基于健康監測的夏季智能勞保服設計

季婷婷　叢杉　張永楊

【摘 要】建筑工人長期處于熱濕環境下，容易受到熱應力的侵害，設計具有實時生理數據監測及預警報警功能的勞保服，便于了解建筑工人的身體情況。本文從勞保服的面料、結構、監測系統及硬件植入方式四個方面設計，保證了服裝穿著的舒適性、功能性以及數據監測的準確性。

【關鍵詞】健康監測;勞保服;預警

中圖分類號：TS941文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1007-0125（2020）07-0209-02

智能服裝是將賦予人工智能的微型電子元件整合到服裝中，可支持多種交互方式，在保障服裝穿著舒適性的前提下，為用戶提供智能分析、決策支持和反饋控制[1-3]。目前市面上大多數智能服裝主要應用在健康監測、安全定位、運動健身方面。

夏季著裝行為是影響建筑工人安全、健康的重要因素。中暑、昏厥等危險情況發生時，一般會出現體溫升高、心率加快等情況，設計一款實時監測溫濕度、心率數據并在數據異常時發出警報信息的智能勞保服，能有效地保障建筑工人的健康安全。

一、夏季建筑工人的需求

夏季建筑工人長期處于潮濕悶熱的環境下，舒適安全的勞保服有助人體的排汗散熱。建筑工人的主要需求如下：（一）服裝穿著的舒適性及功能性;（二）生理數據的實時監測，遇到危險情況時及時發現。

二、智能服裝設計思路

智能服裝因為市場推廣、信息安全等問題，普及率不是很高。在設計前，對建筑工人的需求進行市場調研，結合微型化電子元件，選取合適監測點，采用適當的植入方式保證服裝的美觀性、舒適性與功能性。如2014年，Mimo公司推出一款智能嬰兒連體衣監測寶寶睡覺時的呼吸、體溫以及活動，傳感器隱藏在可拆卸的烏龜殼內，通過藍牙技術， 將實時監測信息推送到智能手機的應用程序上[4]。與智能服裝連接的傳感器監測到的數據，可通過藍牙、NFC、RFID、ZigBee等無線傳感技術[5]傳輸到個人設備的APP上，實現人機交互。

三、智能勞保服設計方法

（一）面料選擇

從織物的風格預測出發，根據織物的基本物理屬性、通透性等指標，綜合分析各個部位的性能需求，選取熱濕性能最優面料。面料的顏色盡量選擇深色系的。雖然深色系的服裝在短時間內穿著會比深色系服裝更熱，但建筑工人受日曬的時間比較久，日曬十幾分鐘后情況會發生改變。因為人體的熱量可以通過輻射、傳導、對流、蒸發的方式向外發散，吸收的熱量可以成為衣服內空氣對流的動力[6]。

（二）結構設計

結構不僅會影響服裝的美觀，對服裝的舒適性、功能性也有很大的影響。設計上衣時，版型寬松，側縫轉移，加幾個口袋的設計用于放置輕便工具，插肩袖的設計便于運動，加上一些反光條的設計利于知道位置避免施工危險;設計褲子時，臀寬加大，腰部半彈性設計可調節腰圍尺寸不適用皮帶更透氣，部分區域可增加口袋設計和反光條的應用。

（三）健康監測系統設計

本文選擇以Arduino[7]程序設計為主控板操作平臺，通過無線藍牙技術與手機APP連接。首先，溫濕度傳感器、心率傳感器與主控板相連，通過相應的程序設計提取并處理溫度和濕度模塊所接收到的數據信息;其次，在達到溫濕度、心率設定的數據范圍時，蜂鳴器及時地預警和報警;同時，藍牙模塊與主控板和手機終端相連接，通過低功耗無線傳輸再次將獲得的數據信息發送到手機端，實現在手機端實時查看監測數據的功能。

1.硬件選擇

LilyPad Arduino[8]是為可穿戴設備和電子紡織品而開發的特殊版本，小而薄可通過導電線與其他電子元件相連，并且元件防水可與衣物一起洗滌。西班牙巴塞羅產品設計師設計的能記錄舞蹈路徑的芭蕾舞鞋E-TRACES[9]運用LilyPad Arduino為主控板，通過舞鞋與地板接觸產生的數據與APP相連后可將舞者的滑翔、旋轉等動作可視化，方便矯正姿態等。

藍牙模塊選用HC-05適合手機或電腦跟設備間通過藍牙串口通信，如數據采集，串口打印機，智能車，戶外點陣屏控制等。

AM2302數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，具有小體積、低功耗、遠距離傳輸、范圍廣、響應快、抗干擾能力強、長期穩定性、性價比高等優點。

MAX30102[10]是一款用于可穿戴健康設備的高靈敏度集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊，具有體積小、極低功率、數據輸出快等優點。

蜂鳴器作為本文的智能預警和報警的實時反饋裝置，便于建筑工人在工作過程中遇到危險情況可以更為直觀地了解。

2.總體軟件設計

LilyPad中的2號輸入數字引腳與AM2302傳感器對應;LilyPad中的3號輸入數字引腳與MAX30102傳感器相連接;蜂鳴器對應LilyPad中的9號輸出數字引腳。

由于LilyPad Main Board不帶有USB接口，所以本文選擇CH340G下載器連接。CH340G是一個USB總線的轉接芯片，體積小、功能強大，可作為串口通信、單片機下載器、路由下載器、硬盤固件修復。

3.手機實時監測系統的設計與應用

本文手機端的作用主要是通過藍牙的無線傳輸技術接收Arduino端傳來的數據，在手機端查看實時監測的溫濕度與心率數據。藍牙串口助手APP的主要功能是用于調試藍牙轉串口透傳模塊，屬于硬件調試工具，并通過藍牙搜索、設備連接，從而實現數據的接收與發送。

（四）硬件植入

以導電縫紉線的方式實現電子元件與服裝的固定與導電。將主控板LilyPad放置在服裝背面的下方不影響日常活動，溫濕度傳感器放置于左側腋下熱濕變化明顯的部位，心率血氧傳感器置于左手腕部便于感應的位置，作為報警信號裝置的蜂鳴器置于右側下擺處貼身部位，以達到適應人體運動需求、服裝舒適性需求、電路連接安全、準確性以及通信傳輸的需求。藍牙模塊硬件根據其無線傳輸的范圍，結合溫濕度傳感器以及心率血氧傳感器的安裝位置，最終確定將藍牙模塊硬件安裝于左肩部位。

四、結論

本文結合夏季建筑工人的工作環境，在保證舒適性的前提下設計一款具有報警和預警功能的智能勞保服。以Lilypad Arduino為主控板，根據硬件監測范圍、準確性選取最優的藍牙模塊、溫濕度傳感器、心率血氧傳感器等，通過無線傳輸技術將Arduino監測到數據傳輸到手機端實現人機交互，當生理數據異常時蜂鳴器發出警報。

電子元件向微型化柔性化持續發展，由于兼容性、生產成本高并沒有得到廣泛應用。未來的健康監測服裝將朝著柔性化、美觀性、精確性不斷進步。

參考文獻：

[1]沈雷，方東根，唐穎，et al. 智能服裝材料的研究現狀與發展趨勢[J]. 上海紡織科技， 2016（2）.

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[9]可記錄舞蹈軌跡的芭蕾舞鞋[J].軍事文摘，2015（08）：14-15.

[10]白鵬飛，劉強，段飛波，等. 基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統[J]. 激光與紅外， 2017， 47（10）：1276-1280.