智能基礎(chǔ)體溫計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海電機(jī)學(xué)院 李 　 凡 莫然龍 姜　 猛 馬士杰 黎 　 明

探索與觀察

智能基礎(chǔ)體溫計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海電機(jī)學(xué)院 李 凡 莫然龍 姜 猛 馬士杰 黎 明

為了解決傳統(tǒng)體溫計(jì)在數(shù)據(jù)響應(yīng)和測(cè)溫簡(jiǎn)便快捷方面的不足，設(shè)計(jì)了一款基于紅外溫度傳感技術(shù)的智能體溫計(jì)，能夠滿足備孕女性隨時(shí)掌握基礎(chǔ)體溫微小變化的需求。該體溫計(jì)采用MLX90614紅外傳感器、MSP430F4250單片機(jī)和低功耗藍(lán)牙模塊相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過模擬UART串口方式與MLX90614進(jìn)行通信，將采集的溫度數(shù)據(jù)處理后，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED液晶模塊顯示當(dāng)前體溫，最后通過低功耗藍(lán)牙模塊將體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP上，實(shí)時(shí)顯示并記錄數(shù)據(jù)，形成體溫值記憶曲線。該智能體溫計(jì)可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，將體溫計(jì)置于額頭處一秒即可獲取體溫值，可精確到0．1℃。經(jīng)過測(cè)試，該基礎(chǔ)體溫計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)符合人體測(cè)溫需求。

MLX90614；備孕；體溫計(jì)；單片機(jī)

引言

體溫計(jì)與人們的日常生活息息相關(guān)，一個(gè)人的身體健康狀況可以通過測(cè)量體溫來判別，因此體溫計(jì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)有的體溫計(jì)主要有：水銀體溫計(jì)、電子體溫計(jì)及紅外電子體溫計(jì)等三種類型。

水銀體溫計(jì)是最為常見的類型，它是利用汞受熱膨脹的原理制成的。當(dāng)體溫計(jì)中的水銀受到體溫加熱后，體積慢慢膨脹使玻璃管內(nèi)的水銀柱高度發(fā)生變化。這種體溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是體溫計(jì)玻璃易碎，水銀若揮發(fā)則具有毒性。

電子體溫計(jì)是專用傳感器制成的，通過將某些物質(zhì)的物理參數(shù)與環(huán)境溫度之間進(jìn)行一定的關(guān)系確定，將測(cè)得的體溫以數(shù)字的形式顯示出來。這種體溫計(jì)測(cè)溫反應(yīng)迅速，在醫(yī)院中得到應(yīng)用廣泛。它的不足之處在于溫度數(shù)據(jù)易受到環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫差大時(shí)測(cè)量精度會(huì)降低。

紅外測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用到體溫測(cè)量領(lǐng)域，使得體溫測(cè)量更快、更精確、更安全。這種體溫計(jì)采用傳感器能夠吸收人體輻射出的紅外線，通過非接觸的方式感應(yīng)測(cè)得人體體溫，不會(huì)對(duì)人的身體產(chǎn)生傷害。日前，最新出爐的一款專為嬰幼兒設(shè)計(jì)的名為“寶護(hù)圈”的紅外接觸式體溫計(jì)應(yīng)用的就是紅外測(cè)溫技術(shù)，通過接觸式測(cè)溫將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，父母可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到寶寶的體溫變化。

隨著社會(huì)的發(fā)展，各種各樣的體溫計(jì)浮現(xiàn)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，每種體溫計(jì)總會(huì)有其不足之處。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：很多女性覺得自己對(duì)備孕時(shí)機(jī)和備孕體溫把握不夠準(zhǔn)確，認(rèn)為傳統(tǒng)的體溫計(jì)很難準(zhǔn)確的測(cè)出自己體溫的微小變化，而且測(cè)溫過程比較麻煩，需要花費(fèi)太多時(shí)間。正是為了順應(yīng)這一趨勢(shì)和需求，本文針對(duì)目前最常用的體溫計(jì)的不足，設(shè)計(jì)出一款針對(duì)備孕女性的高效、高精度、高安全性的體溫計(jì)。該非接觸式紅外傳感智能體溫計(jì)打開了傳統(tǒng)體溫測(cè)量的枷鎖，無需接觸也不再需要耗費(fèi)太多時(shí)長(zhǎng)來獲取體溫值，只需要短短1秒，就可以準(zhǔn)確響應(yīng)并顯示，再配合手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用客戶端，可實(shí)現(xiàn)體溫實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，通過記憶曲線可查看近一周的體溫變化情況，方便備孕女性對(duì)隨時(shí)掌握特殊時(shí)期的基礎(chǔ)體溫變化。

