隨著生活水平的提高，人們對(duì)服裝的舒適性有了更高的要求。服裝舒適性的研究范圍涉及三個(gè)基本領(lǐng)域：物理、生理和主觀心理。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的服裝舒適性研究主要集中在生理舒適性領(lǐng)域。服裝生理舒適性領(lǐng)域的研究主要集中在熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性三大領(lǐng)域。服裝壓力、溫濕度的狀態(tài)是評(píng)價(jià)服裝生理舒適性的重要指標(biāo)。不適當(dāng)?shù)姆b壓力會(huì)影響著裝者的疲勞感和工作效率，且關(guān)系到人體的健康。一般來說，當(dāng)人體皮膚溫濕度處于熱濕舒適性狀態(tài)時(shí)，人們的智力、體力(手工)或感覺方面的表現(xiàn)均處于高水平狀態(tài)，另外熱濕舒適性是人們處于最佳健康狀態(tài)的必要條件。通過對(duì)人體不同狀態(tài)下不同部位的服裝壓力、溫度濕度的測(cè)量，可以得到人體著裝后的不同部位的壓力、溫濕度的分布狀況。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析可以為服裝壓力、熱濕舒適性的客觀評(píng)價(jià)提供量化指標(biāo)，為服裝的款式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。近年來越來越多的研究人員開展了有關(guān)服裝功能測(cè)試的研究，并且取得了較多進(jìn)展，但是相關(guān)的服裝功能測(cè)試儀器的研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于時(shí)代的需要。本文設(shè)計(jì)了基于ARM技術(shù)的便攜式的服裝壓力、溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。
1 服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊的前端是由多個(gè)FlexiForce壓力傳感器、壓力-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和DHT90溫濕度數(shù)字傳感器組成，這些傳感器用來獲取被測(cè)部位的壓力和溫濕度信號(hào)，并通過信號(hào)調(diào)理電路(信號(hào)變換電路、濾波電路等)將所測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的控制模塊是本系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)控制，該模塊利用ARM9處理器芯片S3C2440內(nèi)置10 b模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC能以500 KSPS的采樣速率將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 b分辯率的數(shù)字信號(hào)并利用其GPIO接口實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)字信號(hào)的采集。另外該模塊利用SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫濕度數(shù)據(jù)的離線存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分析模塊主要負(fù)責(zé)讀取SD卡存儲(chǔ)的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，該模塊借助LabVIEW語言開發(fā)出的方便、形象逼真的儀器面板將測(cè)量結(jié)果保存并以直觀的形式顯示出來。
2 服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是關(guān)于系統(tǒng)硬件儀器及其器件的連接設(shè)計(jì)，主要指的是數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器的選用和數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)。服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分實(shí)現(xiàn)服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)的儀器控制和數(shù)據(jù)采集，是服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)的主題部分，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度傳感器的選用、壓力傳感器的選用、壓力-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路。
2．1．1 傳感器的選用
傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，是感知溫濕度和壓力信號(hào)的窗口，所獲得和轉(zhuǎn)換的信息正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能好壞。本系統(tǒng)采用了DHT90數(shù)字溫濕度傳感器和美國(guó)Teksean公司的FlexiForce壓力傳感器。
DHT90數(shù)字溫濕度傳感器可以同時(shí)測(cè)量濕度、溫度和露點(diǎn)，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對(duì)濕度、溫度及露點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，可以有效解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。內(nèi)部集成了濕度敏感元件和溫度敏感元件、放大器、一個(gè)14 b的A／D轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及數(shù)字總線接口以及穩(wěn)壓電路。由于溫度傳感器和濕度傳感器在硅片上是緊靠在一起，可以精確地測(cè)定露點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)閮烧咧g的溫度差而引入誤差；直接通過存放在芯片上OTP存儲(chǔ)器中的標(biāo)定系數(shù)，輸出是經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。DHT90數(shù)字溫濕度傳感器其性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好、成本低、使用方便，因此本系統(tǒng)采用其作為溫濕度韻測(cè)量。
采用FlexiForce壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試。與傳統(tǒng)服裝壓力測(cè)試系統(tǒng)中所采用的傳感器相比，F(xiàn)lexiForce在線性、滯后性、漂移、溫度和靈敏度方面有著優(yōu)良的性能，根據(jù)待測(cè)的服裝壓力值，選用了壓力范圍為0～1 lb(4．4 N)的FlexiForceA201型傳感器是完全具備服裝壓力測(cè)試條件的。由于ARM不能采集非電量的物理信號(hào)，而壓力傳感器輸出的為非電量的壓力信號(hào)，需通過壓力-電壓轉(zhuǎn)換放大電路將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。再由標(biāo)定后的壓力與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所需的服裝壓力值。
2．1．2 壓力-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路及壓力-電壓標(biāo)定
傳感器通過壓力-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路后，輸出電壓值Vout。傳感器輸入信號(hào)與電壓的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系為Vout=-VD*(RF／R)，RF=R1+RF 1，其中：Vout為輸出的電壓；RF為放大電路中的反饋電阻；R為傳感器對(duì)應(yīng)的阻值，其阻值的變化對(duì)應(yīng)了作用在傳感器上壓力的變化，RF／R為放大電路中的放大系數(shù)。FlexiForce壓力傳感器靜態(tài)特性壓力-電壓標(biāo)定曲線如圖2所示。
