定位元件在儿童服装设计中的近场定位性能

吴 艳，洪文进，沈 雷，唐 颖

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122;2.浙江横店影视职业学院表演艺术学院，浙江 东阳 322118)

近年来智能定位服装中传统的定位元件逐渐被低功耗蓝牙传感定位元件取代，尤其在近场定位环境中，蓝牙传感定位元件不仅定位准确，还具有与服装结合的灵活性以及可水洗的特点，因此满足穿戴的舒适安全性。

iBeacon定位元件是指以低功耗蓝牙传感技术为核心［1－3］，实现近场定位信号与设备间的传输，以此获取准确定位信息的微型定位芯片［4］。目前用于近场定位的元件有NFC(near field communication)芯片［5］、wifi 辅助下的高性能 GPS(global positioning system)定位器［6］，元件嵌入并固定在以针织设计为主的服装局部部位。Rantanen J［7］通过GPS与电子指南针结合的方式将其嵌入雪地救援智能服装，解决走失和救援的问题;寿弘毅［8］用GPS定位元件固定在以双层封袋的PU覆膜内，构建了一个定位容器模型(防水透气指数:耐水压大于等于49000Pa;透湿指数大于等于5000g/(m2·24 h)。

本文在前人研究的基础上，确定以iBeacon定位元件为主要定位器，并分析在有障碍和无障碍环境下定位信号的灵敏度以及在不同弹性针织面料中的融合度、舒适压、拟合度，为儿童近场定位安全服装设计提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

iBeacon内置信号元件(北京四月兄弟科技有限公司)，可低功耗蓝牙识别定位，数字接收信号强度指数(RSSI)较好，有定位软件跟踪，图标显示超出监测距离30 m，定位元件与软件中心自动报警提示;2+2罗纹涤/棉(65/35)针织面料(绍兴万鼎纺织品有限公司)。

1.2 实验仪器

UTP2102CEL数字信号存储示波器，东莞优利德科技有限公司;Agilent 34401A数字万用表，深圳市明泰仪器仪表有限公司;iPad mini，美国苹果集团。

1.3 实验环境

在温度为26℃，相对湿度为63% ～67%环境下进行实验。

1.4 试样制备

Blesticker型号的iBeacon定位元件主要用于定位信号灵敏度的评估，以内置的低功耗蓝牙天线传递信号，用不同环境下的距离与RSSI值域的关系表示，因此本文选用在有障碍和无障碍环境下进行测试。以不同弹性的涤/棉针织面料作为儿童服装用料，试样为纬向20 cm、经向8 cm的矩形织片，均为普通涤棉纱线，弹性不同，主要分为弱弹、低弹、中弹和高弹，每种弹性的针织面料试样1块，共4块。织物结构参数如表1所示。

表1 织物结构参数Tab.1 Structure parameter of knitted fabric

1.5 定位信号灵敏度与面料舒适性指标

低功耗蓝牙(4.0)信号传输速率和显示终端的信息反馈是iBeacon定位元件信号灵敏度的主要参数，可用元件间距与RSSI值域关系表示。

定位元件嵌入固定在不同弹性面料中，其整体融合性和面料压是影响服装舒适安全性的关键指标，其中Sig.值是衡量面料拟合度的主要指标，可通过方程Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn计算得出。

2 结果与讨论

2.1 灵敏度

低功耗蓝牙频射信号灵敏度受多种外界因素的影响，其中蓝牙设备间距离和障碍物间阻隔是影响频射信号的主要因素。其距离与RSSI间的关系是信号灵敏度测试的关键，因此本文测试在户外环境下，分别在有障碍与无障碍条件下进行测试，结果如表2所示。

表2 户外环境下蓝牙设备间RSSI信号值Tab.2 Distance between devices and the RSSI measurements in outdoor environment

从表2可知，当有障碍第7、8次测试时，信号断开，因此没有测量值。在数据分析时，以5次数据的平均值来表示测试的RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指数)值，分析结果如图1所示。

