智能運動文胸電子監測系統設計方案與實施

王建萍，徐 朔，王竹君，姚曉鳳，李永貴

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051； 3. 同濟大學 設計創意學院，上海 200092； 4. 閩江學院 服裝與藝術工程學院，福建 福州 350108)

近年來人們越來越關注健康和生活體驗，而提高日常體驗最直接的方式之一是通過各種運動來感受[1]。在運動過程中，更多的人希望能及時掌握自己的運動參數和生理狀態，許多可穿戴設備的研發積極響應了這一市場需求[2]，并應用在服裝、手套、鞋等產品上，其中在運動服飾上的應用更是這幾年研究的熱點[3]。在現有的研究中，國內外關于智能運動文胸的探討非常少：一方面由于文胸類產品的技術研究是近幾年新興起來的，國內外很多包含服裝專業的高校還沒有開設內衣課程，涉及運動文胸更是少之又少；另一方面智能運動文胸屬交叉學科的范疇，更加深了研究的難度，因此對智能化運動文胸的設計與研究迫在眉睫。

本文首先從系統方案設計思路展開，設計了智能運動文胸整體框架。然后在智能化設計層面選擇不同功能的傳感器集成，并描述了整體電子系統的工作流程。另外總體規劃了智能運動文胸的服裝板型設計和各傳感器安裝布局。針對關鍵傳感器加速度計，在智能運動文胸監測人體運動狀態方案的可行性上，設計了具體的實驗和測試平臺，同基于手部穿戴進行了對比實驗，得出相關結論。最后綜合版型設計進行了試穿舒適度評價，并總結了未來進一步的研究方向。

1 設計思路

智能運動文胸的研發除要兼顧吸濕、散熱、透氣、防護等功能和舒適性外，同時要能測量人體運動時的加速度、速度、位置、方向等運動狀態特征[4]，因此需要結合內衣生產、人體功效學、信息感知交互等多種專業技術。本文所研發的智能運動文胸包括運動文胸本體，以及ARM主控通訊單元、全球定位系統(GPS)天線、織物心率帶、溫濕度計和運動傳感器等組件。要能夠根據監測到的人體運動生理數據，如人體運動距離、路線、心率、體溫、出汗情況，分析人體當前生理狀態和運動效果，判斷是否發生超負荷運動。圖1示出系統方案設計框架圖。

圖1 文胸電子系統設計方案框圖Fig.1 Design diagram of bra electronic system

ARM主控通訊單元在運動文胸和智能終端中起到承上啟下的作用。運動傳感器包括三軸加速度計和三軸陀螺儀：三軸加速度計會記錄人體的三維運動情況，檢測人體步行或跑步狀態；三軸陀螺儀會檢測人體的旋轉矢量，實現慣性導航和軌跡記錄。濕度傳感器會檢測人體皮膚周圍的濕度情況并反映人體排汗程度，溫度傳感器會測量人體實時溫度。心率帶通過柔性薄膜電極吸附在人體皮膚表面[5]，記錄運動過程中人體皮膚的心動電流或者電勢的周期變化，測量心跳，能直接反映當前運動強度和生理參數，并通過I2C總線按特定的串行通信協議方式傳輸數據至主控通信單元。主控通信單元提供與智能終端通信的藍牙接口，根據時間軸打包整合接收所有傳感器采集的人體數據，暫存在主控通信單元的內部。當采集的數據包數量到達設定閾值時，發送多個數據包到智能終端，智能終端就可以通過友好的人機界面顯示結果以供查詢及預警。

整個系統基于運動文胸結構合理設計的基礎上，迎合現代運動健身的生活理念，注重高頻采樣人體生理特性參數，精密監視運動狀態，滿足女性活動的生理性、安全性、科學性需求，也為進一步的科學運動研究提供基礎數據。

2 設計原理

2.1 系統傳感器的選用

運動文胸為女性貼身穿著，對胸部起到包覆和支撐的作用，因此電子系統的設計應當不影響運動文胸的舒適性和功能性，所以對傳感器的選擇和設計除了高效外，應當柔軟、防水和無異物感。可使用智能導電紡織品作為柔性傳感器無縫添加到服飾當中[6]。智能運動文胸在心率帶中封裝一個非常小的傳感器和芯片,通過織物柔性傳感性能實現數據采集，同時織物中優良的傳導材料提供所需的電子連接。商用心率帶由傳統的纖維編織而成(柔韌性強),織物中導電纖維經緯向交織形成一個矩陣,可以準確感知到織物受壓部位[7]。另外隨電子科學技術的發展，已經研發出了各式各樣的微機電系統(MEMS) 傳感器[8-9]，其三維尺寸非常微小，可直接集成在運動文胸當中，使用低功耗的藍牙處理系統[10-11]，配備紐扣電池能實現智能運動文胸的全天候工作，并且由于質量輕，合理設計的文胸結構完全不會影響穿著的舒適性。

