基于柔性电子技术的可穿戴产品系统设计与实现

李艳

(西安职业技术学院 工学院, 西安 710077)

0 引言

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，主流的产品形态包括以手腕为支撑的watch类(包括手表和腕带等产品)，以脚为支撑的shoes类(包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品)，以头部为支撑的Glass类(包括眼镜、头盔、头带等)，以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态。

在北京召开的2013年数字世界亚洲博览会上，最引人瞩目的产品就是可穿戴设备。可穿戴设备有可能成为继电视平台，电脑平台，移动平台之后的“第四平台”。随着互联网技术和移动通讯技术的发展，电子技术呈现出小型化的趋势，穿戴式智能设备已经成为我们生活中必不可少的一部分。如谷歌眼镜、三星智能手表、苹果推出的iwatch智能手表等，我们正在慢慢进入智能穿戴设备的时代。但是，由于人类身体构造的原因，可穿戴设备如何更好的贴合人类的肢体需要进行探索和改进，就算可穿戴设备的材质再柔软再舒服，也无法带来最好的使用体验。

柔性电子材料是近几年来比较热的一种研究方向，随着研究的深入，很多柔性材料产品的出现为可穿戴电子设备等带来了全新的体验。在可穿戴设备中引入柔性电子技术，大量运用新材料，不怕弯折，改善人体活动关节处的连接，提高产品的性能和耐用程度，降低成本，期望对能对可穿戴产品的设计做出一些突破。

1 柔性电子技术

柔性电子制造的关键包括制造工艺、基板和材料等，其核心是微纳米图案化制造，涉及机械、材料、物理、化学、电子等多学科交叉研究。柔性电子技术虽然可应用于不同领域，但是其基本结构相似，至少包含以下4个部分：电子元器件、柔性基板、交联导电体和黏合层。电子元器件是柔性电子产品的基本组成部分，包括电子技术中常用的薄膜晶体管、传感器(sensor)等。柔性基板具有绝缘性，较高的强度，廉价性、柔韧性、薄膜性(柔性电子系统的基板通常在1 mm左右)。交联导电体在柔性电子系统中起到了电线的作用。黏合层具有耐热性、结合力、弯曲能力。柔性电子技术在柔性电子显示器、薄膜太阳能电池板、柔性传感器3个方面有着广泛的应用。全世界正在对几种不同的柔性显示技术进行探索，主要包括有机电致发光器件显示(OLED)、有机场效应晶体管(OTFT)和石墨烯。目前，英、美、韩、中、日等在石墨烯柔性电子方面的研究及产业化主要集中在触摸屏领域，韩国开发出基于石墨烯的柔性有机电致发光器件。日本索尼于2012年9月制作出了长约120 m宽230 mm的石墨烯薄膜。2013年，美国西北大学研究人员使用含有微小石墨烯薄片油墨，打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极。当前随着研究的深入，柔性电子技术也在不断成熟。

2 基于柔性电子技术的可穿戴系统设计方略

可穿戴系统(wearable system)就是通过无线或有线连接的方式将多件可穿戴设备整合在一个系统中，作为一个整体实现与用户、外部环境之间的交流互动，当前这一概念还未广泛应用基于柔性电子技术的产品必定区别于传统的智能穿戴产品，能够和用户开展新的交互方式，因此，设计过程中还需从人体结构、产品携带方式等层面进行考虑。

当前由于柔性电子技术还处于初步发展阶段，因此对可穿戴产品系统进行统筹规划时，并不需要涉及到柔性电子元件的具体技术细节，而是将其作为一个独立的技术黑箱模块来与其他产品元件模块进行互动组合。基于大多数智能穿戴产品的组成模块，将其刚性模块替换成柔性模块，则可以实现整个产品的柔性化设计，因此可以说，柔性电子技术是可以整合进大多数智能穿戴式产品的设计开发过程中的。柔性可穿戴系统设计中的设计方略，如图1所示。

图1 柔性可穿戴系统设计中的设计方略

3 柔性可穿戴产品系统的具体实现——柔性可穿戴背心

当前可穿戴设备分成头戴式、身着式、手戴式、脚穿式、携带类及其他等，具有不同的功能如在用户的视野中显示直观的图像，作用于身体的触觉反馈或压力、采集人体的体温升降、心率数据、脉搏数据等，运动健身过程中中监测身体数据等，本研究中设计的柔性可穿戴产品采用身着式，基于柔性石墨烯织物心电电极采集人体的心电数据。

3.1 整体结构图

心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。当把上述无线可穿戴心电检测装置的柔性皮肤电极贴在人体表面的一定部位时，两个或多个柔性石墨烯织物心电电极能够输出因心脏活动产生的完整性好、失真小、基线稳定、振幅适中的电势差。

基于的无线可穿戴心电心包括柔性石墨烯织物心电电极、心电模拟前端、MSP430系统、手机。在信号采集电路中，柔性石墨烯织物心电电极输出的心电信号经心电模拟前端滤波电路将背景噪声信号滤掉，然后经放大电路将信号放大送到MSP430模数转换电路，使用蓝牙将数据传输到手机，可以在手机中查看心电信号进行分析。其中穿戴式心电采集、无线数据传输是最主要的环节。如图2所示。