图1 户外环境RSSI模型Fig.1 Outdoor environment model

由图1分析可知，无论是2个距离间有障碍物还是无障碍物，RSSI值均随着距离的拉长而不断减小，当距离为30 m时，RSSI值急骤下降，信号灵敏度降低。该点为信号强度邻界点。从图中可看出，在该邻界点时，无障碍户外环境下的RSSI值大于有障碍时的值。因此儿童近场定位安全服装测试环境可以近似认为是相对自由空间。且低功耗蓝牙频射信号强度与距离成正比，与有无障碍成反比。测试结果得出，当距离在30 m临界点时，无障碍物条件下，距离最远，频射信号最强，准确性最好;当距离在40～50 m之间，频射信号较弱，准确性较低。在儿童近场定位安全中，近场定位距离为30～50 m。

2.2 整体融合性与舒适压

弹性针织面料主要分为高弹、中弹和低弹面料，其弹性又可分为经弹和纬弹［9］。在儿童近场定位安全服装设计研究中，为了避免定位元件在人体活动时随意晃动和较大的服装压对人体造成不舒适，对4种不同弹性的涤/棉针织面料拉伸性和弹性回复性进行测试，同时进行相关因子的提取与分析，结果如图2所示。

测得基础参数(厚度、质量、经密与纬密)，并通过SPSS17.0软件的相关性分析，得出织物的厚度与质量、经纬密成反比，回归分析结果如表3所示。

图2 涤/棉针织面料不同弹性的服装压力值Fig.2 Elastic clothing pressure value of pure polyester cotton knitting fabric

表3 织物回归拟度参数Fig.3 Analysis of fabric regression fitting degree

当Sig.值为F，并大于F临界值的概率，表3结果说明，当回归方程包含不同的自变量其显著概念性值均小于0.001，即拒绝回归系数均为0的原假设［10］。因此，根据 Sig.=b0x0+b1x1+b2x2+b3x3+… +bnxn，计算出估计值，其中 b0为常数，b1、b2、…、bn称为 y对应于 x1、x2、…、xn的偏回归系数，偏回归系数表示假设在其他所有自变量不变的情况下，某个自变量变化引起因变量变化的比率［11］。得出有4个自变量时，方程回归性很好。

由图2还可看出，当选取2+2罗纹涤/棉弱弹针织面料时，服装压(1.56 kPa)最低，满足儿童服装穿着邻界压;2+2罗纹涤/棉低弹与中弹面料压分别为1.85 kPa和2.96 kPa，均符合儿童服装穿着舒适压范围(1.96～3.92 kPa);而2+2罗纹涤/棉高弹针织面料压为5.98 kPa，将定位元件设计其上，接触面与皮肤频繁摩擦，造成服装穿着的不舒适。从表1可知，当Sig.值越接近零，回归拟合度越好，面料对人体产生的的压力越小，人体穿着服装时的运动阻碍性最低，适合在功能性服装设计中应用，尤其是以不同物理属性物体附着在织物表面的元件设计。

从上述实验分析总结可知，在儿童近场定位安全服装设计中，2+2罗纹涤/棉弱弹针织面料是该系列服装设计的最优用料。

3 结论

随着距离的变化，iBeacon定位元件的低功耗蓝牙信号传输灵敏度与距离成反比，距离越远时，信号传输灵敏度低，定位距离短，反之亦然。在等距离情况下，无障碍环境中RSSI值大于有障碍环境中的RSSI值，当定位距离超过零界点30 m，其距离逐渐减小。实验结果表明，当iBeacon定位元件融合固定在针织面料中，其面料弹性为2+2罗纹组织弱弹，Sig.值接近零，回归拟合度最强，面料对儿童人体产生的舒适压为1.56 kPa，符合儿童服装穿着舒适压范围(1.96～3.92 kPa)。实验证明，以低功耗蓝牙技术为核心的iBeacon定位元件与2+2罗纹涤/棉针织面料的融合设计，可满足儿童服装定位要求，同时达到儿童服装舒适安全性设计原则。

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