基于近場通信技術(shù)的無線無源體溫傳感器

【作 者】石波，張莉，張根選，曹陽，張賽，李雷

1 蚌埠醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，深圳市，518067

基于近場通信技術(shù)的無線無源體溫傳感器

【作 者】石波1，張莉1，張根選1，曹陽2，張賽1，李雷1

1 蚌埠醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，深圳市，518067

該文設(shè)計(jì)了一種無線體溫傳感器（WBTS），無需單獨(dú)電源供電，使用時(shí)只需將WBTS與具有近場通信（NFC）功能的手機(jī)貼近即可在應(yīng)用程序上實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。WBTS主要由數(shù)字體溫探頭（d-BTP）、NFC模塊和天線三部分組成。d-BTP采用單片芯片實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的采集和處理，NFC模塊和天線實(shí)現(xiàn)NFC手機(jī)和WBTS之間的無線能量傳輸和數(shù)據(jù)通信。d-BTP和NFC模塊之間采用通用異步傳輸收發(fā)器通信協(xié)議，并采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)提高傳輸效率和降低功耗。經(jīng)過測試，在(32～42) ℃范圍內(nèi)，WBTS的誤差為±0.1 ℃。WBTS具有精度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無需獨(dú)立電源供電等特點(diǎn)，可以集成到可穿戴設(shè)備中用于體溫監(jiān)護(hù)和健康管理。

體溫傳感器；近場通信；可穿戴設(shè)備；無源

0 引言

體溫是人體的一項(xiàng)重要生理參數(shù)，許多疾病都可能使體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障礙從而改變體溫，因此，測量體溫并觀察其變化對生理狀態(tài)評(píng)估、疾病診斷或預(yù)后判斷都有重要意義。目前，體溫測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活和臨床。體域網(wǎng)（Body Sensor Networks，BSN）[1]是一種可以進(jìn)行人體生理參數(shù)監(jiān)測和個(gè)人健康管理的網(wǎng)絡(luò)，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以附著或穿戴在人體身上或植入人體內(nèi)部，主要負(fù)責(zé)人體各種生理參數(shù)的采集。體溫傳感器同樣可以作為傳感器節(jié)點(diǎn)集成到可穿戴式設(shè)備中，利用無線傳輸技術(shù)與智能設(shè)備進(jìn)行通信，通過BSN實(shí)現(xiàn)個(gè)人體溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測和管理。無線傳輸技術(shù)主要采用藍(lán)牙進(jìn)行，比如低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low-energy，BLE），可以很好地與IOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的智能設(shè)備進(jìn)行通信。利用藍(lán)牙進(jìn)行體溫測量，傳感器需要獨(dú)立的電源供電，不僅增加了產(chǎn)品的體積，也很難做到很高的防水等級(jí)，不適合集成到可穿戴式設(shè)備中。Opasjumruskit等[2]設(shè)計(jì)了一種基于（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的無線體溫傳感器，無需獨(dú)立電源供電，但是由于智能設(shè)備不支持RFID，需要采用專用的裝置進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)讀取，較難推廣應(yīng)用。近場通信(Near Field Communication，NFC)技術(shù)及在智能設(shè)備中的廣泛應(yīng)用使得體溫監(jiān)測多了一種新的形式。Kollegger等[3]設(shè)計(jì)了一種基于NFC技術(shù)的智能體溫貼，體溫?cái)?shù)據(jù)可在手機(jī)應(yīng)用程序（Application，APP）上顯示，但是在設(shè)計(jì)中并沒有做到真正的無源，而且測量誤差較大。本文基于NFC技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無線體溫傳感器（Wireless Body Temperature Sensor，WBTS），無需單獨(dú)電源供電，使用時(shí)只需將WBTS與NFC手機(jī)貼近即可在APP上實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的采集。

1 方法

1.1 總體設(shè)計(jì)

WBTS采用無源的設(shè)計(jì)理念。在使用時(shí)，將WBTS的天線貼近NFC設(shè)備（如NFC手機(jī)）的天線部位，NFC設(shè)備通過天線發(fā)出的射頻場為WBTS提供工作能量，WBTS上電啟動(dòng)后開始采集體溫?cái)?shù)據(jù)通過天線和NFC模塊傳輸給NFC設(shè)備，并啟動(dòng)APP進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示。設(shè)計(jì)中，WBTS摒棄了傳統(tǒng)的熱敏電阻加測溫電橋的模擬方案，而是采用數(shù)字方法?；谏鲜鏊悸罚琖BTS主要由數(shù)字體溫探頭（Digital Body Temperature Probe，d-BTP）、NFC模塊和天線三部分組成。d-BTP采用單片芯片完成體溫?cái)?shù)據(jù)的采集和處理，NFC模塊和天線與NFC手機(jī)配合實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸和數(shù)據(jù)通信，原理框圖如圖1所示。

