1.社会背景

在人工智能时代的推动下，形色各异的智能电器增多，人们的生活有所提高，智能化设备增多。而衣服作为人们生活中的必需品，衣服的发展也到了一定的瓶颈期。各类牌子如supreme、Nike、Adidas、李宁等大牌最大的卖点是其悠久的历史。传统的衣服越来越无法满足人们的需要，所以对控温服的各项性能提出了更高的要求。而智能化的衣服如今是突破这瓶颈期的一个关键，将智能控温技术融合到衣服中，人们便无需因天气的变化而为增减衣物发愁，NB-IoT远程定位为人身安全提供了一层保障。衣物帽子内将搭载语音通讯模块，路上将不再枯燥，再也无需担心蓝牙耳机的丢失。

 2.研究目的意义

①实用性、社会性

此服装的研发使人们的生活更加智能化，不仅解决了因天气变化导致无法及时增减衣物从而导致感冒的频发，还为老人和小孩的安全提供了一层保障，另外心率的检测及时反馈给手机APP，监护人可实时观测数据，老人小孩外出无需担心，通过NB-IoT定位即可轻松找到。另一方面，在边境防驻扎的军人会因为天气变化导致感冒，此服装的研发为军人的健康提供了一层保障。

②可持续性发展

此服装的系统设计不仅是推动智能化发展的工具之一，更是数年后对接元宇宙不可或缺的垫脚石，无论是从控温技术上来讲还是从衣服的舒适度来讲，为元宇宙的发展奠定了一定的基础。就2021年来看，元宇宙仿佛成了一个人皆关注的话题，而进入元宇宙需要一个切入点，非同质通证 NFT( Non-fungible Token)便是其中切入点之一，这样设计元宇宙中的物品的作者便可拥有其产权。而作为衣物，从现在来看是人们外出必备，到作为数年后的传感器、虚拟现实技术的媒介，衣物作为一个载体，或者说是人类从现实生活转化到虚拟世界中的媒介，此产品早晚都会上市。

1.智能温度控制

 通过PID算法进行智能控温技术为用户提供舒适的户外体验，用户既可通过APP主动调节到最舒适的温度，也可通过DS18B20温度传感器自动分析户外温度调节至人体最适温度，从而减小感冒的几率。

2.NB-IOT通信

 用户及其家人可通过手机等设备向衣服发起通信，向衣服索要位置信息和其他传感器数据，衣服将收集的地理位置信息和其他数据通过NB-IoT通信发送给用户，用户设备接收到数据，经过处理和计算后将位置信息和其他数据反馈给用户，令用户了解到用户的位置信息和传感器数据。此功能为用户安全上提供了一层保障。

3.语音通讯模块

帽子内搭载了语音识别模块LD3320模块和语音播放模块DY-SV5W模块实现语音通讯功能，两种模块通过与STM32通信，STM32再通过 BC260全网通信模块与手机进行通讯，实现了衣服内置的语音播报功能。

4.智能快速充电

衣服的充电方式采用本项目采用PD协议，可实现100W快充，衣服内部将设计Type-c接口，可以在短期内将电充满。

5.合适的衣服材料

设计合适的衣服款式，利用迁移率高、导热好的石墨烯加热材料，大大提高了衣服的保温性和安全性。

一、国内研究现状及发展动态

1.中国知网研究现状

①2018年渤海大学李九慧发表了基于太阳能利用的一种智能控温发热服的研究；

②2020年安徽新华学院电子通信工程学院徐美霞发表了基于物联网的智能温控衣研制；

③2021年沈阳航空航天大学自动化学院李龑发表了一种多功能智能控温服设计；

2.冬奥会智能加热服装

因冬奥会温度难以把控，为了不影响冬奥健儿正常发挥，天津工业大学团队利用科技赋能，开发了这一套可以实现精准控制温度的系统。专家表示，目前市面上的冰雪运动头套、手套越来越轻薄，而加入这套包含了加热片和控温模块的智能控温系统，理论上将显著增加装备本身的负重。为此，团队先后五次更改、调整设计方案，在保证发热效果的前提下，研发分量更轻的电子元件、面料、保暖棉，减轻整体重量，提升穿戴体验。但该衣服只专门为奥运健儿提供，使用范围小，功能不全，仍有提升空间。

3.市面上智能加热背心

大部分为加热背心，只能提供三档温控，实际发热仅有六小时，大部分使用者反馈电量不够用且充电较慢，需要随身携带两万毫安充电宝，效果不好，部分客户使用后因衣服辐射导致高血压,对人身安全威胁较大。

