一種新型可穿戴式體溫計(jì)設(shè)計(jì)

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(wèn)題。醫(yī)院里，護(hù)士會(huì)定時(shí)對(duì)病人的體溫進(jìn)行測(cè)量，若家中有嬰兒或行動(dòng)不便的老人，監(jiān)護(hù)人能隨時(shí)了解他們的體溫狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)送醫(yī)，避免病情惡化尤其是嬰兒，發(fā)熱對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育有極大的影響。故市場(chǎng)需要一款能實(shí)時(shí)測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示溫度信息的設(shè)備

1 硬件設(shè)計(jì)

由于該設(shè)備需長(zhǎng)期佩戴于被測(cè)人員身體上，對(duì)功耗及設(shè)備體積的要求較高，而體溫測(cè)量相對(duì)于工業(yè)溫度測(cè)量，精度要求較低，故硬件設(shè)計(jì)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(cè)溫電路需信號(hào)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(jì)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(jià)格低，符合設(shè)計(jì)要求。DS18B20 與芯片通過(guò)單總線協(xié)議通信 [1] ：寫(xiě)時(shí)序 ：拉低總線 60 μs，再抬高總線 5 μs，完成寫(xiě) 0 操作 ；拉低總線 5 μs，抬高總線 60 μs，完成寫(xiě) 1 操作。讀時(shí)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(gè)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(shí)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(kāi)關(guān)、射頻 balun、功率放大器、低噪放大器、過(guò)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(jì)要求。ESP8266 是一個(gè)完整且自成體系的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可作為從機(jī)搭載于其他主機(jī) [2]。為降低硬件空間，以 ESP8266 為主控芯片進(jìn)行開(kāi)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(guò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，為兩個(gè)通信端點(diǎn)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(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向操作的簡(jiǎn)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(shí)際情況分為兩種應(yīng)用場(chǎng)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(shí)，主要用于醫(yī)院中病人體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該情況下接入設(shè)備量大且集中，上位機(jī)與測(cè)量設(shè)備處于同一局域網(wǎng)中，通信無(wú)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(guò)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(jī)較多故相對(duì)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(jī)能接收到局域網(wǎng)內(nèi)測(cè)量設(shè)備發(fā)送的信息

家庭使用時(shí)，多數(shù)情況下上位機(jī)設(shè)備與測(cè)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(cè)量設(shè)備與上位機(jī)均需連接廣域網(wǎng)，測(cè)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(shí)時(shí)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(jì)

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(shí)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(cè)人員腋下即可，對(duì)被測(cè)人員正常生活無(wú)影響。

2 軟件設(shè)計(jì)

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(huì)根據(jù) FLASH 中存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò) SSID 以及PASSWORD 信息自動(dòng)連接上指定無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ；網(wǎng)絡(luò)連接成功后，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，芯片會(huì)通過(guò) UDP 協(xié)議向局域網(wǎng)內(nèi)所有地址廣播信息或通過(guò) 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(jiàn)表 1 所 列。 其中Modem-Sleep 用于 CPU 一直處于工作狀態(tài)的應(yīng)用；LightSleep 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(zhǎng)時(shí)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(shí)間間隔可根據(jù)實(shí)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(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送的容錯(cuò)性，發(fā)送數(shù)據(jù)后會(huì)啟動(dòng)定時(shí)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(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1 演示程序

實(shí)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(dòng)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(gè) UDP 連接，設(shè)定好和設(shè)備對(duì)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(jiàn)與溫度信息一同傳輸過(guò)來(lái)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(jī)查看數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)處于家庭應(yīng)用模式，故需要手機(jī)連接云平臺(tái)[5]，由于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求低，云平臺(tái)的選擇沒(méi)有苛刻要求，選擇好云平臺(tái)后根據(jù)平臺(tái)提供的開(kāi)發(fā)文檔將手機(jī)及設(shè)備接入云平臺(tái)即可，手機(jī)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(jī)程序演示

3.2 上位機(jī)軟件功能擴(kuò)展

鑒于演示用上位機(jī)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(duì)程序進(jìn)行以下改進(jìn)，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn) [6]

(1) 美化界面，提高用戶興趣

(2) 多設(shè)備信息同時(shí)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(chǔ)，便于隨時(shí)查找被測(cè)人員的溫度信息

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

(5) 溫度超限報(bào)警

(6) 針對(duì)手機(jī) APP可提供一些健康常識(shí)等

4 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

該產(chǎn)品相對(duì)于現(xiàn)階段市場(chǎng)上的產(chǎn)品有諸多優(yōu)勢(shì)，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(cè)人員舒適感較強(qiáng)。除此之外，該產(chǎn)品成本較低，商用后價(jià)格會(huì)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(jià)格低廉、國(guó)際通用的無(wú)線接口 [7]

而對(duì)比于目前市場(chǎng)上用藍(lán)牙傳輸信息的同類(lèi)產(chǎn)品，WiFi 傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)更顯得無(wú)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(chǎng)合——無(wú)法用于大量設(shè)備檢測(cè)的情況，典型的應(yīng)用場(chǎng)景就是醫(yī)院對(duì)病人的體溫檢測(cè)。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(wèn)題，WiFi 可接入設(shè)備數(shù)量大。當(dāng)設(shè)備通過(guò) WiFi 接入廣域網(wǎng)，連接云平臺(tái)后通信距離的問(wèn)題也隨之解決，可讓用戶外出的同時(shí)了解在家中老人或未成年人的體溫狀況

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型可穿戴式體溫計(jì)的設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)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?cái)?shù)據(jù)，對(duì)病人的治療有著積極意義 ；亦可用于家庭，對(duì)老人及未成年人的體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該產(chǎn)品體積小功耗低，成本低，相對(duì)于市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品有極大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有十分良好的應(yīng)用前景