智能運動文胸使用各類微小的MEMS傳感器[12]檢測人體生理和環境參數，考慮其結構特征和數據需求，采用Invensense公司的MPU-6050芯片，集成了三軸加速度、三軸陀螺儀的數字運動傳感器[13]及1個溫度傳感器，更加精準地記錄人體運動狀態。濕度傳感器[14]可用數字類的MEMS芯片，在局部空間測量濕度，通過濕度反演人體出汗情況，采用Measurement公司的HTU21D芯片。GPS還沒很好的解決方案，主要是功耗和天線技術問題。今后隨著太陽能材料得到進一步發展，也可以選配為智能運動文胸的功能組件[15]。目前可以選用模塊探討未來智能運動文胸的集成方案，本文選用的GPS接收器采用RF Solutions公司的GPS-330R模塊。使用低功耗的藍牙芯片作為ARM 主控通訊單元和數據傳輸單元[16-17]，可選賽普拉斯公司(Cypress)的CY8C4LP型片上系統(PSoC)，集成藍牙4.0協議[18]和低功耗工作模式。

1—加寬工型夾棉肩帶；2—復合式全罩杯；3—加寬彈力下圍； 4—溫濕度傳感器；5—運動傳感器；6—主控通信單元。圖2 智能運動文胸正面示意圖Fig.2 Front view of smart sports bra

圖3 系統工作流程設計圖Fig.3 System workflow design diagram

2.2 智能運動文胸款式和工藝設計

該款智能化的運動文胸如圖2所示。加寬夾棉肩帶采用網眼布面料，其中80%為聚酯纖維，20%為氨綸，頂端設有夾棉，可以降低電子元件的異物感并起到降低壓力和彈力緩沖的作用。復合式全罩杯采用3條不同車縫線立體縫合，可以擴大胸部容積貼合人體，還可將防水柔線設計內嵌縫合處，提高美觀性，降低異物感，并且罩杯中間位置通過卡扣的方式固定有溫濕度傳感器4。卡扣固定方便拆卸清洗，提高智能化服裝的使用壽命。加寬彈力下圍采用81%錦綸面料和19%氨綸面料制成，內側縫合有心率帶，心率帶為內部貼有柔性薄膜電極的織物，通過三針冚車縫合到加寬彈力下圍，并預留與主控通信單元的數據接口；前部左邊位置通過卡扣的方式固定有運動傳感器；前部中間還通過卡扣的方式固定有主控通信單元，主控通信單元設有GPS接收器。心率帶、溫濕度傳感器和運動傳感器通過內嵌在文胸主體的防水柔線與所述主控通信單元相連。

2.3 系統工作流程設計

當用戶穿戴上智能運動文胸，連接并固定各傳感器模塊及其數據接口，通過加速度傳感器檢測運動狀態，當運動幅度大于設定閾值時，將喚醒主控傳輸單元啟動系統。圖3示出系統工作流程設計圖。

智能運動文胸系統內部將設置10 Hz和100 Hz 2種采樣頻率，對于GPS、溫度、濕度和心率使用 10 Hz 低頻采樣，而加速度和陀螺儀使用100 Hz高頻采樣。在每次100 Hz采樣中，設置運動檢測的閾值：如果小于運動閾值，則采樣加速度值為0，該模式同理適用于陀螺儀的數據采集。當運動檢測連續10 s采樣數據為0時，則判斷人體進入靜息狀態，系統將轉為待機狀態，直至下次運動來臨，該模式將極大減少電子系統功耗。為進一步提高智能運動文胸的續航能力，在運動模式中設置標準工作模式和高精度工作模式。

當智能運動文胸工作于標準工作模式時，開啟所有傳感器工作和GPS數據接收處理，其中心率帶、運動傳感器和溫濕度計以10 Hz采樣頻率發送數據到主控通信單元；GPS接收器以1 Hz的數據解析頻率發送數據到主控通信單元；主控通信單元整合時間碼、心率數據、三維加速度計數據、三維陀螺儀數據、胸部下位溫度、胸口濕度、胸口溫度以及GPS數據為一個原始數據段，轉存于主控通信單元的存儲器內。內部存儲器以256 M Flash，滿后循環存儲，可一次性導出到智能終端。同時將每個原始數據段，通過訓練過的人體運動算法，識別前進、后退、步行、跑步、旋轉、正常運動心率、體脂燃燒率以及GPS方位和當前方位，并將這些結果整合為結果數據段，打包10個結果數據段為一個數據包，通過藍牙4.0協議發送數據包到智能終端進行數據處理。

