以通過服裝上的智能裝置向家長發出求救信號、家長與孩子距離超出預設值主動報警震動提醒等功能,在一定程度上解決了兒童安全保護問題。

通過傳感技術可實現騎行服裝的監測功能,采用Arduino作為電子原型的開發平臺。在Arduino開發軟件中,通過對代碼進行編寫來實現該款服裝功能的開發與應用[12]。在研究過程中使用LilyPad Arduino Simple作為控制板,將心率測量模塊及溫濕度集成測量模塊并聯,對在騎行過程中的騎行者的身體各項指標狀況進行實時監測,給騎行者帶來了更優質的運動體驗。

3 智能服裝的發展趨勢

研究表明,醫療護理、娛樂休閑、體育、工業及軍事等是未來智能服裝的主要應用領域。在全面二胎政策下的中國,人口年齡結構問題依然十分嚴峻,雖然新生兒出生率較以往有了略微提高,但老齡人口比例有增不減[13]。隨著老齡化市場、兒童業態市場需求的不斷擴大以及大眾消費者對生活質量要求的不斷提高,保健醫療、兒童安全、體育將成為智能服裝的三個主要發展方向[14]。

未來的智能服裝不再是一件衣服,它將是每個人的貼身管家[15]。如對個人的生理數據監測,預防一些疾病的發生;提醒即將要做的事情;主動改變服裝溫度等。同時,智能服裝也可以與智能家居等智能系統建立聯系,通過對使用者生活數據的分析歸納,劃分用戶對每一項活動的喜好和習慣,在使用者進行不同活動時主動對環境進行改變,如播放音樂、調節光線的明暗等,讓使用者感到舒適與放松。

4 結語

關于智能服裝的研究還停留在初級階段,不過,隨著柔性電子技術、能源技術、信息技術的高速發展[16],智能服裝研究水平一定會跨上新的高度。在未來,智能服裝必將成為人們日常生活中不可或缺的一部分。以Arduino作為智能服裝的原型平臺,將電子元器件與服裝進行簡單結合,通過簡化程序編程和硬件電路設計,在一定程度上可實現服裝的智能化,為智能服裝的快速實現提供一種解決方案,這對Arduino平臺的廣泛應用具有較好的參考價值。