基于DS18B20體溫測(cè)量智能服裝的研究

高 旭,王進(jìn)美,高曉丁

摘 要:針對(duì)人體體溫傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端,應(yīng)用美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行人體體溫檢測(cè)智能服裝的研究,設(shè)計(jì)了基于DS18B20智能傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)的測(cè)量系統(tǒng),并且給出了人體體溫測(cè)量智能服裝的電子測(cè)溫系統(tǒng)以及與其結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案,包括溫度的測(cè)量系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞:智能服裝;DS18B20;體溫測(cè)量;數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào):TP274.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-148-03

Study of Intelligent Apparel Based on DS18B20 Body Temperature Measurement

GAO Xu1,WANG Jinmei1,GAO Xiaoding2

(1.School of Textile & Materials,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China;

2.School of Mechanical & Electrical Engineering,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China)

Abstract:Because of traditional measurement methods of human body temperature have drawbacks,application of the United States semiconductor Company DALLAS,after following the latest DS1820 temperature sensor DS18B20 detecting human body temperature of smart clothing research,temperature measurement system based on intelligent sensor DS18B20 is designed and realization program of the human body temperature measurement of the electronic smart apparel with its combination of temperature measurement systems are given,including the temperature measurement system hardware and software design,as well as data processing with multi-sensor technology of data fusion.

Keywords:intelligent apparel;DS18B20;temperature measurement;data fusion

體溫在臨床醫(yī)學(xué)中是一個(gè)極其重要的人體體征參數(shù)。近年來國內(nèi)外醫(yī)院對(duì)人體體溫測(cè)量仍然采用傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)進(jìn)行手工的測(cè)量與記錄,這種測(cè)量方法存在著測(cè)量時(shí)間較長(5 min左右)以及測(cè)量的方式受限制等缺點(diǎn)[1];而隨著傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,一些發(fā)達(dá)國家也已較多地運(yùn)用了先進(jìn)的數(shù)字式電子溫度計(jì)進(jìn)行人體體溫測(cè)量,但是這種測(cè)量方法仍然受測(cè)量位置的影響以及生活方式的約束,給使用者帶來了極大的不便[2]。因此,有必要進(jìn)行體溫測(cè)量的電子智能服裝的研究,使得使用者不再受生活方式的限制,并且可以通過網(wǎng)絡(luò)或家庭電話時(shí)刻的把具體信息傳遞給醫(yī)院和其家屬從而起到醫(yī)療監(jiān)護(hù)作用,以實(shí)現(xiàn)生理檢測(cè)的無線化、實(shí)時(shí)化[3]。

1 系統(tǒng)組成

在人體的穿著服裝中通過插拔技術(shù)把溫度傳感器DS18B20以及微處理器放置其中,在家中或是病房里安裝藍(lán)牙探測(cè)設(shè)備(藍(lán)牙收發(fā)器),并與測(cè)溫系統(tǒng)之間采用藍(lán)牙通信協(xié)議來獲取測(cè)量信息[4]。同時(shí)通過 USB 總線連接至檢測(cè)室內(nèi)的上位計(jì)算機(jī)端口,在相應(yīng)的面向?qū)ο蟮能浖刂葡聦?shí)現(xiàn)對(duì)體溫信息獲取、處理、顯示等[5]。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的組成

2 測(cè)溫系統(tǒng)

2.1 傳感器

本測(cè)量系統(tǒng)的溫度測(cè)量采用半導(dǎo)體數(shù)字集成傳感器DS18B20,它適應(yīng)的電壓范圍寬,并且可以在寄生電源方式下由數(shù)據(jù)線供電,那么與紡織服裝結(jié)合進(jìn)行體溫測(cè)量就可以不用獨(dú)立供電,它本身的測(cè)量范圍為-55～+125 ℃,最小的分辨率可達(dá)0.062 5 ℃,而人的體溫在35～42 ℃,溫度浮動(dòng)也非常微弱,應(yīng)用此傳感器正好可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量,溫度值轉(zhuǎn)換速度也特別快,同時(shí)具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力,特別是它獨(dú)特的單線接口方式,并且可以單總線接多個(gè)傳感器,有利于人體多點(diǎn)的體溫測(cè)量以及與服裝結(jié)合減少處理器的I/O端口、連接導(dǎo)線[6]。本測(cè)量系統(tǒng)中4個(gè)溫度傳感器與單片機(jī)的單線連接電路如圖2所示。