當智能運動文胸工作于高精度工作模式時，開啟所有傳感器工作，并提升采樣頻率至100 Hz，其中GPS模塊采樣頻率仍為10 Hz。主控通單元以100 Hz頻率整合接收到數據，并轉存于主控通信單元的Flash存儲器內，以供智能終端批量讀取原始運動數據。在高精度工作模式時，以10 Hz的頻率抽取100 Hz原始數據。高精度工作模式注重高頻采樣人體生理特性參數，精密監視運動狀態，可為專業的運動員或運動愛好者提供更有精確有效的科學運動分析。

所有采集數據都以10 Hz的采樣頻率打包，考慮到單個藍牙通信(BLE)的通信成本，在不需要原始數據的情況下，減少數據包數量，可通過1 Hz的頻率一次上傳10個打包好的數據量，提升通信效率。

而由上可知，通過智能運動文胸采集到的原始數據，打包上傳到數據終端，終端可以是智能設備(手機、平板、電腦等)或云平臺，擁有了大量數據，就可以進行各種復雜算法甚至是深度學習應用。

3 關鍵數據采集及測試

文中提及的GPS、溫度、濕度傳感器采集均可放置在需要測量的部位，得到相應的測量結果。心率帶放置在胸部位置，能很好地測量人體的心率數據。陀螺儀測量人體的矢量旋轉，如果佩戴在四肢末端，會引入比較多的肢體動作如甩手、揮手等，這些動作需要專門算法濾除，而佩戴在胸部反而純粹直接，能更好測量人體的矢量旋轉信息。加速度計目前主要佩戴在四肢，在人體進行行走、跑步或游泳等不同運動時，四肢都會做出不同的運動形式。四肢的運動更偏向測量一個運動周期內的擺幅，加速度變化曲線等等，通過連貫的時間點測量，依據不同的運動模板判斷不同的運動狀態，再反演出人體的運動信息。運動文胸將加速度計放置于胸部，必然需要另外一套全新的評估和算法，去推算反演人體運動信息。為此，本文專門設計了一個實驗，驗證放置于胸部的加速度傳感器和放置于手部的加速度傳感器獲得數據同樣具備相關性，能夠正確地反映人體的運動狀態。數據采集的基本原理是使用固定時鐘的采樣頻率，搜集加速度傳感器的數據。普通人體的運動動作頻率小于10 Hz，依據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率要大于信號中最高頻率的2倍，采樣信號才能完整地保留原始信號中的信息。

本文通過使用圖4所示的MPU-6050傳感器和單片機組合，配置MPU-6050 100 Hz采樣率輸出經單片機接收轉為電信號輸出。這樣設計的好處是可以通過USB HUB無限擴展傳感器的數目，以便在多個測量點測量，如圖5所示。

圖4 MPU-6050模塊Fig.4 MPU-6050 Module

USB HUB采集多點數據同時傳輸到電腦上位機接收，保存解析數據。電腦上位機軟件以多串口通訊為基本框架，使用面向對象C# 語言編寫，包含對傳感器基本配置(采樣頻率等)和每個傳感器原始數據分別顯示及整數據的實時輸出。實驗過程人體運動狀態基本保持在原地跑步運動狀態。

圖5 USB多傳感器采集Fig.5 USB multiple sensors. (a) Input sensor data to computer; (b) Acquisition chest sensor data; (c) Acquisition sensor data in moving; (d) Acquisition hand sensor data

通過MatLab編寫分析獲得數據，對比并整理手部和胸部數據，處理過程如圖6所示。

圖6 數據處理流程Fig.6 Data processing flow

因為芯片的三維加速度輸出都是基于芯片的坐標，所以手和胸部芯片固定方式以及運動過程中芯片位置的不斷變化，對輸出的三維數據都會有很大干擾，輸出的三維數據都需要統一變換為人體運動的坐標系即上下/前后/左右。2個坐標系的相互關系，剛好可以通過類似飛行器的歐拉坐標系即俯仰角/偏航角/翻滾角計算轉換為人體坐標系的三維加速度值，這樣就排除了芯片不同姿態的干擾，如圖7所示。

圖7 坐標系轉換關系Fig.7 Coordinate transform relationship

分析過程分3步：1)計算芯片的歐拉坐標系下的俯仰角、偏航角和翻滾角；2)依據獲得的3個歐拉角，分別將胸部和手部的三維加速度值芯片原始數據轉換為人體運動坐標系下的三維加速度；3)對二者數據進行分析比較。

