一种可控温湿度的新型智能防护服

周文炯，黄勤陆，赵聃敏

（成都纺织高等专科学校 电气信息工程学院，四川 成都 611731）

智能防护服是可穿戴设备的重要组成部分之一。传统智能服装多采用刚性传感器来采集人体和周围环境的信号，使得着装者的舒适度和灵活度都大打折扣，而随着以纤维、薄膜、纱线等作为底材的柔性传感器技术的发展，上述问题有望得到根本性解决。此外，人体表面的不平整性使得具有良好柔韧性、伸展性的柔性传感器可以通过弯曲甚至折叠的方式尽可能地贴合皮肤，从而更加精准地获取环境参数和人体生理指标。课题利用柔性传感器设计了可在高温环境下工作的智能防护服。

1 研究背景

防护服广泛应用于医疗和各种工业场景，为起到隔绝效果，所使用的面料透气性一般较差，长时间穿戴容易积热积湿，影响穿戴者的体验和自身健康。为此具备降温去湿功能的智能防护服一直是研制的热点。智能防护服需要具备实时监测人体和周边环境参数的功能，但是传统的电子传感器件具有刚性的基本特征，很难满足防护服高机械柔顺性和可拉伸性[1]的要求。一种解决思路是将普通刚性传感器柔性化，通常这类柔性传感器由传统的刚性电子传感器或用活性材料制成的传感器与柔性轻质的基板组合而成[2]。其中基板材质常见的有聚酯树脂（PET）、聚酰亚胺（PI）、水凝胶、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚醚砜（PES）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等[3]，并通过将基材设计成条状、薄膜或块状等形态，来适应防护服不同部位对传感器的柔性和拉伸的需求。而常见的活性材料则包括石墨烯、碳纳米管（CNT）、导电聚合物、碳/氮化物二维纳米材料、金属和半导体纳米线等[4]。

随着技术的发展，柔性传感器已越来越多地被应用于智能穿戴的各个领域。一些文献[5-7]分别研究了柔性的纱线状传感器、纤维状传感器和织物传感器在智能服装中的应用。不过现有研究多集中于柔性传感器本身的设计和制作，对于采用柔性传感器的服装设计和研制还相对较少。本文将利用柔性传感器AHT3001和STM32 单片机设计一种新型智能防护服并通过实验验证其基本性能。

2 智能防护服设计

智能防护服由织物结构和电子系统2 个部分组成。

2.1 织物结构设计

目前，智能防护服常用的热交换措施有主动热交换和被动热交换2 种。主动热交换又分为气冷式、液冷式和热电式（半导体式）等，被动热交换主要为相变式。主动热交换需要消耗电能，因而防护服的有效工作时长主要取决于携带的电池电量，而相变式则是在环境温度或人体温度达到相变材料熔点时，利用低熔点的相变材料从固态转化为液态的过程中吸热的特性实现对温度的控制。为增加防护服的有效工作时间，考虑到半导体制冷同时具备冷凝除湿的能力，本文采取了半导体式和相变式制冷相结合的方式。

防护服在胸部和背部缝制有相变材料口袋，使用时需将事先预置于低温环境的固态相变材料装入相变材料口袋。相变材料热交换环境分层如图1 所示。相变材料口袋外侧采用隔热材料，减少外部环境的影响。本文采用的相变材料为正十九烷用纳米银包裹制成[8]。

图1 相变材料热交换环境分层

防护服背面也装有半导体制冷器和排气风扇，其中半导体制冷器型号为TEC1-12706，其最大制冷功率大于55W，工作电压为12V。防护服腰部装有排气风扇，可以将衣服内的热量和水蒸气带出，实现辅助散热以及除湿的功能。整个防护服的外观如图2 所示，面料采用符合《户外运动服装 冲锋衣》(GB/T 32614—2016) 要求的I 类面料，洗前洗后透湿率分别大于5000g/(m2·24h)和4000g/(m2·24h)，增强了面料的透气性。防护服后背配置了太阳能光伏薄膜，通过光伏片将太阳能转化为电能，存储在锂电池中。锂电池选用市面上常见的额定容量为12000mAh 的充电宝，可同时分别向单片机和半导体制冷器提供5V 和12V 的工作电压。在不装相变材料时，整件成衣重量约为2.0kg，而为防护服配制的相变材料重量约为0.5kg。