1　 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以MSP430F4250單片機(jī)為核心，利用紅外溫度傳感器MLX90614進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集[1]，數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理后轉(zhuǎn)LED顯示，同時(shí)可通過實(shí)體按鍵觸發(fā)單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至APP形成體溫記憶曲線。該設(shè)計(jì)主要由五大模塊組成：紅外溫度采集模塊、單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、LED顯示模塊、APP。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　 系統(tǒng)框圖

2　 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

基于單片機(jī)的非接觸式和從整體到局部再到整體的設(shè)計(jì)思想[2]，硬件電路設(shè)計(jì)原理：按下電源開關(guān)供以系統(tǒng)3V電源，LED液晶顯示屏亮，初始化顯示上一次體溫值。當(dāng)MLX90614溫度傳感器將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)傳感器內(nèi)部放大、A/D轉(zhuǎn)換后，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)再處理，通過設(shè)置一個(gè)觸發(fā)按鍵，當(dāng)按下該鍵后，體溫?cái)?shù)據(jù)會(huì)發(fā)送至LED液晶模塊顯示，同時(shí)藍(lán)牙模塊啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，等待APP接收。

MLX90614是Melexis公司新近生產(chǎn)的一種高精度的測(cè)溫芯片，由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP單元、脈寬調(diào)制電路及邏輯控制電路構(gòu)成[3]。利用物體的熱輻射特性，將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來，將其工作端排列在很小的面積上，參考端分布在外圍，使入射紅外線照射在工作端，參考端處于掩蔽場(chǎng)所，這樣由熱電偶輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算放大器后送給A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出的16位數(shù)字量經(jīng)過低通濾波器處理后輸出，該輸出作為測(cè)量結(jié)果保存內(nèi)部RAM單元中，可以通過模擬UART串口方式讀取;同時(shí)測(cè)量結(jié)果送到后級(jí)數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制電路，將測(cè)試結(jié)果以PWM方式輸出[4]。該傳感器是輻射測(cè)溫中最精確的一種，并且感應(yīng)迅速，在溫度范圍為+32℃～+42℃時(shí)，測(cè)量絕對(duì)精度為±0.1℃，適合用于人體體溫測(cè)量。

單片機(jī)主要是要解決微控和低功耗兩個(gè)問題。參閱資料后發(fā)現(xiàn)，TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗混合信號(hào)處理器MSP430F4250單片機(jī)在低功耗上效果顯著，它在存儲(chǔ)和運(yùn)行上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以完美地配合MLX90614傳感器獲取體溫?cái)?shù)據(jù)。MSP430F4250單片機(jī)，其電源電壓采用1.8～3.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA，活動(dòng)模式耗電 250μA/MIPS，I/O輸入端口漏電流最大僅50nA。由于該單片機(jī)沒有集成UART串口通信，所以在單片機(jī)設(shè)計(jì)的主程序中需采用中斷法模擬出一個(gè)串口，在中斷服務(wù)程序中，先設(shè)置中斷的初始化（包括數(shù)據(jù)發(fā)送的波特率，發(fā)送和接收引腳），利用捕獲/比較器來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)捕獲/比較器在捕獲模式(CCTL0 & CCIS0)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入接收模式；當(dāng)捕獲/比較器處于比較模式時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入發(fā)送模式。利用單片機(jī)的超低功耗特性，設(shè)定處在接收模式時(shí)，使CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有當(dāng)有串口中斷觸發(fā)時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)接收模式，這樣大大降低了系統(tǒng)的功耗。與此同時(shí)，LED顯示器也進(jìn)行初始化，等待接收顯示體溫?cái)?shù)據(jù)。

