关于智能空调服装的研究

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　　摘 要 随着时代发展，服装产业也随之发展，越来越智能化。本文基于半导体制冷技术，提出一种智能服装的设计。将小巧灵活的半导体制冷片嵌入服装中，通过单片机编入预测PI控制算法控制，进行恒温控制。研究设计表明该设计的可行性，但存在实用可行性方面的问题。
　　关键词 智能服装;半导体制冷;预测PI
　　半导体制冷技术，因其安全、无污染、灵活的优点以及制冷效率低下的缺点，目前只被应用于一些小型制冷场合。预测PI控制算法，是基于原有的PI控制，在其基础上，添加预测环节，使其能够更好地控制滞后对象。
　　本文基于以上两种技术，提出智能空调服装的设计以及设计实现上难点以及解决方法。
　　1 智能空调服装概述
　　1.1 智能服装
　　智能服装是一门交叉技术，它包含了纺织、自动化、材料等学科，是一种新型的智能结合产物。以服装作为基础，采取不同形式方法，使服装本身具有一定的功能，构成完整的智能系统。常见的方法有3种：一是服装直接外接微型智能电子元器件;二是利用物理或化学整理技术赋予普通纤维材料特殊功能;三是通过梭织、针织等织造方法将智能纤维或智能纱线织入纺织服装产品中[1]。
　　1.2 半导体制冷
　　半导体制冷技术最早出现于19世纪，是种热电制冷技术，能够通过对电流的控制，来控制半导体制冷片的特性，故半导体制冷又称热电制冷[2]。其原理是基于帕尔帖效应——直流电经过两个不同型的半导体形成的接点时，接点处会产生温差和热量的转移[3]。
　　1.3 预测PI控制算法
　　1992年Hagglund第一次提出预测PI控制算法这一概念，它是Smith预估器的一种特殊形式，其由分别独立的两部分组成：PI部分和预测部分[4]。相比于传统PI控制，预测PI控制在保持原性能情况下，还具有预测功能，能有效控制滞后对象。
　　2 智能空调服装系统模块设计
　　整个智能空调服装系统具有5个模块，供电模块、数据采集模块、单片机控制模块、人机交互模块、半导体制冷片模块，分别协调完成相应的功能，以达到恒温控制的效果。
　　系统结构图如下所示：
　　2.1 电源模块
　　由直流电源构成，负责提供单片机、半导体制冷片、液晶显示等的供电。
　　2.2 数据采集模块
　　由温度传感器构成，采集人体与衣服之间的温度信息，并将信息传递给单片机。
　　2.3 单片机控制模块
　　由单片机构成，往其中编写相应程序，通过采集模块传输过来的数据和人机交互控制面板上的数据，负责协调控制各模块运作。
　　2.4 人机交互模块
　　由显示屏和键盘构成，负责实时显示温度和制冷制热控制，目标温度设定功能。
　　2.5 半导体制冷片模块
　　由半导体制冷片构成，整个系统的执行机构，通过单片机控制供电电流的大小和方向，实现制冷制热，以及制冷制热量的大小。
　　3 智能空调服装设计难点
　　智能空调服装是基于半导体制冷片提出的一种智能服装，所以其在保持服装特性，还需实现恒温控制的效果，该服装实现过程中存在几个难点。
　　3.1 制冷散热
　　通过之前的原理介绍可知，半导体制冷片制冷时，会产生温差和热量转移，一端制冷一端散热，经调查實验，当半导体不可长时间工作在无散热的制冷状态下，这样容易损坏半导体制冷片。夏天制冷时，冷端对着人体制冷，热端处于炎热的外界环境下，自然散热效率低下，很容易损坏。这时候就需要对热端进行散热处理。
　　3.2 电源供电
　　目前半导体制冷片得不到大型广泛应用的原因，其中很重要的一点在于半导体制冷片有一个致命的缺点——制冷效率低。制冷效率低，意味着需要消耗更多的能量，这对电源的供电提出了要求。
　　3.3 硬件布线
　　整个智能空调服装设计，需要往衣服中嵌入电子元件和电线，一般半导体制冷片的工作电流大小为3A。这对于服装设计的安全性和舒适性提出了挑战。
　　4 解决方案
　　针对上述难点，提出一些可行的解决方案。
　　4.1 热管散热
　　半导体制冷一般常见的散热方式有4种，自然对流散热、强迫对流散热、水冷散热、热管散热。这里对比分析，采用热管散热。
　　自然对流散热为与外界环境进行交换散热，强迫对流散热利用风扇对热端进行散热，水冷散热利用水的循环来对热端进行散热，热管散热利用散热片和热管的组合进行散热。
　　能运用在智能空调服装上的散热方法为水冷散热和热管散热，但考虑两种散热方式的特性，推荐使用热管散热，因为水冷散热由水泵、蓄水池和散热水层三个组成，对于外界的影响虽然最低，但随身携带不方便，对电源供电也有要求。热管散热则具有散热效率高，体积小重量轻方便携带的优点，只需将热管附在热端表面即可起到散热作用，所以采用热管散热。
　　4.2 锂电池
　　针对智能空调服装的特点，电源需要满足三个条件，为了环保节能需要可循环使用，服装穿在身上需要携带方便（体积小重量轻），要至少满足工作一天的电量需要大容量。根据以上要求，需要蓄电池，可一般的蓄电池在满足大容量条件下，基本满足不了携带方便的条件。
　　考虑这些因素，在这推荐采用锂电池，锂电池在同等电容量下，体积重量是一般的蓄电池的十分之一，而且不产生污染。
　　4.3 液态金属3D打印
　　向服装中添加电子器件，其电子器件的绝缘必须做好，但同时也要满足一定的舒适度。目前有一门新兴的技术——液态金属3D打印，其能做到在柔性材料上利用液态金属打印上电路，而且能够使用，这是十分重大的应用技术，目前还未完全发展成熟，但这对于智能服装的发展影响是巨大的。
　　5 总结与展望
　　本文提出了一种基于半导体制冷片的智能服装设计，并对其实现形式、系统模块进行了一定的分析。还对其中一些设计难点提出了一些解决方案。目前的技术能够完成整个设计，但还是存在一些不足的地方（如便携性与舒适性、安全性），所以还不能全面普及。但随着科技发展，这些问题会得到解决，就如同液态金属3D打印技术的诞生，就为此问题的解决，提供了重要的帮助，还有未来电池的发展等，希望本文提出的设想与方案能在未来科技发展的条件下，最终使智能空调服装得以实现。
　　参考文献
　　[1] 王栋，卿星，蒋海青，等.纤维材料与可穿戴技术的融合与创新[J].纺织学报，2018，39（5）：150-154.
　　[2] 郭琛，潘开林，程浩.热电制冷技术的研究进展[J].微纳电子技术，2018，55（12）：927-931.
　　[3] 申勇.用半导体制冷片为CPU降温[J].承德职业学院学报，2005，（04）：73-76.
　　[4] 李峰，任正云，程功.基于预测PI算法的直流调速系统研究[J].微电机，2017，50（01）：79-82，96.
　　作者简介
　　宋云（1997-），男，在校大学生，研究方向：主修自动化专业。
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