图2 智能防护服外观

2.2 电子系统设计

智能防护服的电子系统主要包括3 个部分：由微处理器组成的控制单元；由半导体制冷器、排气风扇及散热风扇组成的制冷单元；由除湿单元和柔性温湿度传感器组成的微环境监控单元。

本文微环境监控单元选择AHT3001 作为温湿度传感器模块。AHT3001 采用了FPC 柔性电路板，配有一个全新设计的ASIC 专用芯片、一个经过改进的MEMS 半导体电容式湿度传感元件和一个标准的片上温度传感元件组成。AHT3001 的FPC 柔性电路板厚度约为0.08mm，因而本文选择将其置于防护服的织物夹层之中。AHT3001 测量范围分别为湿度0%RH～100%RH，温度-40℃～80℃,测量精度分别为湿度±3%RH，温度±0.5℃，测量分辨率分别为湿度0.024%RH，温度0.01℃，可以满足一般防护服的使用要求。AHT3001 与微处理器的GPIO 口连接，实时将温湿度信息传递给微处理器进行处理。

微处理器采用STM32 单片机，用于监控传感器信号，以及控制制冷和除湿系统的工作状态。鉴于人体感觉舒适的温度为26℃～28℃，相对湿度为45%RH～65%RH，防护服选择28℃和60%RH 作为调节目标。工作中，STM32 每10s 接收一次传感器数据，当温度高于28℃或湿度大于60%RH 则打开半导体制冷器降温或除湿，直到检测到温度低于28℃再关闭制冷器。此外系统还设置有高温报警系统，当服装内壁温度大于37℃时，将启动蜂鸣器进行警示。

3 实验结果

测试模拟典型夏日场景，在环境温度为35℃，湿度为80%的室内进行。测试时，将智能防护服穿于木制假人身上，用于测试衣服内壁温度和湿度。实验中一共进行了2 组不同的测试。第1 组为在防护服胸口和背部的相变材料口袋中分别装入一块纳米银包裹的正十九烷相变材料的情况，其中每块相变材料的重量为198g。第2 组为不装入相变材料的情况。

如图3 所示为防护服内部温度随时间变化的情况。从图中可以看出由于有相变材料辅助降温，第1组大约5min 后从35℃降至设定的28℃，而第2 组大约需要7min 实现上述降温过程。此外当温度降至28℃后，2 组实验的温度都相对保持稳定。

图3 防护服内壁温度

如图4 所示为防护服内壁湿度随时间变化的情况。实验结果显示，2 组测试湿度从80%降低到60%所花时间均在7min 左右。所不同的是无相变材料时，开始除湿后相对湿度下降较快，后期则下降较慢；而有相变材料的湿度变化趋势则刚好相反。这主要是因为相对湿度同时取决于水蒸气含量和温度，两者温度变化的快慢导致了这一结果。

图4 防护服内壁相对湿度

在保持相对湿度为80%RH 的前提下，测量了不同温度条件下，防护服的续航能力。测试中关闭了太阳能充电功能，统计了充电宝从满电量到耗尽电量所消耗的时间。如图5 所示，在35℃时，第1 组带相变材料的防护服可持续工作时长为t1=155min；第2 组去掉相变材料后，持续工作时长为t2=93min。

图5 防护服最大工作时间

测试中所用充电宝质量为m1=425g，2 块相变材料总质量为m2=396g。如果把充电宝和相变材料都看作增加的负重，则可以分别计算出第1 组测试中单位负重的续航时间△t1、第2 组测试中单位负重的续航时间△t2，如公式（1）和公式（2）所示。

可以看出，从增加单位负重续航时间的角度来考虑，可以不带相变材料而选取更大容量的充电宝，或换用吸热能力更强的相变材料。此外，在所有的测试中，防护服的工作时长均随着外界环境温度的升高而呈现线性减少的趋势。

4 结语

本文研制了一种基于柔性传感器的新型智能防护服，面料采用洗后透湿率大于4000g/(m2·24h)的符合GB/T 32614-2016 要求的I 类面料，增强了防护服的透气性和舒适性。防护服使用了相变材料和半导体混合制冷的模式，实验结果显示该防护服具有良好的制冷和除湿效果，适合高温工作环境使用。在环境35℃，相对湿度80%的条件下，每携带1g 相变材料或1g 电池可分别提供0.19min 和0.22min 工作时间，具备一定实用性。此外防护服还设置有高温警报功能，可以在监测到衣服内壁出现异常高温时启动蜂鸣器报警。