體溫?cái)?shù)據(jù)采集到并經(jīng)單片機(jī)處理后。接下來的任務(wù)就是將體溫值顯示出來，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，為適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用由3V電壓起電的OLED液晶顯示屏，它具備自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快等特性，加載進(jìn)單片機(jī)模塊后可方便快捷的實(shí)現(xiàn)將溫度傳感器獲取的體溫?cái)?shù)據(jù)顯示出來，并且可以達(dá)到節(jié)能的效果[6]。加上顯示區(qū)域只需適應(yīng)溫度數(shù)據(jù)的字符，采用LED將極大的縮小硬件空間。

為達(dá)到數(shù)據(jù)無線傳輸效果，藍(lán)牙模塊是必不可少的，藍(lán)牙BLE--CC41--A （藍(lán)牙4.0）芯片是一種新型的超低功耗模塊（自動(dòng)休眠模式下，待機(jī)電流 400uA～1.5mA傳輸時(shí)8.5mA），該模塊采用美國(guó)TI公司CC2541芯片，配置256KB空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范。支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、 配對(duì)密碼等參數(shù)，使用靈活。在系統(tǒng)中使用“AT+SLEEP ”指令使藍(lán)牙模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，既可精準(zhǔn)傳輸溫度數(shù)據(jù)又可降低整體硬件電路的功耗[7]。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

為了將體溫計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和記錄下來，利用Eclipse軟件設(shè)計(jì)出適應(yīng)于android系統(tǒng)的APP。該APP主要實(shí)現(xiàn)連接藍(lán)牙信號(hào)，接收并處理顯示體溫值和形成數(shù)據(jù)記憶曲線三大功能。備孕女性可以通過APP實(shí)時(shí)查看自己近一周的體溫變化，準(zhǔn)確把握備孕時(shí)機(jī)，

利用Eclipse軟件開發(fā)出APP界面，利用JAVA數(shù)據(jù)連接方法將單片機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和打包在APP前端界面顯示出來[8]。實(shí)時(shí)溫度與記憶曲線通過方法繼承，將數(shù)據(jù)保存和顯示在內(nèi)存中。

為了實(shí)現(xiàn)android客戶端與體溫計(jì)的藍(lán)牙連接，通過代碼判斷android設(shè)備是否支持藍(lán)牙功能，若支持，則打開藍(lán)牙，并開始掃描周邊藍(lán)牙設(shè)備，選擇需要連接的體溫計(jì)設(shè)備信號(hào)，待連接成功后，即可接收并顯示體溫計(jì)發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)繪成曲線圖。

通過調(diào)用Google提供的Bluetooth4.0的API中的BluetoothGatt方法連接設(shè)備，發(fā)現(xiàn)服務(wù)，并把相應(yīng)的屬性返回到BluetoothGattCallback。顯示曲線圖時(shí)，導(dǎo)入Google提供的開源圖表庫中AchartEngine方法，通過調(diào)用AchartEngine方法即可將從體溫計(jì)接收到的數(shù)據(jù)繪制成記憶曲線圖。

3　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)整體測(cè)試將通過三個(gè)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)：

（1）將設(shè)計(jì)完成的紅外智能體溫計(jì)與熱電偶高精度體溫計(jì)同時(shí)測(cè)量水溫和額頭的溫度，測(cè)試智能體溫計(jì)的靈敏度和精度。

（2）紅外智能體溫計(jì)設(shè)計(jì)了手動(dòng)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)的按鈕，在測(cè)溫區(qū)域觸發(fā)按鈕，將實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)顯示體溫值，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至APP上顯示并記錄。

（3）體溫計(jì)在未工作狀態(tài)將智能進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

針對(duì)以上指標(biāo)，紅外體溫計(jì)以水溫和額頭溫度為檢測(cè)目標(biāo)，進(jìn)行了測(cè)試，與熱電偶測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1、表2所示。

表1　 水溫測(cè)試結(jié)果

表2　 女性正常情況額頭表面測(cè)試結(jié)果

從上表中可以看出：采用MLX90614設(shè)計(jì)的智能體溫計(jì)的測(cè)溫精度和穩(wěn)定性比熱電偶高，并且實(shí)際的響應(yīng)速度也具有很大優(yōu)勢(shì)。

