基于健康监测的夏季智能劳保服设计
季婷婷 丛杉 张永杨
【摘 要】建筑工人长期处于热湿环境下，容易受到热应力的侵害，设计具有实时生理数据监测及预警报警功能的劳保服，便于了解建筑工人的身体情况。本文从劳保服的面料、结构、监测系统及硬件植入方式四个方面设计，保证了服装穿着的舒适性、功能性以及数据监测的准确性。
【关键词】健康监测;劳保服;预警
中图分类号：TS941文献标志码：A? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1007-0125（2020）07-0209-02
智能服装是将赋予人工智能的微型电子元件整合到服装中，可支持多种交互方式，在保障服装穿着舒适性的前提下，为用户提供智能分析、决策支持和反馈控制[1-3]。目前市面上大多数智能服装主要应用在健康监测、安全定位、运动健身方面。
夏季着装行为是影响建筑工人安全、健康的重要因素。中暑、昏厥等危险情况发生时，一般会出现体温升高、心率加快等情况，设计一款实时监测温湿度、心率数据并在数据异常时发出警报信息的智能劳保服，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
夏季建筑工人长期处于潮湿闷热的环境下，舒适安全的劳保服有助人体的排汗散热。建筑工人的主要需求如下：（一）服装穿着的舒适性及功能性;（二）生理数据的实时监测，遇到危险情况时及时发现。
二、智能服装设计思路
智能服装因为市场推广、信息安全等问题，普及率不是很高。在设计前，对建筑工人的需求进行市场调研，结合微型化电子元件，选取合适监测点，采用适当的植入方式保证服装的美观性、舒适性与功能性。如2014年，Mimo公司推出一款智能婴儿连体衣监测宝宝睡觉时的呼吸、体温以及活动，传感器隐藏在可拆卸的乌龟壳内，通过蓝牙技术， 将实时监测信息推送到智能手机的应用程序上[4]。与智能服装连接的传感器监测到的数据，可通过蓝牙、NFC、RFID、ZigBee等无线传感技术[5]传输到个人设备的APP上，实现人机交互。
三、智能劳保服设计方法
（一）面料选择
从织物的风格预测出发，根据织物的基本物理属性、通透性等指标，综合分析各个部位的性能需求，选取热湿性能最优面料。面料的颜色尽量选择深色系的。虽然深色系的服装在短时间内穿着会比深色系服装更热，但建筑工人受日晒的时间比较久，日晒十几分钟后情况会发生改变。因为人体的热量可以通过辐射、传导、对流、蒸发的方式向外发散，吸收的热量可以成为衣服内空气对流的动力[6]。
（二）结构设计
结构不仅会影响服装的美观，对服装的舒适性、功能性也有很大的影响。设计上衣时，版型宽松，侧缝转移，加几个口袋的设计用于放置轻便工具，插肩袖的设计便于运动，加上一些反光条的设计利于知道位置避免施工危险;设计裤子时，臀宽加大，腰部半弹性设计可调节腰围尺寸不适用皮带更透气，部分区域可增加口袋设计和反光条的应用。
（三）健康监测系统设计
本文选择以Arduino[7]程序设计为主控板操作平台，通过无线蓝牙技术与手机APP连接。首先，温湿度传感器、心率传感器与主控板相连，通过相应的程序设计提取并处理温度和湿度模块所接收到的数据信息;其次，在达到温湿度、心率设定的数据范围时，蜂鸣器及时地预警和报警;同时，蓝牙模块与主控板和手机终端相连接，通过低功耗无线传输再次将获得的数据信息发送到手机端，实现在手机端实时查看监测数据的功能。
1.硬件选择
LilyPad Arduino[8]是为可穿戴设备和电子纺织品而开发的特殊版本，小而薄可通过导电线与其他电子元件相连，并且元件防水可与衣物一起洗涤。西班牙巴塞罗产品设计师设计的能记录舞蹈路径的芭蕾舞鞋E-TRACES[9]运用LilyPad Arduino为主控板，通过舞鞋与地板接触产生的数据与APP相连后可将舞者的滑翔、旋转等动作可视化，方便矫正姿态等。
蓝牙模块选用HC-05适合手机或电脑跟设备间通过蓝牙串口通信，如数据采集，串口打印机，智能车，户外点阵屏控制等。
AM2302數字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器，具有小体积、低功耗、远距离传输、范围广、响应快、抗干扰能力强、长期稳定性、性价比高等优点。
MAX30102[10]是一款用于可穿戴健康设备的高灵敏度集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块，具有体积小、极低功率、数据输出快等优点。
蜂鸣器作为本文的智能预警和报警的实时反馈装置，便于建筑工人在工作过程中遇到危险情况可以更为直观地了解。
2.总体软件设计
LilyPad中的2号输入数字引脚与AM2302传感器对应;LilyPad中的3号输入数字引脚与MAX30102传感器相连接;蜂鸣器对应LilyPad中的9号输出数字引脚。
由于LilyPad Main Board不带有USB接口，所以本文选择CH340G下载器连接。CH340G是一个USB总线的转接芯片，体积小、功能强大，可作为串口通信、单片机下载器、路由下载器、硬盘固件修复。
3.手机实时监测系统的设计与应用
本文手机端的作用主要是通过蓝牙的无线传输技术接收Arduino端传来的数据，在手机端查看实时监测的温湿度与心率数据。蓝牙串口助手APP的主要功能是用于调试蓝牙转串口透传模块，属于硬件调试工具，并通过蓝牙搜索、设备连接，从而实现数据的接收与发送。
（四）硬件植入
以导电缝纫线的方式实现电子元件与服装的固定与导电。将主控板LilyPad放置在服装背面的下方不影响日常活动，温湿度传感器放置于左侧腋下热湿变化明显的部位，心率血氧传感器置于左手腕部便于感应的位置，作为报警信号装置的蜂鸣器置于右侧下摆处贴身部位，以达到适应人体运动需求、服装舒适性需求、电路连接安全、准确性以及通信传输的需求。蓝牙模块硬件根据其无线传输的范围，结合温湿度传感器以及心率血氧传感器的安装位置，最终确定将蓝牙模块硬件安装于左肩部位。
四、结论
本文结合夏季建筑工人的工作环境，在保证舒适性的前提下设计一款具有报警和预警功能的智能劳保服。以Lilypad Arduino为主控板，根据硬件监测范围、准确性选取最优的蓝牙模块、温湿度传感器、心率血氧传感器等，通过无线传输技术将Arduino监测到数据传输到手机端实现人机交互，当生理数据异常时蜂鸣器发出警报。
电子元件向微型化柔性化持续发展，由于兼容性、生产成本高并没有得到广泛应用。未来的健康监测服装将朝着柔性化、美观性、精确性不断进步。
参考文献：
[1]沈雷，方东根，唐颖，et al. 智能服装材料的研究现状与发展趋势[J]. 上海纺织科技， 2016（2）.
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[8]Buechley L，Eisenberg M. The LilyPad Arduino： Toward Wearable Engineering for Everyone[M]，2008.
[9]可记录舞蹈轨迹的芭蕾舞鞋[J].军事文摘，2015（08）：14-15.
[10]白鹏飞，刘强，段飞波，等. 基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J]. 激光与红外， 2017， 47（10）：1276-1280.