圖2 4個(gè)DS18B20單線連接電路圖

2.2 處理器

本測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中央處理器采用AT89C51單片機(jī),處理器作為本測(cè)量系統(tǒng)研究的核心,為數(shù)據(jù)采集和信息處理、顯示、記錄起了一定的媒介作用,及時(shí)讀取采集信息并且發(fā)送給起監(jiān)視作用的上位計(jì)算機(jī)。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器[7]。該器件采用Atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,并且將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,所以將AT89C51這種高效微控制器應(yīng)用在此人體體溫實(shí)時(shí)性檢測(cè)系統(tǒng),可以為此系統(tǒng)提供一種靈活性高、價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)方案。

2.3 與服裝產(chǎn)品的結(jié)合

在安全性能上,應(yīng)該考慮使用者的正常使用以及使用不當(dāng)都不能對(duì)其造成傷害,溫度傳感器可由柔性、易傳熱的材料套封裝,并易于進(jìn)行消毒處理;在準(zhǔn)確性上,考慮應(yīng)用適當(dāng)?shù)恼`差處理方法對(duì)測(cè)量結(jié)果要進(jìn)行一定的誤差處理與修正確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確。

在舒適性能上,要考慮電子器件、柔韌導(dǎo)線的選取以及與服裝的結(jié)合技術(shù)問題,使得在穿著過程與人們平時(shí)普通的服裝無異;在方便性能上,整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有很好的穩(wěn)定、簡易的可維護(hù)性能等,易于使用、操作以及服裝的洗滌等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

微處理器與傳感器DS18B20之間的通信主要經(jīng)過以下步驟:每一次讀寫前都要對(duì)其進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令,最后發(fā)送RAM指令,這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位成功后CPU將數(shù)據(jù)線下拉500 μs,然后釋放,DS18B20收到信號(hào)等待16～60 μs左右,然后發(fā)出60～240 μs的存在低脈沖,主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功,然后從單總線上讀取溫度信息經(jīng)過數(shù)據(jù)讀取完畢驗(yàn)證后發(fā)送出去,而對(duì)處理器與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的基本單元數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 通信的數(shù)據(jù)幀格式

幀起始標(biāo)志單片機(jī)地址控制碼數(shù)據(jù)幀長度數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)束標(biāo)志

02H1 B1 B1 B8 B1 B03H

其中數(shù)據(jù)位的8個(gè)字節(jié)依次位前胸、后背、左右腋窩的4個(gè)部位的體溫采集值,因?yàn)镈S18B20采集的每個(gè)溫度值用12位數(shù)字信號(hào)輸出,則每一個(gè)完整的溫度值要占用兩個(gè)字節(jié),其中包含了溫度高8位和溫度低8位[8]。

3.2 程序流程

測(cè)溫系統(tǒng)溫度讀取的程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3.3 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控界面的開發(fā)設(shè)計(jì),在上位機(jī)的監(jiān)控界面中可以看到通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理之后的總體溫度,同時(shí)也可以看到人體各個(gè)部位的局部溫度,其溫度值的顯示不但可以直觀顯示數(shù)字形式,而且可以顯示出實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)變化曲線[9],其上位機(jī)的監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控功能模塊

4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理方面采用多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù),把在人體的溫度采集過程存在人體狀態(tài)、外界環(huán)境等因素影響使得信息采集含有的不確定、矛盾、或是錯(cuò)誤成分綜合起來,使得這些信息互相補(bǔ)充、印證,即把多個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理融合為一個(gè)數(shù)據(jù)[10],以達(dá)到測(cè)量目的。對(duì)各個(gè)傳感器采集的人體體溫信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的全過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合流程圖

圖5中傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4分別表示四個(gè)傳感器在整個(gè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的輸入信息,W1, W2,W3,W4分別為第1,第2、第3、第4個(gè)傳感器在整個(gè)數(shù)據(jù)融合中的融合權(quán)值。從圖5中可以明確地看出各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)求和∑,最后通過y(x)得出一個(gè)總的測(cè)量結(jié)果(即人體的體溫)。

5 結(jié) 語

綜合上述設(shè)計(jì),本體溫測(cè)量服裝能夠在實(shí)現(xiàn)人體體溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)的同時(shí),如果再增加能感知濕度、血壓和心率等信息的傳感器,可用于對(duì)病人或是被監(jiān)護(hù)人的濕度、血壓和心率等實(shí)施檢測(cè)監(jiān)護(hù)與記錄處理,使其更進(jìn)一步的修正和完善,以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

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