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穿戴式裝置出新招 智慧織物實現即時照護
新電子盧致傑 / 趙家慶 / 陳智勇 / 陳柏禎
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隨著科技全面發展與人們生活水準提高,紡織品功能逐漸轉變,從過去保護人們免於灰塵與氣候變化侵襲,演變為可以被動反應環境變化之功能性紡織品,具備如蓄熱保溫、吸濕排汗、防水透濕等功能,且強調健康休閒與個性化。而隨著材料不斷開發與電子儀器微型化,紡織品將結合高科技紡織纖維與電子元件主動感應環境變化,並具有自動調整功能。此研究領域即稱為智慧型紡織品(Smart Textiles),是紡織科技目前研發的重要趨勢。

觸控科技因其直覺式且豐富的手勢操作,讓資料輸入與操控更加方便而多元,廣泛應用於3C產品,為目前觸控市場人機互動介面的主流技術。同時,為因應穿戴式裝置興起,衍生出對小尺寸可撓式軟性觸控面板的需求。

近期雖有薄膜式觸控面板技術,但其仍屬於塑膠薄膜材質,難以完全整合於紡織品中。因此,將觸控技術應用於紡織品已是智慧型紡織品研究領域中的一大趨勢。具有觸控與互動功能的織物完全結合於日常生活的紡織品中時,任何人們可碰觸的紡織品都可以成為數位互動介面,替穿戴式裝置應用增加無限可能性。

本產品將觸控手勢互動技術結合紡織品,並針對醫療領域中,住院病人的護理呼叫需求,設計一套智慧型觸控手勢互動患者服飾。如圖1(上)所示,使用傳統病房呼叫鈴,病人須要從床上起身或翻找呼叫裝置,對於行動不便或無法翻身的患者而言是相當困擾的動作。本產品設計的患者服飾,讓穿著病人僅須躺著以觸控手勢於指定的感應區域內輸入特定手勢,即可朝護理站發出呼叫訊號,讓護理人員在救護站就能夠判定病人需求並給予立即協助,有效傳達病人需求並實現即時救護的安全性,如圖1(下)。

圖1 傳統呼叫鈴與導電織布呼叫方式
圖1 傳統呼叫鈴與導電織布呼叫方式

產品設計採用電容式掃描原理,將具有導電性能的紗線織入布料結構中,形成類似觸控面板XY導線交錯結構的矩陣式導電織物,並將此導電織物整合於服裝中,設計出智慧型觸控手勢互動患者服飾。

本產品以盛群(Holtek)微控制器(MCU)HT32F52532作為控制核心,運用觸控電路偵測服飾中棋盤式編織導電紗線的充電與放電,再感測其所發出的電壓,如此即可以棋盤式編織導線的觸摸狀態計算觸點坐標,並進一步辨識觸控行為。最後,控制器經由無線傳輸功能,將偵測到的手勢數據回傳至救護站網頁,讓護士在救護站根據介面顯示瞭解病人需求。

本產品另一個特色在於特製之導電織物為「可水洗」之設計。一般病人服上如果安裝穿戴式裝置,會造成清洗時的困難。本產品特製之紡織方法,改良市面上須拆洗的穿戴式裝置缺點,如病人弄髒病人服時,若須將裝置拆下清洗,長時間使用容易感到不便。本產品在導電織物結合硬體設計方面能夠減少拆下裝置與清洗帶來的麻煩。

智慧病人服工作原理

本產品結合導電織物與軟硬體設計達成智慧型紡織物觸控裝置功能。病患可利用觸控方式,透過無線網路,以手勢操作向護理站發出呼叫,說明如下。

觸控導電織物

本產品採用0.1Ω/cm的高導電性不鏽鋼纖維作為觸控感測電極,利用梭織織造技術,特殊嵌入節點組織將導電紗織入布料結構中,形成類似觸控面板的XY導線交錯且無導通的矩陣式導電梭織物(圖2)。在織物的觸控感應區域中,考量到一般人手指寬度約為1cm~1.5cm,設計時將XY向導電紗的間距設定為0.8cm,以確保觸摸時手在導電紗感應區內至少可觸摸到一條電極。導電紗織入的根數則是採用經緯向8×8根,使感應區域的範圍形成約為人手掌面積的50cm2,為適合觸控手勢操作的大小。


圖2 導電織物

電容式觸控掃描電路

本產品採用電容式掃描原理。電容式觸控面板為X方向及Y方向電極交錯且無導通而形成的矩陣式結構,掃描時,控制器依序擷取XY向電極的電容訊號,並藉由判斷觸摸前後電容變化的電極坐標,計算組合出觸摸點坐標。

智慧型服飾利用導電紗線作為電容電極,織出類似觸控面板式結構的織物,並以電容式觸控IC為每條電極配置電路連結,以分別擷取電極的電容訊號,再利用盛群控制器,根據所有晶片傳回訊號判斷手指觸摸的XY軸坐標點,如圖3所示。進行電路掃描時,可進一步紀錄導電織布每一個觸點,透過一連串的位置資訊來辨識手勢動作。

