一種新型可穿戴式體溫計設(shè)計

陳洪金 鄒鵬飛 宋憲磊

摘 要：文中設(shè)計了一種新型，用于智能醫(yī)療領(lǐng)域及家庭的可穿戴式體溫計，該設(shè)備以ESP8266最小系統(tǒng)為核心處理器，DS18B20為溫度采集裝置，通過ESP8266集成的WiFi模塊將信息發(fā)送至上位機，遠(yuǎn)程實現(xiàn)對體溫的實時監(jiān)測，該設(shè)備具有通信距離遠(yuǎn)，體積小，功耗低等特點，應(yīng)用場合廣，可長期佩戴于被測量人員身體，適用于醫(yī)院對病人進(jìn)行長時間體溫監(jiān)測，成年人對家中未成年人及無行動能力老人的體溫變化狀況連續(xù)監(jiān)測，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：WiFi傳輸；可穿戴設(shè)備；體溫計；智能醫(yī)療；多場合應(yīng)用

中圖分類號：TP39；TN219 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-0-03

0 引 言

體溫是反映人體健康狀況的重要參數(shù)，體溫的變化往往可反映出人體的諸多問題。醫(yī)院里，護(hù)士會定時對病人的體溫進(jìn)行測量，若家中有嬰兒或行動不便的老人，監(jiān)護(hù)人能隨時了解他們的體溫狀況，發(fā)現(xiàn)問題可及時送醫(yī)，避免病情惡化，尤其是嬰兒，發(fā)熱對生長發(fā)育有極大的影響。故市場需要一款能實時測量并實時顯示溫度信息的設(shè)備。

1 硬件設(shè)計

由于該設(shè)備需長期佩戴于被測人員身體上，對功耗及設(shè)備體積的要求較高，而體溫測量相對于工業(yè)溫度測量，精度要求較低，故硬件設(shè)計將主要考慮體積與功耗兩方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 采集

考慮到用熱電阻或熱電偶搭建測溫電路需信號調(diào)整電路，放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，將占用較大的PCB板空間，與設(shè)計思想不符，故該設(shè)備采用集成溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器體積小，價格低，符合設(shè)計要求。DS18B20與芯片通過單總線協(xié)議通信[1]：寫時序：拉低總線60 μs，再抬高總線5 μs，完成寫0操作；拉低總線5 μs，抬高總線60 μs，完成寫1操作。讀時序：拉低總線5 μs，再釋放總線，讀取總線，若為0，則讀入0；若為1，則讀入1。

1.2 數(shù)據(jù)處理及傳輸

1.2.1 核心處理器

核心處理器用于控制整個設(shè)備工作，包括網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)發(fā)送及模擬DS18B20通信時序，讀取溫度傳感器溫度信息。該設(shè)備所采用的芯片為ESP8266，該芯片尺寸為

5 mm×5 mm，集成了32位Tensilica處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻 balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，僅需少量的外圍電路，可將所占PCB空間降到最低，符合設(shè)計要求。ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨立運行，也可作為從機搭載于其他主機[2]。為降低硬件空間，以ESP8266為主控芯片進(jìn)行開發(fā)。該處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

由于該設(shè)備核心處理器集成了WiFi模塊，故僅需將設(shè)備連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，即可通過TCP協(xié)議或UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。分別考慮兩種傳輸方式[4]：TCP是一種面向廣域網(wǎng)的通信協(xié)議，目的是在跨越多個網(wǎng)絡(luò)通信時，為兩個通信端點之間提供一條基于流，面向連接的通信方式；UDP是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳送服務(wù)。兩種傳輸方式各有優(yōu)劣，故該設(shè)備按實際情況分為兩種應(yīng)用場景，分別為作為醫(yī)療設(shè)備及家庭使用。作為醫(yī)療設(shè)備使用時，主要用于醫(yī)院中病人體溫的實時監(jiān)測，該情況下接入設(shè)備量大且集中，上位機與測量設(shè)備處于同一局域網(wǎng)中，通信無需連接廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)通信即可。局域網(wǎng)通信不經(jīng)過云服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸快速，安全?？紤]到需接收信息的上位機較多，故相對于面向連接的TCP通信協(xié)議，UDP廣播通信更合適，可保證不同上位機能接收到局域網(wǎng)內(nèi)測量設(shè)備發(fā)送的信息。

家庭使用時，多數(shù)情況下上位機設(shè)備與測量設(shè)備不處于同一局域網(wǎng)中，如父母上班，老人孩子在家中，故為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，測量設(shè)備與上位機均需連接廣域網(wǎng)，測量設(shè)備將溫度信息傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器再將信息傳輸給目標(biāo)接收設(shè)備，在戶主外出情況下依然可實時了解到家中老人與小孩的體溫狀況。

1.3 電源部分及PCB板設(shè)計

電源采用兩顆1.55 V紐扣電池供電，可滿足芯片2.5～3.3 V的工作電壓要求。PCB板實物如圖3所示，具體尺寸為27 mm×18 mm，該PCB板體積小，器件加上外殼封裝后，較小的體積可保證佩戴人員的舒適感，僅需用醫(yī)用膠帶粘貼于被測人員腋下即可，對被測人員正常生活無影響。

2 軟件設(shè)計

該設(shè)備軟件流程如圖4所示。設(shè)備上電后，先初始化芯片配置，其中包括波特率設(shè)定，芯片工作模式設(shè)定，I/O初始化，網(wǎng)絡(luò)初始化等。

