基于DS18820體溫測(cè)量智能服裝的研究

      系到  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(guó)內(nèi)外醫(yī)院對(duì)人體體溫測(cè)量仍然采用傳統(tǒng)的水銀溫度汁進(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(zhǎng)(5 min左右)以及測(cè)量的方式受限制等缺點(diǎn)；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(guó)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。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紿醫(yī)院和其家屬?gòu)亩鸬结t(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。

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DS18820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Ⅲ。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。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

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DS18820，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。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。

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。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(jiǎn)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DS18820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)DS18820進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位成功后CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)等待16～60μs左右，然后發(fā)出60～240μs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。

    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)?strong>DS18820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。
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。

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Lab－VIEW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，其上位機(jī)的監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

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)，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。