用智能馬桶實(shí)現(xiàn)體溫測量與亞健康預(yù)測

摘要：比較3種常見體溫計(jì)的測量原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)亞健康的預(yù)測要求，結(jié)合智能馬桶的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用ATmega8、DS18B20和MAX232等器件構(gòu)成一種可長期采集體溫?cái)?shù)據(jù)，自動繪制體溫曲線，跟蹤分析體溫波動趨勢，實(shí)現(xiàn)亞健康預(yù)測的體溫采集系統(tǒng)。見微知著地積極保健，便于及早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防疾病，有利于確診及治療。
關(guān)鍵詞：健康；體溫；數(shù)據(jù)采集；DS18B20；ATmega8

1 引言
    隨著人們對自身健康的重視，亞健康問題越來越受到關(guān)注。亞健康狀態(tài)是人體處于健康與疾病之間的過渡階段。半數(shù)以上亞健康患者容易發(fā)展成高血壓、冠心病、糖尿病等疾病。亞健康逐漸成為人類健康的頭號殺手。

    判斷一個人是否處于亞健康狀態(tài)，需要觀察其生理信號(如體溫)在一段時間內(nèi)是否發(fā)生了不正常的變化，要求人們堅(jiān)持每天做身體檢查，記錄結(jié)果并進(jìn)行判斷，這樣的過程顯得很繁瑣和不方便。筆者提出“智能馬桶”的設(shè)想，將體檢裝置與馬桶結(jié)合起來。人們在如廁過程中即可被自動檢測出生理信號，并將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和判斷。

    由于篇幅問題，下面僅介紹“智能馬桶”中體溫測量部分的設(shè)計(jì)。

2 常見體溫計(jì)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)
2．1 水銀體溫計(jì)
    水銀體溫計(jì)是利用水銀熱膨脹原理制成的。它的示值準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，價格低廉，操作簡單，但容易破碎，測量時間比較長，對急重病患者、老人、嬰幼兒等使用不方便，讀數(shù)比較費(fèi)事，不利于數(shù)據(jù)采集。

2．2 電子體溫計(jì)
    電子體溫計(jì)的核心元件是溫度傳感器，分為分立式溫度傳感器(如熱敏電阻器和熱電偶等)和集成式溫度傳感器(如LM35、AD7416、DS18B20等)。電子體溫計(jì)由溫度傳感器檢測體溫，經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大，調(diào)整為易于處理的電信號，最后由單片機(jī)控制，并根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的擴(kuò)展功能。電子體溫計(jì)可直接以數(shù)字顯示溫度，讀數(shù)直觀，靈敏度高，價格適中，攜帶方便，測溫快捷。但其示值準(zhǔn)確度受電子元件及電池供電狀況等因素的影響。

2．3 紅外輻射式體溫計(jì)
    紅外輻射式體溫計(jì)是基于黑體輻射原理制成的，借助紅外溫度傳感器，測量人體發(fā)出的熱輻射能，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換后，得到對應(yīng)的人體溫度值。紅外輻射式體溫計(jì)可以實(shí)現(xiàn)非接觸、無損傷測溫，但其測量結(jié)果較易受環(huán)境及人活動狀態(tài)的影響，此外，還要求規(guī)范操作，測試要在一定距離范圍內(nèi)才能保證其有效性，價格較貴，難以普及。

3 體溫測量方案的選擇及系統(tǒng)構(gòu)成
    考慮到人的如廁時間短和體檢次數(shù)多，因此，準(zhǔn)確、快捷、方便、可重復(fù)測量成為設(shè)計(jì)者要考慮的首要因素。設(shè)計(jì)中采用電子式體溫測量方案，觸摸式檢測手心或手背溫度，為了使用方便，工藝設(shè)計(jì)中將測溫探頭安裝在智能馬桶的扶手位置，較人性化?，F(xiàn)在市面上的電子體溫計(jì)都沒有數(shù)據(jù)采集口，改裝又較為不便，因此，自行設(shè)計(jì)了帶數(shù)據(jù)接口的體溫計(jì)。

3．1 主電路的選擇
    測溫器件選用美國Maxim公司的DS18B20型單線接口數(shù)字溫度傳感器，一線輸出，可編程9位一12位A／D轉(zhuǎn)換精度，分辨率可達(dá)0．0625~C；有單線數(shù)字式接口，與單片機(jī)連接方便，線路簡單，可靠性高，成本低廉[2]。

