單片機(jī)開發(fā)
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智能服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)的智能服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)
微電子、網(wǎng)絡(luò)通信和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新成果的普及和應(yīng)用。近年來，智能化可穿戴設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一部分，受到社會各界的廣泛關(guān)注，正逐漸走進(jìn)人們的生活，如智能手表、智能眼鏡、智能服裝等。為使智能化可穿戴設(shè)備更好地滿足社會需求和實(shí)際應(yīng)用，給人類提供智能、便捷和高效的服務(wù)，各領(lǐng)域科研、技術(shù)人員加大了對可穿戴設(shè)備技術(shù)的研究和應(yīng)用力度。服裝作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚痪印耙率匙⌒小敝?，將可穿戴技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入服裝，研究集感知、驅(qū)動(dòng)、處理和傳輸于一體的智能服裝成為市場主流趨勢和時(shí)代發(fā)展熱點(diǎn)。
智能服裝最早應(yīng)用于軍事、航天等特殊領(lǐng)域，后來逐漸拓展至醫(yī)療、保健、體育等行業(yè)。例如，針對人體健康方面的智能服裝，通常將嵌入式技術(shù)和多傳感器技術(shù)應(yīng)用到服裝上，可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測人員的血壓、脈搏、心率、體溫等信息的采集和處理。在醫(yī)療領(lǐng)域，智能服裝還用來研究高血壓、心臟病等患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題，特別是將醫(yī)療器械與智能服裝相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前及未來的發(fā)展趨勢。為使智能服裝更加滿足用戶需求，研究者還將無線通信及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于智能服裝。與有線傳輸技術(shù)相比，無線通信在經(jīng)濟(jì)性、便攜性及舒適性等方面都有顯著優(yōu)勢。此外，智能服裝還可以從服裝的新功能、智能化程度及新型材料等方面進(jìn)行深入研究。
由于病人、兒童、老人等屬于弱勢群體，對體溫和外界環(huán)境反應(yīng)不太敏感，需要全方位、全過程的實(shí)時(shí)護(hù)理。本文基于STC89 C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能服裝系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)感知人體與環(huán)境溫度、大氣氣壓和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并通過短距離無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到電腦或手機(jī)終端，有助于實(shí)現(xiàn)對病人、兒童、老人等24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，還利用特殊的紫外線LE D發(fā)光二極管和超聲波傳感器，設(shè)計(jì)了具有驅(qū)蚊功能的驅(qū)蚊傳感器模塊，使智能服裝系統(tǒng)能夠有效驅(qū)除蚊蟲。同時(shí)，多傳感器數(shù)據(jù)融合模式的設(shè)計(jì)也是本文研究的重點(diǎn)，其目的是剔除監(jiān)測過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、冗余等數(shù)據(jù)，避免造成不必要的干擾，以正確獲取監(jiān)測人員的綜合健康評價(jià)值，從而有助于做出健康評估并采取有效應(yīng)對措施。
一、智能服裝系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
智能服裝系統(tǒng)采用插拔技術(shù)，將感知人體健康的傳感器(如溫度傳感器LM335 A)、微處理器STC89 C52等微電子器件嵌入智能服裝，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測人員的健康狀態(tài)和環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理、顯示、預(yù)警等功能。該系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、傳感器模塊、通信模塊、上位機(jī)和監(jiān)測終端。智能服裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
1.2智能服裝系統(tǒng)工作原理
本文設(shè)計(jì)的智能服裝系統(tǒng)基于S T C8 9 C5 2微處理器，集成了溫度傳感器、氣壓傳感器、驅(qū)蚊傳感器和環(huán)境氣體傳感器等模塊，并采用了藍(lán)牙無線通信技術(shù)。首先，智能服裝系統(tǒng)將多傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過安裝的藍(lán)牙設(shè)備(藍(lán)牙收發(fā)器)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)發(fā)，即采用藍(lán)牙無線通信協(xié)議將接收的監(jiān)測人員健康狀態(tài)數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至附近的上位機(jī)。其次，在上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、優(yōu)化和存儲，再由I n te r n e t、4G、GPＲS等網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)信息的存儲、處理、顯示等功能。最后，用戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端通過APP、IPAD、WEB等實(shí)時(shí)查看人員的綜合健康狀況。同時(shí)，該系統(tǒng)還利用光傳感器與物理驅(qū)蟲模塊相結(jié)合，不僅可以全天候監(jiān)測人體健康狀況，還能達(dá)到驅(qū)除蚊蟲的效果。智能服裝系統(tǒng)綜合運(yùn)用了傳感器、嵌入式開發(fā)、通信及軟件開發(fā)等技術(shù)，可以實(shí)時(shí)感知人體健康狀況數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，方便用戶通過連接的遠(yuǎn)程電腦或移動(dòng)設(shè)備終端查看各類監(jiān)測信息和綜合健康評價(jià)值。
二、智能服裝系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1傳感器模塊
硬件設(shè)計(jì)主要是對安裝在服裝上的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括使用的微處理器、溫度傳感器、氣壓傳感器、驅(qū)蚊傳感器和環(huán)境氣體傳感器等模塊的設(shè)計(jì)。智能服裝系統(tǒng)的微處理器和各傳感器模塊設(shè)計(jì)原理如圖2所示。
溫度傳感器模塊采用LM335 A高精度溫度傳感器芯片，主要采集監(jiān)測人員的實(shí)時(shí)體溫和環(huán)境溫度。LM335 A溫度傳感器精度高、體積小，電源供電靈活、方便，比較適合嵌入到智能服裝系統(tǒng)。驅(qū)蚊傳感器模塊的關(guān)鍵技術(shù)是利用蚊蟲對特殊光源特別厭惡，以及對一定頻率的超聲波比較敏感，以達(dá)到驅(qū)趕蚊蟲的效果。設(shè)計(jì)的驅(qū)蚊傳感器模塊的發(fā)光源采用3 mm紫外線LED發(fā)光二極管;超聲波傳感器采用SSE1625T塑殼超聲波傳感器(16 mm/25 kHz)。