1.2 數(shù)字體溫探頭

目前，市場上很多商業(yè)化的芯片都內(nèi)置溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)和微處理器(Microcontroller Unit，MCU)，單片芯片即可實(shí)現(xiàn)溫度的采集、運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)輸出，如Microchip公司PIC12系列和PIC16系列的部分器件。本文選用PIC12LF1822作為傳感器進(jìn)行體溫測量[4]。

1.3 NFC模塊

如今，許多無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)醫(yī)療和數(shù)字健康領(lǐng)域，如Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee、ANT、NFC、RFID等?？紤]到能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和能量的無線傳輸，我們選擇NFC技術(shù)。目前，市場上針對個(gè)人銷售的NFC芯片主要來自恩智浦(NXP)、意法半導(dǎo)體(ST)、德州儀器(TI)等商家。這些商家的NFC芯片大多采用I2C和SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于d-BTP采用通用異步傳輸收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口，因此選用帶有UART接口的NFC芯片可以簡化設(shè)計(jì)。SIC4310是Silicon Craft公司推出的一款帶UART接口的NFC芯片，可通過NFC智能手機(jī)進(jìn)行讀寫操作。SIC4310內(nèi)置RFID模擬前端電路、UART控制器、3.3 V低壓差線性穩(wěn)壓器、228字節(jié)EEPROM等。SIC4310 RFID模擬前端電路支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，通過外接天線可以收集來自射頻場的能量，可為外部電路(如傳感器、MCU)提供高達(dá)10 mA的電源輸入。SIC4310采用QFN封裝，共16引腳，體積僅3 mm×3 mm，與d-BTP連接應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 應(yīng)用電路Fig.2 Application circuit

1.4 天線

天線是無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置，是自由空間和傳輸線的接口。NFC模塊工作于13.56 MHz頻率范圍，其天線是通過近場電磁耦合來傳遞能量和交換信息的，因此可采用繞線線圈作為NFC模塊的天線。

NFC芯片一般呈電容性，假如CC表示芯片的電容，LANT表示線圈天線的電感，RANT表示線圈天線的電阻，則天線線圈可等效為如圖3所示電路模型（不考慮天線的寄生電容）。

圖3 天線等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the antenna coil

圖3所示天線線圈等效電路的阻抗可以表示為

其中，XL為感抗，XC為容抗，可分別表示為

當(dāng)線圈的感抗XL與電容的容抗XC相等時(shí)，該電路具有最小阻抗，電路達(dá)到諧振狀態(tài)，此時(shí)天線可將大部分能量傳輸至NFC設(shè)備，完成能量和數(shù)據(jù)傳輸。諧振頻率可以根據(jù)湯姆遜公式進(jìn)行計(jì)算：

NFC天線工作在13.56 MHz頻段，所以，這里f0應(yīng)該等于13.56 MHz。

在設(shè)計(jì)中， CC可由NFC芯片手冊查得，根據(jù)式（4）可以求得LANT，但是根據(jù)LANT很難設(shè)計(jì)出對應(yīng)的線圈，因?yàn)長ANT取決于線圈的形狀、尺寸、寬度、間距、匝數(shù)、厚度等因素[5]。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往是先確定線圈的形狀，然后根據(jù)對應(yīng)的估算公式計(jì)算出LANT的數(shù)值，再根據(jù)式（4）求出CC。如果求得的CC與手冊提供的不一致，則需外接一個(gè)電容CEXT作為匹配，其值大小可用公式表示為

1.5 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失信息的前提下，通過對原始數(shù)據(jù)編碼，減少分配給該指定信息集合或數(shù)據(jù)樣值集合的空間，以提高數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)效率的一種技術(shù)方法。在心電采集領(lǐng)域，通常對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以提高傳輸和存儲(chǔ)效率[6]。傳統(tǒng)的體溫采集，大多采用模擬探頭，而且由于體溫?cái)?shù)據(jù)采樣率不高，一般不需要采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。本文采用數(shù)字探頭進(jìn)行體溫采集，為了提高傳輸效率，降低探頭的功耗，在體溫?cái)?shù)據(jù)傳輸中也采用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。根據(jù)多國醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用體溫計(jì)測量精度要求為0.1oC，體溫?cái)?shù)值需要用浮點(diǎn)數(shù)來表示，一個(gè)數(shù)值需要占用4個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間。如果按照浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型來傳輸體溫?cái)?shù)據(jù)則會(huì)造成傳輸帶寬資源的極大浪費(fèi)，降低傳輸效率，同時(shí)也會(huì)增加探頭的功耗，增大工作電流，從而影響測量的精度。由于醫(yī)用體溫測量范圍要求至少為（25～45）oC，而且在此范圍應(yīng)該是連續(xù)的。按照測量精度要求，在此范圍共有201個(gè)數(shù)據(jù)集合。而單個(gè)字節(jié)可表示無符號(hào)類型整數(shù)的范圍為0～255，因此可以利用壓縮算法將4個(gè)字節(jié)的浮點(diǎn)型體溫?cái)?shù)據(jù)壓縮到單個(gè)字節(jié)傳輸而精度不受影響。假設(shè)原始體溫?cái)?shù)值為Temp1，經(jīng)過壓縮后的體溫?cái)?shù)值為Temp2，則可采用下列算式實(shí)現(xiàn)壓縮轉(zhuǎn)換。