    人體體溫在35℃-42℃之間，要如實(shí)反映人體體溫，需要用單片機(jī)對DS18B20的測量值進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換處理，還要控制測量的數(shù)據(jù)顯示、采集、傳輸?shù)取＿@里采用美國ATMEL公司的基于AVR RISC的具有MTP和ISP功能的、低功耗CMOS ATmega8型8位單片機(jī)，其CPU集成了8KB的：Flash，多次在線可編程，512B的．EEPROM和lKB的SRAM等，有利于降低成本[5]。

3．2 系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)
    該系統(tǒng)的硬件由控制器、體溫測量部分、數(shù)碼顯示部分和采集管理部分(PC)組成?？刂破鬟x用了ATmega8型單片機(jī)，測量部分采用DS18B20型溫度傳感器，數(shù)碼顯示是通過直接驅(qū)動HD44780型(標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)陣)LCD來顯示當(dāng)前的人體體溫值，數(shù)據(jù)采集通過RS一232串行通信向PC傳送數(shù)據(jù)，用。MAX232型電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換。PC主機(jī)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理與分析?？梢暬藱C(jī)交互界面根據(jù)收到的體溫?cái)?shù)據(jù)做出體溫曲線并打印，自診斷身體狀況。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3．2．1體溫測量部分
    (1)硬件構(gòu)成
    DS18B20由外部電源供電，通過輸出端DQ將體溫?cái)?shù)據(jù)傳給ATmega8的PC0端口，再由ATmega8進(jìn)行處理，調(diào)用相關(guān)程序，數(shù)碼顯示，同時經(jīng)AT-mega8的PDO(Rx)/PD1(Tx)與PC串口通信以實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)采集。

    (2)DS18B20內(nèi)部設(shè)置
    對人體體溫測量的精度需達(dá)到0．1℃，因而選取DS18B20精度為默認(rèn)狀態(tài)，即12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，分辨率為O．0625℃，轉(zhuǎn)換時間是750ms，以保證能夠精確快速測量體溫，同時配置寄存器設(shè)置為78H。

    (3)DS18B20的軟件設(shè)計(jì)
    ATmega8使用8MHz外部時鐘，由于DS18B20與單片機(jī)之間采用的是串行數(shù)據(jù)傳送，因而在對DS18B20進(jìn)行讀寫操作時只能靠嚴(yán)格的時序脈沖信號進(jìn)行，按照DS18B20的時序，嚴(yán)格遵循一線式總線協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)智能化主要依靠數(shù)據(jù)處理程序。DS18B20的部分程序采用匯編語言設(shè)計(jì)，適當(dāng)設(shè)置時隙，保證時序。

    在程序設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確讀取溫度是關(guān)鍵，對每組數(shù)據(jù)(9字節(jié))都進(jìn)行CRC校驗(yàn)。該數(shù)據(jù)先從低字節(jié)最低位開始，再以高字節(jié)最高位結(jié)尾。程序中將溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分離并單獨(dú)進(jìn)行處理。

3．2．2溫度標(biāo)定與精度處理
    (1)溫度標(biāo)定
    體溫信號由DS18B20測量，將測量數(shù)據(jù)傳給ATmega8進(jìn)行相應(yīng)處理，存入ATmega8的。EEP-ROM，顯示并上傳給PC主機(jī)。考慮到每個DS18B20中存在系統(tǒng)誤差，因此首次使用裝置時，需對其進(jìn)行校正并將測量值換算為體溫，因此需要進(jìn)行溫度標(biāo)定。首先將DS18B20與水銀溫度計(jì)一同放入溫水中，改變水溫并分別測定和校正，再執(zhí)行標(biāo)定程序?qū)囟扔?jì)讀數(shù)由鍵盤輸入，啟動DS18B20并自動將溫度對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值讀入ATmega8的EEPROM內(nèi)存，溫度轉(zhuǎn)換值的對應(yīng)值自動存儲，再執(zhí)行處理程序，計(jì)算出回歸方程的各個系數(shù)，并存儲在另一文本中，開啟使用時控制器自動調(diào)用查詢。標(biāo)定出各個整數(shù)點(diǎn)的溫度數(shù)值以減少器件本身及外部環(huán)境帶來的非線性誤差，提高輸出準(zhǔn)確度。

    (2)精度處理
    DS18B20完成對溫度的測量，以16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，默認(rèn)以0．0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。高速暫存器的字節(jié)O、l存儲數(shù)據(jù)格式如下：
   

    溫度算法是SSSSS=0，溫度大于0℃，具體值為T=[(B＆7)x256+A]x0．0625℃。

    整數(shù)部分和小數(shù)部分單獨(dú)處理。為了提高測量精度，DS18B20采用12位A/D轉(zhuǎn)換方式，百分位的數(shù)據(jù)采用“四舍五入”的原則處理。這樣，溫度的顯示范圍為35．0℃-42．O℃，精度可達(dá)0．1℃，符合要求。