图2 心电监护系统整体结构图

3.2 心电模拟前端设计

心电模拟前端的主要作用就是对心电信号进行提取、放大及滤波。柔性石墨烯织物心电电极是心电信号采集终端的接触电极，它属于干电极，电极的阻抗相对来说较高，其在应用过程中如果接触不固定会成接触阻抗的改变，降低了心电信号提取的效果。高阻抗的干电极受噪声影响较大，为了解决这个情况通过在电极后面接一个缓冲放大器，将信号转换成低阻抗信号，低阻抗信号不易受到噪音的干扰。

本文使用柔性石墨烯织物心电电极连接一个小的运算放大电路，构成一个插入式的织物电极，结构比较简单，插入式电极上的运算放大电路图如图3所示。

图3 插入式的织物电极运算放大电路

选择OPA333芯片作为运算放大器，电压工作范围为1.8-5.5 V，特别适合作为电极上的运算放大器使用。

3.3 MSP430 系统硬件设计

MSP430系统的主要作用就是实现心电模拟信号的AD 采样，并能存储这些数据，通过蓝牙传输协议将采集到的心电信号传输到手机上，单片机系统设计框图，如图4所示。

图4 MSP430系统框图

MSP430系统中的芯片选择MSP430F149，根据心电信号的频谱特点设计获取的心电频谱范围，采样频率设置为150 Hz，存储模块选择华邦的W25Q256 flash芯片，如果按照150Hz采样频率计算，每次采样则可以存储2个字节，通过SPI接口实现MSP430与W25Q256 Flash芯片的连接，通过SPI通信方式实现Flash的读写操作。系统采用蓝牙通信模块实现和手机的信息传输，采用蓝牙2.0协议，同时调用手机安卓开发平台蓝牙API实现各种蓝牙设备的操作。电源管理模块采用电池充放电管理器MC34673，可以为单级锂电池进行充电，提供1.2 A充电电流，兼容DC与USB充电，最大的输入电压为28 V，功能较为丰富，可以实现过压保护、涓流充电、恒流充电等，电池管理效果较好，满足不同环境下的需求。

3.4 柔性石墨烯织物心电电极

目前临床应用的动态心电监护仪大部分使用粘性电极。粘性电极由Ag/AgCI制成，该电极的应用效果不太好，可能会引起皮肤的刺激症状，如果长期使用脱水干化或汗水稀释等现象可能会影响心电信号的测量质量。因此，本研究中采用石墨烯织物电极。

(1) 石墨烯织物电极的制备方式

石墨烯织物电极在制备过程中以浓度为5 mg/mL的氧化石墨烯水溶液作为原料，在抽滤瓶上安装布氏漏斗，然后将圆形的普通棉料织物(厚度为0.5 mm，直径为70 mm)覆盖于布氏漏斗底部，然后打开真空抽滤泵进行抽滤，保持布氏漏斗中的负压为2.0×10-3，之后将浓度为5mg/mL的氧化石墨烯水溶液慢慢在织物上倾倒直至抽滤完成。织物的形状可以根据实际需求进行设计，如多边形、椭圆形、圆形或者其他的美观图形等。柔性织物媳妇氧化石墨烯之后置于真空烘箱之内，将烘箱的温度设置成50°，时间为3h，得到氧化石墨烯/柔性织物导电复合物。将氧化石墨烯/柔性织物导电复合物置于NaBH4的水溶液中(浓度为0.17 mol/L)，在常温下慢慢搅拌10 h，然后取出，真空烘箱50℃，3 h，得到石墨烯/柔性织物导电复合物[1-3]。将石墨烯/柔性织物导电复合物与卡扣相粘贴，即可得到石墨烯/柔性织物心电电极，如图5所示。

图5 石墨烯织物电极

(2) 电极放置位置

石墨烯织物电极的放置位置选择V5导联，这是因为V5导联的信号比较强，波形特征十分清晰，R波突出易识别，V5导联电位点见图，其中黑色电极位置在胸廓的右侧下缘，大约为第九根肋骨和第十根肋骨之间的交点，红色电极位置为左侧腋前线与第6肋的交点，黄色电极位置为胸骨柄右缘。

3.5 柔性可穿戴心电背心设计

本研究中设计的柔性可穿戴心电采集产品采用背心式，外形得体，穿戴方便。穿戴衣的材质选择不易变形、弹性大、紧身的材质，含有5%氨纶、29%聚酰胺、66%聚酯成分[4]，制作的柔性可穿戴背心及心电采集设备，如图6所示。

3.6 柔性可穿戴背心应用测试

为了测试可穿戴背心的采集效果，选取1名测试者，穿上穿戴衣之后，测试者做静止和走路两种动作，采样频率150 Hz持续时间为20 s，动作之间间隔20 s，手机上获得的心电波形，如图7所示。

图6 柔性可穿戴背心

(a) 静止状态下的心电波形

(b) 走路状态下的心电波形

穿着舒适，可以获得较好的波形。手机使用华为U9508D智能手机，大约可以保存200组常规心电数据。

4 总结

当前随着柔性技术的发展，将其应用在可穿戴设备中的研究越来越多，但是这些研究处于初步阶段，其应用效果可能不太理想，还需要进行后续的进一步研究。本文中以柔性石墨烯织物心电电极作为可穿戴背心的电极，人体穿上之后可以实现心电信号的采集。在可穿戴产品中引入柔性电子技术已经成为一个大的发展趋势，不久的将来，各种柔性智能设备将会大量出现。