顯然的，經(jīng)過式（6）轉(zhuǎn)換后，在(25～45)oC范圍內(nèi)所有可能的體溫?cái)?shù)據(jù)均落在0～255之間，可以用單個(gè)字節(jié)通過傳輸導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸至外部設(shè)備，在接收端可采用相應(yīng)的解碼算法進(jìn)行解碼識(shí)別，得到分辨率為0.1oC的體溫?cái)?shù)據(jù)。

1.6 校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是決定測量精度的關(guān)鍵因素之一。考慮到生產(chǎn)成本等因素，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常采用單點(diǎn)校準(zhǔn)和雙點(diǎn)校準(zhǔn)兩種方法。執(zhí)行單點(diǎn)校準(zhǔn)可以更精確地檢測鄰近該點(diǎn)的溫度。人體的體溫是否正常，臨界溫度為37.0oC，因此我們選擇37.0oC為校準(zhǔn)點(diǎn)。我們選用上海平軒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的CH1006型超級(jí)恒溫槽，溫度波動(dòng)為±0.05oC，顯示分辨率為0.01oC，將體溫探頭置入37.00oC的恒溫槽中，以37.00oC為中心校正溫度，達(dá)到穩(wěn)定溫度后，校正輸出值。

2 結(jié)果

基于上述原理設(shè)計(jì)了WBTS，其中d-BTP大小為4 mm × 10 mm，NFC模塊大小為20 mm × 34 mm，實(shí)物如圖4所示。

圖4 WBTS實(shí)物圖Fig.4 The picture of WBTS

為了驗(yàn)證其性能，基于Android系統(tǒng)開發(fā)了手機(jī)APP進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)讀取。圖5為手機(jī)APP的界面，使用的手機(jī)為HTC M8d。

圖5 WBTS手機(jī)APP界面Fig.5 UI of mobile APP of the WBTS

根據(jù)中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0785—2010：臨床體溫計(jì)—連續(xù)測量的電子體溫計(jì)性能要求，使用恒溫水浴槽作為參考水槽進(jìn)行體溫探頭準(zhǔn)確度測試。同樣使用CH1006型超級(jí)恒溫槽分別對設(shè)計(jì)的5個(gè)WBTS進(jìn)行三點(diǎn)(32.00oC、37.00oC、42.00oC)實(shí)際水溫測量，測試結(jié)果如表1所示，單位為oC。在(32～42)oC范圍內(nèi)，誤差為±0.1oC。

Wireless Passive Body Sensor for Temperature Monitoring Using Near Field Communication Technology

【W(wǎng)riters】SHI Bo1, ZHANG Li1, ZHANG Genxuan1, TSAU Young2, ZHANG Sai1, LI Lei1

1 Department of Medical Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu, 233030

2 Dimetek Digital Medical Technologies Co. Ltd., Shenzhen, 518067

In this study, we designed a wireless body temperature sensor (WBTS) based on near field communication (NFC) technology. Just attaching the WBTS to a mobile phone with NFC function, the real-time body temperature of human subjects can be acquired by an application program without seperate power supply. The WBTS is mainly composed of a digital body temperature probe (d-BTP), a NFC unit and an antenna. The d-BTP acquires and processes body temperature data through a micro controller, and the NFC unit and antenna are used for wireless energy transmission and data communication between the mobile phone and WBTS. UART communication protocol is used in the communication between the d-BTP and NFC unit, and data compression technique is adopted for improving transmission efficiency and decreasing power loss. In tests, the error of WBTS is ±0.1oC, in range of 32oC to 42oC. The WBTS has advantages of high accuracy, low power loss, strong anti-interference ability, dispensation with independent power supply etc., and it can be integrated into wearable apparatuses for temperature monitoring and health management.

body temperature sensor, near filed communication (NFC), wearable device, passive

R318.6

A

1671-7104(2017)01-0017-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.005

2016-11-01

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A470)

石波，E-mail: healink@foxmail.com