 


圖3 電容式觸控電路

手勢檢查觸發傳送

本產品以盛群微控制器實現手勢觸發功能。盛群微控制器接收導電織物手勢動作,轉換為數位資料,以機率密度函數演算方式判定是否為合理手勢觸發,再將手勢資料透過藍牙(Bluetooth)模組傳輸功能傳送至護理站。

機率密度函數判定

由於使用者在手勢輸入時會有一定程度的誤差,不可能與原先設定的手勢完全相同,因此,判定是否為合格手勢的方式須具有部分容錯性,以避免使用者受到手抖等因素影響,使手勢產生些許差異而無法觸發呼叫。本產品應用機率密度函數的概念,當輸入的手勢訊號與預先建立的手勢觸碰訊號相似度機率值高於門檻值時,就代表此為特定呼叫手勢。運用此方式,不僅可以容錯,也具有高辨識能力。

依照機率定義,在一區間內的機率值總合為1,可以下列公式表示:

  •  ·····(1)

本產品所採用的機率分布方式為高斯分布,可表示如下:

  •  ·····(2)

其中c為平均值,σ2為變異數,σ為標準差。

假設觸碰偵測訊號輸入向量x(一組密碼),其包含m個純量(觸碰序列):

  •  ·····(3)

對於擁有k筆合法密碼向量u(觸摸訊號資料庫)內,每筆uk內含m筆純量:

  •  ·····(4)

當使用者輸入一組測試資料x,對於資料庫內每一筆資料的對應機率密度函數可表示如下:

  •  ·····(5)

其中d為訓練向量的維度,σ為平滑參數,Zk為在該類別中向量u k大筆數,m為最大類別數,T為轉置矩陣符號。

以上述公式運算後取最大的p(x),當機率密度函數大於設定之門檻值時,則會判定為特定的手勢。

產品結構

本產品整合軟體、硬體、韌體以及智慧型紡織物的開發技術,說明如下。

盛群微控制器HT35F52352

如圖4所示,本產品設計利用盛群微控制器HT32F52352作為控制核心,並透過讀取通用輸入/輸出(GPIO)進行智慧型觸控紡織物的手勢判定。以自製電容式觸控電路檢測、將不穩定高電壓直接轉換成低電壓,並以機率密度函數比對當前手勢是否合理,後續以通用非同步收發器(UART)通訊,使用藍牙模組傳輸,傳送上述資料並接收當前手勢,將該資料傳送至護理站。

 


圖4 盛群微控制器

自製電容式觸控電路板

本產品自製的觸控電路板採用的電容感測IC為TTP223H-Touch單按鍵電容式觸控檢測晶片(圖5)。此觸控晶片內建穩定電壓供觸控感應電路使用,達到穩定電壓與最佳電容值的效用。使用智慧型觸控紡織物時,觸控板依序驅動IC感測電容值是否正常,並將無觸摸及觸摸的狀態轉化為數位0與1的訊號輸出至盛群微控制器的GPIO,讓控制器可根據傳回的觸摸狀態訊號進一步辨識手勢動作。

 


圖5 自製電容式觸控電路板

藍牙模組考量低功耗與病房環境無線傳輸距離並不會太遠,本產品設計採用藍牙傳輸功能,透過無線藍牙傳輸功能,接收手勢觸發訊號,並將訊號透過藍牙傳至護理站使用端(圖6)。當手勢觸發時,照護人員透過使用端即可得知病患現在的需求,提升照護便利性(圖7)。

 

 


圖6 HC-05藍牙模組


圖7 HC-05及護理站使用端

測試方法

本產品將導電織物結合至服裝中進行功能測試,產品架構如圖8所示。

 


圖8 產品結構示意圖

硬體系統安裝

本產品設計系統硬體使用盛群開發版完成所有病患端呼叫訊號發送功能(圖9), 並使用Visual Studio開發護理站接收端應用程式。


圖9 硬體系統位置圖

觸控手勢服飾測試

本產品設計利用觸控服飾測試使用者操作手勢。未以手勢觸摸或所操作手勢經判定為無效觸摸時,護理站頁面將不會收到任何訊號(圖10),各病床狀況正常。當操作手勢經辨識為所設定的手勢之一時,則判定為觸發成功,並將手勢對應的呼叫訊號傳回護理站。如圖11所示,病床1的病患觸碰導電織物發出呼叫時,監控軟體會立即發出提示訊息提醒護理人員。

圖10 手勢呼叫及護理站監控頁面(未觸發手勢呼叫)
圖10 手勢呼叫及護理站監控頁面(未觸發手勢呼叫)

圖11 手勢呼叫及護理站監控頁面(觸發手勢呼叫)
圖11 手勢呼叫及護理站監控頁面(觸發手勢呼叫)

(本文作者陳智勇為國立屏東科技大學智慧機電學士學位學程副教授;陳柏禎為樹德科技大學應用設計研究所學生;趙家慶為屏科大生物機電工程系學生;盧致傑為樹德科大資訊工程系學生)

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