                图4.1.1  市面上的加热背心

二、国外研究现状及发展动态

2015年，Google旗下的ATAP(高新技术项目)战略投资部门和服装界大佬Levi’s宣布合作推出Project Jacquard(智能织布机计划)，这个项目将改革现有的织布机，让它们的纺织出来的成品布料能够成为人与计算机系统互动的界面。第一件也是唯一一件是专门为骑行者打造的智能夹克，其主要功能是通过触碰衣袖播放音乐和调节音量，定价高达350美元。由于价格昂贵加上使用人群限制较高，该产品并没有很好的发展起来。

图4.2.1  智能夹克主要功能                         图4.2.2 智能夹克软件

1.多传感器融合增强了实用性

本项目主要以控温、定位为主，融合了其它传感器，这个是广大用户能够直接感受到的使用价值。控制功能最少依赖本地实现即可，对是否能够使用APP操作无要求，因此单机版智能服装也包含在此。该实用性，应指对于最普通的用户而言，绝非某些特定人群才能用到。从1940美国出现了第一件加热衣开始到2009年，温控型加热衣开始出现，控制方式从最初的开环控制迈向精准、安全和可靠的闭环控制。时到如今的智能服装，依然大部分处于这个阶段。而本产品的研发是对目前状态的一个突破，NB-IOT定位系统和心率检测给了老人、小孩的安全上了一个保障，智能温度调控给在寒冬或者酷热天气中仍辛苦训练的军人们也提供了一层保护。

2.自身具有网络拓展能力

本项目的网络拓展不仅仅是指设备连接到手机等终端，而是连接其他功能组件的能力。单纯的智能服装连接到Internet成为一个联网设备或说大数据节点，严格来说并不能说是完整的物联网设备。本项目基于NB-IOT，网状网（Mesh Network)是其本质和最佳拓扑结构，因为在该种网络下，每个设备节点可以与其他任一设备节点通讯，实现一定程度的数据交换或控制功能，这就给任一节点带来了功能的拓展潜力，而在一定程度上减少用户端的复杂操作。

 3.元宇宙的基础设备

  元宇宙的六大支撑技术，物联网是基础设备，自然也包含智能服装。智能服装可以通过自身的网络连接能力连接到VR或AR设备上，然后在元宇宙中发挥特定的作用。在元宇宙中能够真切的看到或听到——这是VR设备的基础功能，但是如何感受冷热变化是一个问题，即使未来脑机交互设备非常先进，恐怕也很少有人能够接受它直接接管用户的神经信号输入系统来取代身体的感受器官而直接给用户输入冷热信息到大脑。这样的话“缸中之脑”的时代就要提前到来了，至少在未来20年内，没人喜欢和希望这样的情景出现。于是冷热等一些基础感觉肯定要借助于现实世界中的智能设备实现，而智能服装毫无疑问满足这样的要求。任何身体所需要的冷热功能，都可以通过加热或降温实现。

一、技术路线

1.硬件系统设计

① NB-IOT通信模块

NB-IOT通信模块是与手机APP、中控核心之间交换传输数据信息的重要通道，NB-IOT通信模块一般以串口的形式与单片机相连，本文选用的是 BC260全网通信模块，采用的底盘搭载了IPEX射频天线座，5V转3.3V LDO稳压电源，MicroSIM卡座，ESD防护电路，开机电路等，即插即用。通信匹配成功后，可以作为全双工串口使用，支持数据位位数8位、停止位位数一位的通信格式。手机通过APP，向STM32单片机发送消息，STM32接收到消息之后做出相应的动作，可以实现智能控温，远程实时定位等功能 。

                   图6.1.1  BC260-OpenCPU

② 智能控温系统

本研究采用DS18B20单线数字温度传感器对衣服外部的温度进行感知与数据传送，主板再进行一套PID算法将温度调节至人体最适温度。DS18B20即“一线器件”，其具有独特的优点：采用单总线的接口方式 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量。测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ; 在 -10~+ 85°C范围内，精度为 ± 0.5°C 。在使用中不需要任何外围元件。持多点组网功能多个DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。根据人最舒适温度自动调节衣服温度，经过DS18B20传感器检测体外温度，再经一套PID精确调节到指定温度。

                  图6.1.2  DS18B20温度传感器

③ 语音通讯模块

衣服的帽子搭载了语音通讯模块，本项目采用了语音识别模块LD3320模块用来识别使用者语音和语音播放模块DY-SV5W模块用来播放音频。STM32通过串口与LD3320通信，LD3320语音模块分别有普通模式、按键模式、口令模式三种工作模式，本项目采用口令模式以避免嘈杂环境下误动作。DY-SV5W是一款智能语音模块，集成IO分段触发，UART串口控制，ONE_line 单总线串口控制，标准MP3等7种工作模式；板载5W D类功放，可直接驱动4Ω，3-5W喇叭；支持MP3,WAV解码格式，最大支持32G TF卡存储，可通过USB数据线连接电脑更新TF 卡存储音频文件。                    

