嬰幼兒體溫監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

許俊杰 林木泉 李智敏 張偉杰

摘 要：該設(shè)計(jì)使用低功耗藍(lán)牙為通信手段，由臂環(huán)和報(bào)警器2部分組成。通過(guò)體溫傳感器WD3703和6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050，使用互補(bǔ)濾波算法融合MPU6050內(nèi)置的陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算出較為準(zhǔn)確的傾角數(shù)據(jù)，使用中位值平均濾波法計(jì)算溫度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)嬰幼兒體溫和睡眠姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示，有效減輕父母在看護(hù)嬰幼兒生病發(fā)燒時(shí)的負(fù)擔(dān)。該設(shè)計(jì)存儲(chǔ)的睡眠姿態(tài)數(shù)據(jù)能及時(shí)提供給父母作為參考，以便對(duì)嬰幼兒的不良睡姿進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：WD3703;互補(bǔ)濾波算法; MPU6050;中位值平均濾波法

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0194-04 中圖分類(lèi)號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

由于當(dāng)前社會(huì)很多年輕父母把更多時(shí)間投入工作，嬰幼兒生病發(fā)燒后，有時(shí)工作還不能落下，甚至需要在家加班。這種情況下，照顧起來(lái)往往力不從心，倍感疲憊。即使能放下手頭的工作，也幾乎是整夜無(wú)眠，不時(shí)測(cè)量孩子的體溫，這對(duì)父母的身心也是一種考驗(yàn)?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰幼兒體溫的監(jiān)測(cè)器，減輕父母看護(hù)過(guò)程中的負(fù)擔(dān)。同時(shí)該設(shè)備具備記錄孩子睡眠姿勢(shì)的功能，因?yàn)楹⒆拥捏w型在發(fā)育階段，70%的時(shí)間都是在床上度過(guò)[1]，該功能能及時(shí)矯正孩子的不良睡姿。

1 系統(tǒng)原理

監(jiān)測(cè)器分為2部分：臂環(huán)和報(bào)警器。臂環(huán)戴在嬰幼兒手臂上監(jiān)測(cè)體溫和睡眠的動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到報(bào)警器。報(bào)警器實(shí)時(shí)通過(guò)大尺寸的紅色數(shù)碼管顯示嬰兒當(dāng)前的體溫，同時(shí)在液晶顯示屏上顯示嬰幼兒當(dāng)前的睡眠姿勢(shì)?？赏ㄟ^(guò)報(bào)警器的按鍵查詢(xún)嬰幼兒體溫和睡眠姿勢(shì)的歷史記錄。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

2.1 臂環(huán)硬件組成

臂環(huán)的電源芯片使用TP4058，有600mA的可編程充電電流，為臂環(huán)內(nèi)置的鋰電池進(jìn)行充電管理。鋰電池通過(guò)XC6203E332PR低壓差LDO穩(wěn)壓器輸出3.3 V為傳感器和控制芯片供電。加速度傳感器使用MPU6050，該芯片內(nèi)部包括一個(gè)3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計(jì)[2]。藍(lán)牙模塊使用蜂匯物聯(lián)科技公司的低功耗BLE射頻模塊，該模塊是基于TI公司的CC2541F256芯片設(shè)計(jì)而成。體溫傳感器使用WD3703，具有用戶(hù)可編程的13位（0.031 25 ℃）分辨率，通過(guò)一根數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)Single-Line協(xié)議完成串行傳輸數(shù)據(jù)，與控制芯片的PA5引腳連接。控制芯片使用低功耗芯片STM32L151C8T6，具有214 uA/mHz的運(yùn)行模式和9uA低功耗運(yùn)行模式[3]。臂環(huán)硬件各部分電路詳情如圖2所示。

