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，護士會定時對病人的體溫進行測量，若家中有嬰兒或行動不便的老人，監(jiān)護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備
1 硬件設計
由于該設備需長期佩戴于被測人員身體上，對功耗及設備體積的要求較高，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，與設計思想不符，故該設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備工作， 包括網(wǎng)絡連接數(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、標準數(shù)字外設接口、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，符合設計要求。ESP8266 是一個完整且自成體系的 WiFi 網(wǎng)絡解決方案，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
由于該設備核心處理器集成了 WiFi 模塊，故僅需將設備連接WiFi 網(wǎng)絡，即可通過TCP 協(xié)議或UDP 協(xié)議進行數(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。兩種傳輸方式各有優(yōu)劣，故該設備按實際情況分為兩種應用場景，分別為作為醫(yī)療設備及家庭使用。作為醫(yī)療設備使用時，主要用于醫(yī)院中病人體溫的實時監(jiān)測，該情況下接入設備量大且集中，上位機與測量設備處于同一局域網(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)測量設備發(fā)送的信息
家庭使用時，多數(shù)情況下上位機設備與測量設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?，測量設備與上位機均需連接廣域網(wǎng)，測量設備將溫度信息傳輸至云服務器，云服務器再將信息傳輸給目標接收設備，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板設計
電源采用兩顆 1.55V紐扣電池供電，可滿足芯片 2.5～3.3V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 軟件設計
該設備軟件流程如圖 4 所示。設備上電后，先初始化芯片配置，其中包括波特率設定，芯片工作模式設定，I/O 初始化網(wǎng)絡初始化等
初始化完成后，芯片會根據(jù) FLASH 中存儲網(wǎng)絡 SSID 以及PASSWORD 信息自動連接上指定無線網(wǎng)絡 ；網(wǎng)絡連接成功后，根據(jù)不同應用場景，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)的應用；LightSleep 用于 CPU 可暫停的應用；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)包的應用。為降低功耗，完成一次數(shù)據(jù)讀取及發(fā)送后，CPU 進入 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 再次進入Deep-Sleep 模式，等待喚醒進行下一次發(fā)送。
3 上位機程序設計
3.1 演示程序
實現(xiàn)基本功能的演示程序，分為應用于 Windows 操作系統(tǒng)下的程序及移動設備 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，設定好和設備對應的端口即可接收數(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備 MAC 地址，MAC 地址的唯一性可作為區(qū)分設備的較好手段，圖中溫度顯示1 956 即 19.56℃
由于本設備用手機查看數(shù)據(jù)時應處于家庭應用模式，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
圖5 電腦客戶端程序演示圖6 手機程序演示
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，達不到商用化要求，若要應用于商業(yè)推廣，可對程序進行以下改進，以增強用戶體驗 [6]
(1) 美化界面，提高用戶興趣
(2) 多設備信息同時顯示，可根據(jù)設備發(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]。藍牙接入設備數(shù)量有極大地限制，因此限制了其應用場合——無法用于大量設備檢測的情況，典型的應用場景就是醫(yī)院對病人的體溫檢測。除了接入設備限制外，藍牙的傳輸距離也極大限制了其應用范圍。本產(chǎn)品采用WiFi 進行數(shù)據(jù)傳輸，完美地解決了上述問題，WiFi 可接入設備數(shù)量大。當設備通過 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
本文設計了一種新型可穿戴式體溫計的設計方案及具體實現(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行遠程實時監(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用前景
下載文檔