2．2 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制的硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制模塊是本系統(tǒng)的核心，該模塊性能直接影響整個(gè)服裝測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)控制及存儲(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制模塊的核心部分是三星公司生產(chǎn)的高性能S3C2410微處理器。該處理器是基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，片上主要集成有117個(gè)通用I／O接口，24個(gè)外部中斷源，4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器及1個(gè)內(nèi)時(shí)鐘，8通道10位ADC，3通道的UART，4通道的SDRAM控制器，1個(gè)LCD控制器，具有日歷功能的RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，SD卡接口等。同時(shí)，S3C2410還提供一組完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，主要有MAX232、按鍵、LED、SD存儲(chǔ)卡、SDRAM、SRAM等。
S3C2410微處理器利用內(nèi)置的10 b模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以500 KSPS的采樣速率將壓力信號(hào)值轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 b分辨率的數(shù)字信號(hào)；S3C2410微處理器利用其GPIO接口實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)字信號(hào)的采集。另外該處理器通過按鍵對(duì)采樣通道的選擇和采樣速率進(jìn)行控制；以SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線保存。此芯片主要面向手持設(shè)備，以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用，可滿足數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制模塊控制的需要。
3 服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)
服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)指的是數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)控制硬件模塊的軟件實(shí)現(xiàn)以及對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。
3．1 數(shù)據(jù)采集和控制及數(shù)據(jù)處理硬件模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采集、存儲(chǔ)模塊軟件部分是在ADS 1．2環(huán)境下利用C語言進(jìn)行編程，并針對(duì)相應(yīng)的硬件功能實(shí)現(xiàn)的，流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集和控制及數(shù)據(jù)處理硬件模塊的軟件實(shí)現(xiàn)首先是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化主要指中斷、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、堆棧的初始化及鍵盤、LED、SD存儲(chǔ)卡等硬件的初始化；接著通過鍵盤實(shí)現(xiàn)采樣通道和采樣速率的設(shè)定；然后啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換將采集的模擬壓力-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；最后在采樣結(jié)束時(shí)將采集的壓力、溫濕度信號(hào)導(dǎo)入SD存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的存儲(chǔ)操作。
3．2 數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)分析模塊只涉及軟件實(shí)現(xiàn)，該模塊采用LabVIEW 7．1軟件實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的輸出、圖形的實(shí)時(shí)顯示與Excel測(cè)試報(bào)告的生成與保存功能，程序示意圖如圖5所示。數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實(shí)現(xiàn)首先是打開離線保存在SD存儲(chǔ)卡里的溫濕度壓力信號(hào)的文件；其次進(jìn)入While loop循環(huán)通過對(duì)控制按鈕設(shè)定連續(xù)讀取文件中的信號(hào)，并將其數(shù)據(jù)分流實(shí)現(xiàn)各通道壓力、溫濕度信號(hào)的圖形化顯示；最后保存Excel測(cè)試報(bào)告并關(guān)閉文件。
設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析模塊的面板如圖6所示，該模塊靈活簡(jiǎn)潔，可對(duì)壓力、溫濕度信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，形象地模擬了傳統(tǒng)儀器的外觀。在操作面板時(shí)首先將布爾開關(guān)指向“開始”，打開離線保存在SD存儲(chǔ)卡里的溫濕度壓力信號(hào)的文本文件(如j：＼1．txt)讀取數(shù)據(jù)，即每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次連續(xù)的數(shù)據(jù)讀取，然后用戶通過面板的“讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)”和“讀取位置”控件進(jìn)行設(shè)置所需讀取點(diǎn)數(shù)及通道的選擇，將布爾開關(guān)指向“停止”即可結(jié)束信號(hào)的顯示；最后點(diǎn)擊Excel按鈕將測(cè)試報(bào)告以電子表格的形式進(jìn)行保存。該面板實(shí)現(xiàn)的是8路信號(hào)的數(shù)據(jù)顯示功能，便于在同一時(shí)間監(jiān)測(cè)多部位的壓力、溫濕度信號(hào)的變化情況，同時(shí)Excel測(cè)試報(bào)告實(shí)現(xiàn)了測(cè)試信息長(zhǎng)時(shí)間保存的功能。
4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
圖6顯示的曲線分別是服裝舒適性檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)人體在正常工作狀態(tài)下后背、腋窩溫濕度和肩部、腹部壓力測(cè)試的結(jié)果。由于人體在正常工作狀態(tài)時(shí)其同一部位的壓力及溫濕度值隨時(shí)間變化不大，圖6所示的測(cè)試的結(jié)果符合人體正常著裝狀態(tài)下不同部位的壓力及濕度實(shí)際變化情況。
5 結(jié)語
設(shè)計(jì)一種基于嵌入式ARM處理器的便攜式服裝壓力、溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了人體在正常工作狀態(tài)下的服裝壓力、溫濕度連續(xù)采集與存儲(chǔ)，基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，且系統(tǒng)具有體積小、功耗低、速度快、測(cè)試準(zhǔn)確、工作可靠等特點(diǎn)，該便攜式系統(tǒng)可以為服裝舒適性的客觀評(píng)定提供依據(jù)和基礎(chǔ)，為服裝功能測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)提供了一條新的思路。