2.2 報(bào)警器硬件組成

報(bào)警器的數(shù)碼管使用TM1650芯片驅(qū)動(dòng)4位共陰數(shù)碼管，報(bào)警器使用和臂環(huán)同型號(hào)的藍(lán)牙模塊，通過(guò)內(nèi)存寄存器即可配置主從模式。液晶顯示器使用SPI通信接口的1.8寸TFT屏。存儲(chǔ)芯片使用AT24C32，是一個(gè)32K位串行CMOS E2PROM，器件通過(guò)IIC總線(xiàn)接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能[4]，內(nèi)部存放體溫和睡眠姿態(tài)數(shù)據(jù)。一個(gè)用戶(hù)按鍵，用來(lái)切換顯示的內(nèi)容，聲光報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器和LED組成。報(bào)警器硬件各部分電路如圖3所示。

3 監(jiān)測(cè)器軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行測(cè)試

3.1 程序流程圖

臂環(huán)程序代碼分為2部分：一是主程序，首先進(jìn)行傳感器初始化后立即進(jìn)入低功耗狀態(tài)。另一部分是定時(shí)器，MPU6050傳感器和體溫傳感器數(shù)據(jù)的采集在定時(shí)器2中每隔200 μs獲取一次，獲取后立即通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

報(bào)警器的程序流程如圖4所示。

開(kāi)機(jī)上電后設(shè)備先初始化，然后開(kāi)始接收臂環(huán)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)自定義協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)將體溫?cái)?shù)據(jù)和睡眠姿態(tài)通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。體溫和睡眠姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)芯片進(jìn)行長(zhǎng)期保存，通過(guò)報(bào)警器的按鍵可隨時(shí)查詢(xún)。

在該系統(tǒng)中，藍(lán)牙模塊發(fā)送的自定義數(shù)據(jù)幀包括7個(gè)字節(jié)，第1字節(jié)0XFF，表示幀頭，第2字節(jié)表示體溫?cái)?shù)據(jù)的十位，第3字節(jié)表示體溫?cái)?shù)據(jù)的小數(shù)位，例如體溫?cái)?shù)據(jù)是37.5℃，那么第2字節(jié)發(fā)送的就是37的十六進(jìn)制數(shù)0X25，第3字節(jié)是5的十六進(jìn)制數(shù)0X05，第4字節(jié)表示睡姿數(shù)據(jù)，規(guī)定0X01是左側(cè)躺，0X02是右側(cè)躺，0X03是仰躺，0X04是臥躺，第5字節(jié)的數(shù)據(jù)，0X01表示從睡眠中醒來(lái)，0X02表達(dá)睡眠狀態(tài)正常、第6字節(jié)、第7字節(jié)預(yù)留，即目前值都為0X00，方便后續(xù)功能的增加，第8字節(jié)為前面除幀頭外的校驗(yàn)和。

3.2 臂環(huán)算法設(shè)計(jì)

臂環(huán)主要監(jiān)測(cè)體溫和睡眠姿勢(shì)。體溫由接觸式傳感器WD3703通過(guò)Single-Line協(xié)議直接傳回，該系統(tǒng)使用中位值平均濾波法，即溫度數(shù)組中去掉最大值和最小值后取平均值。對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由其所引起的采樣值偏差。

睡眠姿勢(shì)的判斷需2個(gè)參數(shù)，一個(gè)是加速度，一個(gè)是傾角。本監(jiān)測(cè)器中，通過(guò)計(jì)算傾角可以監(jiān)測(cè)的睡眠姿勢(shì)有仰躺、臥躺、左側(cè)躺、右側(cè)躺。通過(guò)對(duì)加速度值的處理可以監(jiān)測(cè)嬰幼兒是否從睡眠中醒來(lái)。