初始化完成后，芯片會根據(jù)FLASH中存儲網(wǎng)絡(luò)SSID以及PASSWORD信息自動連接上指定無線網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)連接成功后，根據(jù)不同應(yīng)用場景，芯片會通過UDP協(xié)議向局域網(wǎng)內(nèi)所有地址廣播信息或通過TCP協(xié)議向云服務(wù)器發(fā)送信息；發(fā)送的信息中包含芯片MAC地址及從溫度傳感器中讀取的溫度信息，其中MAC地址用于區(qū)分不同設(shè)備數(shù)據(jù)，以分別顯示。

所選控制芯片有3種工作模式見表1所列。其中，Modem-Sleep用于CPU一直處于工作狀態(tài)的應(yīng)用；Light-Sleep用于CPU可暫停的應(yīng)用；Deep-Sleep用于不需一直保持WiFi連接，較長時間發(fā)送一次數(shù)據(jù)包的應(yīng)用。為降低功耗，完成一次數(shù)據(jù)讀取及發(fā)送后，CPU進(jìn)入Deep-Sleep模式，每300 s喚醒一次，喚醒時間間隔可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，喚醒后CPU在1 s內(nèi)重新連接WiFi，再次讀取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)送，為增強數(shù)據(jù)發(fā)送的容錯性，發(fā)送數(shù)據(jù)后會啟動定時器，以1 s的間隔連續(xù)發(fā)送3次數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后CPU再次進(jìn)入Deep-Sleep模式，等待喚醒進(jìn)行下一次發(fā)送。

3 上位機程序設(shè)計

3.1 演示程序

實現(xiàn)基本功能的演示程序，分為應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)下的程序及移動設(shè)備Android程序，此處僅用于功能演示，功能單一，Windows客戶端需建立一個UDP連接，設(shè)定好和設(shè)備對應(yīng)的端口即可接收數(shù)據(jù)，一部分接收數(shù)據(jù)如圖5所示，可見與溫度信息一同傳輸過來的還有設(shè)備MAC地址，MAC地址的唯一性可作為區(qū)分設(shè)備的較好手段，圖中溫度顯示

1 956即19.56℃。

由于本設(shè)備用手機查看數(shù)據(jù)時應(yīng)處于家庭應(yīng)用模式，故需要手機連接云平臺[5]，由于對數(shù)據(jù)實時性要求低，云平臺的選擇沒有苛刻要求，選擇好云平臺后根據(jù)平臺提供的開發(fā)文檔將手機及設(shè)備接入云平臺即可，手機接收程序在模擬器上的演示如圖6所示。

3.2 上位機軟件功能擴展

鑒于演示用上位機程序功能單一，達(dá)不到商用化要求，若要應(yīng)用于商業(yè)推廣，可對程序進(jìn)行以下改進(jìn)，以增強用戶體驗[6]：

（1）美化界面，提高用戶興趣；

（2）多設(shè)備信息同時顯示，可根據(jù)設(shè)備發(fā)送的MAC地址信息用以區(qū)分；

（3）數(shù)據(jù)存儲，便于隨時查找被測人員的溫度信息；

（4）繪圖，根據(jù)測量信息繪制溫度變化曲線圖，使用戶更直觀地了解被測人員體溫變化情況；

（5）溫度超限報警；

（6）針對手機APP可提供一些健康常識等。

4 產(chǎn)品優(yōu)勢

該產(chǎn)品相對于現(xiàn)階段市場上的產(chǎn)品有諸多優(yōu)勢，目前穿在身上的智能醫(yī)療服較厚重，該產(chǎn)品體積小，被測人員舒適感較強。除此之外，該產(chǎn)品成本較低，商用后價格會更低。該產(chǎn)品采用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于WiFi使用的頻段較廣，不受使用許可權(quán)的限制，因此它的使用面積極廣，真正成為了方便快捷、價格低廉、國際通用的無線接口[7]。

而對比于目前市場上用藍(lán)牙傳輸信息的同類產(chǎn)品，WiFi傳輸?shù)膬?yōu)勢更顯得無可替代[8]。藍(lán)牙接入設(shè)備數(shù)量有極大地限制，因此限制了其應(yīng)用場合——無法用于大量設(shè)備檢測的情況，典型的應(yīng)用場景就是醫(yī)院對病人的體溫檢測。除了接入設(shè)備限制外，藍(lán)牙的傳輸距離也極大限制了其應(yīng)用范圍。本產(chǎn)品采用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完美地解決了上述問題，WiFi可接入設(shè)備數(shù)量大。當(dāng)設(shè)備通過WiFi接入廣域網(wǎng)，連接云平臺后，通信距離的問題也隨之解決，可讓用戶外出的同時了解在家中老人或未成年人的體溫狀況。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種新型可穿戴式體溫計的設(shè)計方案及具體實現(xiàn)方案，該產(chǎn)品可用于醫(yī)院，減小醫(yī)護(hù)工作量，獲得更多的體溫數(shù)據(jù)，對病人的治療有著積極意義；亦可用于家庭，對老人及未成年人的體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。該產(chǎn)品體積小，功耗低，成本低，相對于市場上的同類產(chǎn)品有極大競爭優(yōu)勢，具有十分良好的應(yīng)用前景。

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