3．2．3采集管理(PC管理)
    體溫測量和存儲后，通過串口收發(fā)，將體溫?cái)?shù)據(jù)傳送到PC主機(jī)進(jìn)行分析和處理。收發(fā)數(shù)據(jù)以9600bit/s波特率傳送給PC主機(jī)。Visual C++6．O編程，得到可視化人機(jī)界面，界面采用主菜單方式，具有提供數(shù)據(jù)曲線、存儲和打印等功能。

4 亞健康預(yù)測依據(jù)及判別
    人的正常體溫在37℃左右，波動范圍是36．5℃-37.3℃，每日體溫變化不超過1℃。鑒于體溫受諸多因素的影響，如年齡、性別、季節(jié)和晝夜變化等，加上不同個體間的差異，很難確立具體統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。大都以37℃為中心，高低呈正態(tài)分布，即使有偏離，肌體也會在較短的時間內(nèi)回到37℃左右。當(dāng)身體處于亞健康狀態(tài)或其他一些疾病的潛伏期時，肌體內(nèi)部肯定會有不易察覺的先兆，可能表現(xiàn)為體溫波動長期異常即長時間偏高或偏低。對體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行長期記錄并繪出體溫曲線，就是為了跟蹤這種異?，F(xiàn)象。

    根據(jù)各組體溫值進(jìn)行曲線擬合，經(jīng)過比較，設(shè)計(jì)中采用5點(diǎn)3次移動平均法平滑體溫曲線，其平滑度好，速度快，且精度較高。5點(diǎn)3次移動平滑公式如下：

   
    式中，Ti是平滑處理后的各點(diǎn)體溫值，ti是實(shí)際體溫測量值。

    計(jì)算機(jī)在處理每組數(shù)據(jù)過程中，以正常人的體溫變化為依據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)體溫長期偏高或偏低，或者臨界范圍附近呈上升或下降趨勢，則表示身體有異常，就會自動提醒主人去醫(yī)院檢查或就診，從某種意義上克服了點(diǎn)測量的局限性，可具體直觀地反映身體狀況。


     圖2中的數(shù)據(jù)及曲線是設(shè)計(jì)中的1次測試結(jié)果。虛線是根據(jù)實(shí)測體溫值直線連接得到的，實(shí)線是經(jīng)過平滑處理后的體溫曲線。體溫?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

    根據(jù)體溫曲線可以直觀地看出被測者25天內(nèi)的體溫變化趨勢：從第2天開始，體溫逐漸上升，但在正常范圍內(nèi)，第8天到第11天的體溫變化較大，此后的十幾天里一直在37．4℃左右徘徊，遠(yuǎn)高于37℃，這表明被測者已有連續(xù)2個星期持續(xù)體溫偏高即處于低熱狀態(tài)，而且曲線走勢趨于穩(wěn)定，以后還有可能繼續(xù)下去，這就說明身體有問題。據(jù)相關(guān)醫(yī)學(xué)資料可知，被測者(男)極有可能有結(jié)核病或炎癥等疾病。當(dāng)然也可以根據(jù)需要，一天內(nèi)采集多次，做出更精確的記錄和體溫曲線。下一步是繼續(xù)完善程序，平滑曲線，結(jié)合醫(yī)學(xué)的相關(guān)指標(biāo)，增強(qiáng)判據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性。
 
    還可以根據(jù)需要，幾天內(nèi)每天多次采樣，做出更精確的記錄和體溫曲線，觀察體溫變化，比較上、下午體溫。人的正常體溫一般下午比上午高0．17℃(腋窩溫)，還可看體溫變化是否超過1℃，如果多次超過1℃則視為不正常。亞健康的一種明顯癥狀是體溫異常，下午的體溫常在36℃～38℃，這些可作為輔助手段，通過測得的體溫曲線容易判斷。

5 結(jié)束語
    筆者設(shè)計(jì)的智能馬桶可以實(shí)現(xiàn)對亞健康的自動預(yù)測。較之一年一次的體檢，偶爾的檢查，被動地預(yù)防疾病，防患于未然的積極保健意識顯然更具有實(shí)際意義。而與計(jì)算機(jī)互連，以整合信息并控制，亦是家電信息化的必然趨勢；健康儀器借助于計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)，在一定期間的跟蹤觀測更具客觀性。存儲的數(shù)據(jù)或打印的曲線又可為醫(yī)生進(jìn)一步確診提供詳細(xì)憑據(jù)，具有一定的實(shí)用價值。隨著家用電器逐步信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，智能馬桶將會逐步進(jìn)入日常生活，成為人們關(guān)注自身健康的好幫手。