氣壓傳感器模塊主要是輔助智能服裝系統(tǒng)監(jiān)測的人體健康狀況數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、有效。環(huán)境氣壓不同，會對傳感器數(shù)據(jù)造成一定的影響。因此，為了使監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映人體的實(shí)時(shí)健康狀況，特別在智能服裝系統(tǒng)中嵌入了氣壓傳感器模塊。本文設(shè)計(jì)的氣壓傳感器模塊采用的氣壓傳感器為MS5611－01 B A03傳感器芯片。
環(huán)境氣體檢測傳感器模塊主要是為了實(shí)時(shí)了解監(jiān)測人員所處的環(huán)境狀況。近年來，環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻，造成生活環(huán)境嚴(yán)重影響人們的健康和生命。病人、兒童、老人等弱勢群體對生活環(huán)境更加敏感，在某種場合或情況下需要時(shí)刻關(guān)注空氣質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的智能服裝系統(tǒng)集成了環(huán)境氣體檢測傳感器模塊，通過環(huán)境氣體傳感器實(shí)時(shí)感知監(jiān)測人員所處環(huán)境的空氣質(zhì)量，并綜合監(jiān)測的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，有效評估監(jiān)測人員的健康狀況。智能服裝系統(tǒng)采用功耗低、體積小的C C S8 1 1數(shù)字型空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器，通過單片機(jī)控制氣體傳感器進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)的采集。
2.2控制電路模塊
STC89 C52處理器是一種低功耗、高性能的微控制器，具有8 K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89 C52微處理器被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)中，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供更靈活、有效的解決方案。
智能服裝系統(tǒng)可在STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述各類傳感器模塊，利用藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集與傳輸。
2.3通信電路原理
Proteus是英國著名的E DA工具(仿真軟件)，包括原理圖布圖、代碼調(diào)試及單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真等，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。利用該工具可實(shí)現(xiàn)智能服裝系統(tǒng)通信電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真。
三、智能服裝系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
智能服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備必須依賴程序才能實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。
3.1監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)
智能服裝系統(tǒng)的監(jiān)控平臺可以方便用戶查看監(jiān)測信息。系統(tǒng)監(jiān)控平臺可以在上位機(jī)、遠(yuǎn)程WE B終端、移動(dòng)終端等進(jìn)行訪問，其功能主要包括各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、人體健康綜合評價(jià)等信息的顯示、查詢等功能。其中，人體健康綜合評價(jià)值是通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理之后的融合值;人體溫度值可以同時(shí)查看監(jiān)測者的左腋窩、右腋窩、前胸和后背4個(gè)部位的局部溫度。所有數(shù)據(jù)不但可以直觀顯示數(shù)字形式，而且可以顯示出實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)變化曲線。
3.2數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)處理方面，智能服裝系統(tǒng)主要采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，將多傳感器數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。通常，在人體健康狀態(tài)數(shù)據(jù)采集過程中可能存在外界環(huán)境、系統(tǒng)異常等因素影響，使監(jiān)測數(shù)據(jù)存在丟包、冗余、不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤等現(xiàn)象。因此，對智能服裝系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過融合處理為更準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)，以達(dá)到綜合評估人體健康的目的。
結(jié)論
本文通過分析智能服裝的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的智能服裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)感知監(jiān)測人員(如病人、兒童、老人等特殊群體)的健康狀態(tài)信息，通過藍(lán)牙技術(shù)將人體溫度、環(huán)境溫度、大氣氣壓和空氣質(zhì)量等多傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行一級融合和二級融合，再將融合后更加準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)以互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，用戶即可通過WEB系統(tǒng)或APP進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽、查看監(jiān)測人員的健康狀況，并根據(jù)系統(tǒng)提醒和預(yù)警功能及時(shí)關(guān)注監(jiān)測人員的健康變化，以盡早做出相應(yīng)補(bǔ)救措施。同時(shí)，該系統(tǒng)還利用蚊蟲對特殊光源特別厭惡和對一定頻率的超聲波比較敏感的原理，在智能服裝系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了帶有發(fā)光二極管和超聲波傳感器的驅(qū)蚊傳感器模塊，具有較好的驅(qū)趕蚊蟲效果。
本文設(shè)計(jì)的智能服裝系統(tǒng)功能實(shí)用，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)和推廣，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來智能服裝在材料、技術(shù)、舒適度、款式等方面會不斷提升，將兼具醫(yī)療診斷、健康監(jiān)測、安全防護(hù)等多功能于一體。在研究智能服裝系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、開發(fā)的同時(shí)，人們將會更加關(guān)注智能服裝的實(shí)用性和健康性，特別是從社會和市場的實(shí)際需求出發(fā)，融合新技術(shù)、新材料和多學(xué)科交叉進(jìn)行深入研究，推進(jìn)智能服裝及可穿戴設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、大眾化和商業(yè)化發(fā)展。
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