每隔20 s主控芯片采集一次MPU6050傳感器的加速度數(shù)據(jù)，把3個(gè)軸加速度的絕對(duì)值求和放入一維數(shù)組，采集8次。當(dāng)?shù)?次采集完8個(gè)數(shù)據(jù)之后，第9個(gè)數(shù)據(jù)則替換原來(lái)數(shù)組中的第1個(gè)數(shù)據(jù)，第10個(gè)數(shù)據(jù)替換原來(lái)的數(shù)組中的第2個(gè)數(shù)據(jù)，以此類(lèi)推，保證數(shù)組中保存的都是最新采集的8個(gè)數(shù)據(jù)。判斷數(shù)組8個(gè)元素之和，若大于某個(gè)閾值，則說(shuō)明孩子手臂動(dòng)作較大，且堅(jiān)持了較長(zhǎng)時(shí)間，判定孩子從睡眠中醒來(lái)。

對(duì)睡眠姿勢(shì)的判定需要獲取傾角數(shù)據(jù)。對(duì)MPU6050傳感器而言，加速度計(jì)對(duì)嬰幼兒手臂動(dòng)作的加速度比較敏感，取瞬時(shí)值計(jì)算傾角誤差比較大，而陀螺儀積分得到的角度不受手臂動(dòng)作產(chǎn)生的加速度影響。但隨著時(shí)間的增加，積分漂移和溫度漂移帶來(lái)的誤差比較大。通過(guò)互補(bǔ)濾波算法可以實(shí)現(xiàn)2種傳感器的缺點(diǎn)互相彌補(bǔ)，互補(bǔ)濾波就是短時(shí)間內(nèi)采用陀螺儀得到的角度做為最優(yōu)，定時(shí)對(duì)加速度采樣的角度進(jìn)行取平均值來(lái)校正陀螺儀得到的角度[5]。長(zhǎng)時(shí)間用加速度計(jì)較為準(zhǔn)確，即加速度計(jì)濾高頻信號(hào)，陀螺儀濾低頻信號(hào)，然后相加得到整個(gè)頻帶的信號(hào)，互補(bǔ)濾波需要選擇切換的頻率點(diǎn)，即高通和低通的頻率。 算法代碼如下所示：

float K2 =0.14;

float x1，x2，y1;

float dt=20*0.001;

float AngleAmend;

void SecondOrderFilter（float Angle_Acce， float Angle_Gyro）

{

x1=（Angle_Acce-AngleAmend）*（1-K2）*（1-K2）;

y1=y1+x1*dt;

x2=y1+2*（1-K2）*（Angle_Acce-AngleAmend）+Angle_Gyro;

AngleAmend=AngleAmend+ x2*dt;

}

其中，K2表示對(duì)加速度取值的權(quán)重;dt表示濾波器采樣時(shí)間;AngleAmend表示二階濾波后的角度;Angle_Acce表示由加速度求出的角度;Angle_Gyro表示角速度。

3.3 監(jiān)測(cè)器的運(yùn)行及測(cè)試

測(cè)試階段對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了4個(gè)睡眠姿勢(shì)的識(shí)別正確率測(cè)試。例如測(cè)試仰躺時(shí)，前一個(gè)睡眠姿勢(shì)隨機(jī)，即可能是左側(cè)躺轉(zhuǎn)仰躺，也可能是右側(cè)躺或者臥躺轉(zhuǎn)仰躺。每個(gè)姿勢(shì)測(cè)試50次。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，算法具備較高的準(zhǔn)確度，能夠滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求。但是仍然存在一定的誤差，算法存在改進(jìn)空間。對(duì)比體溫計(jì)和該監(jiān)測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)，誤差在±0.2 ℃以?xún)?nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該監(jiān)測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)嬰幼兒的體溫，對(duì)于異常的體溫?cái)?shù)據(jù)能夠及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)提醒監(jiān)護(hù)人，同時(shí)記錄的睡眠姿勢(shì)便于提醒父母及時(shí)調(diào)整嬰幼兒的不良睡姿。臂環(huán)和報(bào)警器的連接無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的配對(duì)，對(duì)于老年監(jiān)護(hù)人員使用方式較為友好。但目前該監(jiān)護(hù)器并未實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，且監(jiān)測(cè)的生理參數(shù)不多，未能對(duì)心率、血氧進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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