圖8示出手部和腦部人體坐標系三維加速度值。可發現胸部和手部位置在人體坐標系Z軸的加速度具有非常大的周期性運動關聯現象。從胸部的數據可看出，其他兩軸的加速度非常小，而手部另外兩軸由于手臂的擺動還會有一些小幅的加速度存在。總體上佩戴在胸部獲得的數據干擾性更小，更易去反演當前的運動狀態。綜上，本測試證明佩戴于胸部的加速度計比手部佩戴更能準確反演人體的運動信息。

4 整體設計效果及評估

4.1 性能評價

目前集成的傳感器基本覆蓋了常見的人體生理特性測量需求。針對不同參數使用100 Hz和10 Hz的采樣頻率也基本滿足了不同的數據應用。并且從關鍵數據采集及測試的實驗結果也可以看出：相比于智能手環、手機等，智能運動文胸對女性生理特性參數及運動數據的采集方式更具有科學性和準確性，同時在運動過程中，女性只需穿著智能運動文胸，無需另外佩戴手環或攜帶手機，更簡單便捷。

目前制作的智能文胸還處于實驗室研發階段。穿戴后，因為運動文胸的緊身包裹特性，能感覺到一定的異物感。邀請5位胸型尺寸相近的實驗者穿著傳統運動文胸和智能運動文胸，進行比較評價實驗，主要從喜愛程度、整體舒適性(包括面料觸感、導線觸感、傳感器觸感、儀器的重力感及運動過程中的舒適感等)、壓迫感和安定性這4個方面進行評價。通過心理學標尺法將主觀感覺定量化,滿意程度同評價數值大小成正比關系，數值1為最差，數值10為最優，結果如表1所示。

從數據的統計結果來看：相比傳統運動文胸，實驗對象對智能運動文胸更感興趣，特別是實驗的分析結論。然而試穿的智能運動文胸還在設計和開發階段，對于采集的數據如何深度分析和應用還需進一步研究；在整體舒適性的評價中，智能運動文胸的觸感體驗度略差，其主要原因是傳感器和主控單元需要線纜連接，如果有產品化的需求，必須優化傳感器在運動文胸上的布局，以及使用多芯細銅絲預埋作為連接線纜的工藝，改善智能運動文胸的舒適度。在壓迫感和安定性的評價中，二者無明顯差異。

圖8 手部和胸部人體坐標系三維加速度值Fig.8 Hand and chest accel data in body coordinate. (a) X-axis acceleration of hand human body coordinate system; (b) Y-axis acceleration of hand human body coordinate system; (c) Z-axis acceleration of hand human body coordinate system; (d) X-axis acceleration of chest human body coordinate system; (e) Y-axis acceleration of chest human body coordinate system; (f) Z-axis acceleration of chest human body coordinate system

表1 穿著評價實驗Tab.1 Wearing evaluation experiment

4.2 數據應用

數據的采集目前都是基于孤立的數據做自我判斷應用，并沒有考慮同一個人體的不同參數之間的關聯性應用。比如運動參數和心率參數都是獨立應用判斷，其實二者之間還可以結合為更復雜的應用。比如結合運動和心率參數數據，經過終端復雜算法學習，鍛煉強度和身體健康之間的聯系，規劃指導科學訓練計劃，滿足一些專業運動員或資深運動愛好者需求。當然這個復雜應用的基礎，就是目前制作的智能化運動文胸及其采集的數據。

5 結束語

國內外服裝技術的發展不再局限于傳統的版型舒適性研究，已經拓展出很多新的領域，其中智能化就是一個重要的發展方向。這正是受益于傳感器、芯片等科學技術日新月異的進步，讓微小化、多功能和低功耗等特性成為可能，使得智能服裝的硬件基礎變得越來越可行實用。

智能運動文胸結合傳統服裝設計技術，融入算法實現人工智能和在不同場景下的個性化設計，并且在同一硬件平臺上，使用軟件和算法的方式，方便迭代提升每個個體的差異化用戶體驗，在運動領域具備非常好的切入點和實用價值。市場的品類是越來越細分化的，隨著熱衷于運動和健身的青年人群數量不斷上升，也將會更加關注這部分群體的特點和需求。

盡管目前對運動文胸的智能化研究已取得一些進展和成果，但大部分還處于實驗的初級階段和初級產品階段，因此在未來有待進一步深入的研究與開發，才能達到產業化應用和滿足市場的需求。