             图6.1.3.1  LD3320语音语音模块                              图6.1.3.2  DY-SV5W语音播放模块

     ④ 心率检测模块

     本项目采用PulseSensor心率传感器模块，PulseSensor是使用光电容积法，光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂.上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长( 500m^ 700nm)的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

                             图6.1.4 PulseSensor心率传感器

⑤ USBPD快速充电

本项目采用100W快充，衣服内部将设计Type-c接口，采用PD协议，USBPD的通信是将协议层的消息调制成24MHZ的FSK信号并耦合到VBUS上或者从VBUS上获得FSK信号来实现手机和充电器通信的过程。如图所示，在USB PD通信中，是将24MHz的FSK通过cAC-Coupling耦合电容耦合到VBUS上的直流电平上的，而为了使24MHz的FSK不对PowerSupply或者USBHost的VBUS直流电压产生影响，在回路中同时添加了zIsolation电感组成的低通滤波器过滤掉FSK信号。根据公式：功率P =电流I*电压U，实现快充提高衣服的充电功率，就需要提升充电的电流或者是充电的电压，亦或者是两者同时提升；目前快充有高压快充和高电流快充两种方案，我们采用的是高电压快充方案，因为高电流需要对充电线和充电电路作出加强，在线材的选择范围上不及高电压方案。                        

                                                图6.1.5 USBPD协议工作原理

⑥ 石墨烯材料

这个材料从物理状况上来看，它就像一块普通的布料一样，我们把石墨烯做成一种水性分散液，并且把水性分散液用特殊的方式沉积成类似于纤维的布状的一种结构，所以这种材料非常柔软、透气、水洗，还很安全，用剪刀剪它都没有问题，并且在使用过程中即使泡水，也都可以正常工作。石墨烯具有极高的载流子迁移率和热导率，迁移率是传统硅基材料的几十甚至几百倍。载流子迁移率对于微电子器件来说是非常重要的参数，如果迁移率过低，将会导致产热严重、响应频率低下等后果。因此，迁移率高、导热好的石墨烯被认为是一种理想的电子器件材料。石墨烯具有极好的热稳定性和化学稳定性。石墨烯熔点高达3850摄氏度，而且耐强酸、强碱等恶劣环境，具有很好的稳定性。

                                图6.1.6  Graphene结构图

2.算法框架及软件的设计

① 系统整体框架设计

本项目拥有一套完整的、精细的系统框架，包含NB-IOT远程通讯模块、智能温度调控模块、语音通讯模块以及心率检测和智能快速充电模块。几种模块各司其职，相互配合，组成了一套智能多传感系统。

                                    图6.2.1系统整体框架图

② 软件登录流程 

本项目配有专门的APP，便于用户控制传感器及接收来自于传感器的数据，增强了用户的体验感。

                    图6.2.2 软件登入流程图

3.外观设计

本产品采用石墨烯材料，帽子内部设计了语音通讯模块，心脏周围设计了心率传感器，衣服内部装在温度控制按钮，具体设计如下图。

                                图6.3.1智能衣服外观设计图

二、拟解决的问题

1.多传感衣服的续航时间

多传感器同时工作需要消耗大量电量，导致电量下降迅速，使用时间缩短，从而导致部分传感器不能正常工作。

2.数据碰撞问题

当多个传感器同时传输数据或用户设备同时控制多个传感器可能发生数据碰撞问题，导致通信失败。

3.保证无线通信的稳定性

智能衣服的基础工作依靠NB-IOT为基础，无线连接的稳定性对于智能衣服工作的稳定性尤其重要，当设备电量过低或者周围无线设备较多时，无线连接将会受到干扰，怎样才能保证无线连接的稳定。

4.无手机用户对智能衣服的需求

部分小孩和老人没有或不会使用手机，面对学生群体可能无法随身携带手机等，怎样做到令智能衣服可以面向所有用户群体。

三、预期成果

1.移动端完成对软件的编写，能够正常通信，对接收的数据计算并输出，利用手机，可使用软件精确的查询衣服的地理位置；

2.完成对各种传感器的调试并成功与设备通信；

3.完成对智能多传感衣服的开发，并作出一个成品；

4.将做好的成品交给体验者，进入试验阶段；

5.提交一份结题报告；

6.申请实用新型专利一项。

项目总时间约12个月。

2022年4月：方案设计，任务布置，资料收集阶段；

2020年5月-2022年6月：设计衣服内部框架，完成材料采购，确定最终思路；

2022年7月：开始设计软件框架，绘制硬件的PCB图的；

2022年8月：完成软件框架的设计，开始软件的制作；

2022年9月：完成主控面板原理图的设计，开始主控面板的制作；

2022年10月：完成主控面板的制作，开始嵌入式系统的开发；

2022年11月—2023年4月：完成衣服内部硬件的组装，完成软件的制作，进行最终的调试和改进；

2023年5月：完成并提交项目的结题报告、进行项目的答辩并完成专利的申请；