將紅外智能體溫計(jì)置于額頭處以按鍵的形式測(cè)溫，實(shí)際測(cè)試效果符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)物圖見圖2、圖3、圖4。

圖2　 女性額頭正常測(cè)溫實(shí)物圖一

圖3　 女性額頭正常測(cè)溫實(shí)物圖二

圖4　 APP體溫記憶曲線

通過手動(dòng)操作，可以實(shí)現(xiàn)將體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到APP上立即顯示，并自動(dòng)生成體溫記憶曲線。按照備孕女性排卵前，孕激素少，體溫呈低溫趨勢(shì)，一般為36.2℃。排卵后，體溫急劇上升，一般增高幅度為0.3℃～0.6℃，使基礎(chǔ)體溫達(dá)到36.7℃，呈高溫趨勢(shì)的規(guī)律，對(duì)紅外傳感器算法進(jìn)行了修改，適應(yīng)于女性體溫的變化參數(shù)。整體來說，本次設(shè)計(jì)的智能體溫計(jì)已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)了非接觸、響應(yīng)快、實(shí)時(shí)傳輸、記錄數(shù)據(jù)的效果。相比于傳統(tǒng)的接觸式溫度計(jì)，這款智能體溫計(jì)彌補(bǔ)和加強(qiáng)了測(cè)溫的效果，預(yù)計(jì)將滿足備孕女性體溫監(jiān)控的需求。

4　 結(jié)論

這款智能體溫計(jì)采用低功耗設(shè)計(jì)，通過程序算法設(shè)定，達(dá)到了針對(duì)備孕女性特殊時(shí)期體溫變化的測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)了體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。很多上班的女性都煩于繁瑣的體溫測(cè)量，該體溫計(jì)可以完美地彌補(bǔ)傳統(tǒng)體溫測(cè)量設(shè)備的弊端，只需一秒，就可以實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄體溫，而且精度達(dá)到0.1℃。有助于備孕女性更加精準(zhǔn)地把握自己體溫的變化情況。

智能體溫計(jì)設(shè)計(jì)分為硬件實(shí)現(xiàn)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件部分通過采用紅外傳感器技術(shù)來采集體溫?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)低功耗單片機(jī)處理后送LED液晶顯示體溫值，同時(shí)利用藍(lán)牙模塊發(fā)送體溫?cái)?shù)據(jù)，整個(gè)過程比傳統(tǒng)溫度計(jì)更加快捷、方便、準(zhǔn)確。軟件部分通過接收藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并在APP上顯示，多次測(cè)量的結(jié)果可形成數(shù)據(jù)記憶曲線，通過曲線走勢(shì)圖可以很清楚的查看近一周的體溫變化。

對(duì)于該體溫計(jì)的設(shè)計(jì)，尚需完善體溫?cái)?shù)據(jù)采集精度算法，有必要時(shí)可以加入語音模塊。APP的數(shù)據(jù)記錄部分有待改進(jìn)，目前只能顯示和記錄短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，在日后技術(shù)成熟了，將會(huì)一步步精確實(shí)現(xiàn)各個(gè)細(xì)節(jié)。

[1]宋念龍,李琦,張新雨,李倩,王靜．基于紅外傳感器陣列的智能溫度傳感器研究[J]．2010,12．

[2]蘇波,黃新．基于多紅外傳感器的智能溫度測(cè)試裝置設(shè)計(jì)[J]．2012．

[3]沈國(guó)彥,宋平．紅外溫度計(jì)測(cè)量體溫方法探討[J]．儀表技術(shù),2003,3．

[4]楊波,陳憂先．熱釋電紅外傳感器的原理和應(yīng)用[J]．激光雜志,2008,6．

[5]肖金球．單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．清華大學(xué)出版社,2002．

[6]李良成,張永順,張瑕．基于MSP430單片機(jī)的液晶顯示[J]．2006,12．

[7]錢志鴻,劉丹．藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述[M]．2012,4．

[8]Kathy Sierra,Bert Bates．Head First Java[M]．Paw Prints出版,2008,5．29．