全天候便攜式體溫監(jiān)測儀

高 健，穆平安，戴曙光

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

?

全天候便攜式體溫監(jiān)測儀

高 健，穆平安，戴曙光

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

設(shè)計(jì)了一款可穿戴的基于MLX90614紅外溫度傳感器的體溫監(jiān)測儀，用于監(jiān)測體溫狀況。以低功耗單片機(jī)STC12LE5620AD為核心，采用MLX90614紅外溫度傳感器測量人體體溫，將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，并將處理過的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)終端，利用終端APP記錄溫度數(shù)據(jù)，繪制出溫度曲線。該體溫監(jiān)測儀采用低功耗設(shè)計(jì)，大幅降低了儀器功耗，提高了待機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了可穿戴的全天候監(jiān)測。試驗(yàn)測得精度為±0.2 ℃，待機(jī)時(shí)間約為500 h。

MLX90614；紅外測溫；全天候監(jiān)測；及時(shí)預(yù)警；低功耗；可穿戴

本文研究的全天候便攜式體溫監(jiān)測儀以具有超低功耗的STC12LE系列單片機(jī)為核心，充分利用單片機(jī)外圍模塊的特性，通過低功耗設(shè)計(jì)，大幅降低儀器功耗，實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測，并且通過終端APP記錄溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度曲線，及時(shí)預(yù)警異常溫度。該監(jiān)測儀體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、由電池供電，患者可隨身攜帶，隨時(shí)監(jiān)測體溫的變化情況[1-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該全天候便攜式體溫監(jiān)測儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，其硬件結(jié)構(gòu)由STC12LE5620AD單片機(jī)模塊，紅外測溫模塊MLX90614、電源模塊，OLED顯示模塊和藍(lán)牙模塊組成。STC12LE5620AD單片機(jī)作為處理器，負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、控制顯示等過程[4-8]；MLX90614紅外測溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給STC12LE5620AD單片機(jī)[9-10]；OLED顯示模塊把測量的溫度值直觀地顯示給觀測者；電源模塊負(fù)責(zé)本腕部體溫檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源的供應(yīng)；最后藍(lán)牙模塊將異常體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給終端[11-12]。

該全天候便攜式體溫監(jiān)測儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 低功耗設(shè)計(jì)

2.1 主要低功耗元器件

由于該體溫監(jiān)測儀佩戴于腕部，由電池供電，所以此儀器尺寸和功耗均不宜過大。所以在選擇處理器時(shí)要優(yōu)先考慮尺寸和功耗的問題。本文選用STC12LE系列單片機(jī)，其體積為9 mm×9 mm×1.5 mm,工作電流5 mA，功耗較低，適用于本監(jiān)測儀[9-10]。

設(shè)計(jì)基于低功耗的原則，藍(lán)牙部分采用深圳大夏龍雀科技有限公司的DX-BT05-A 4.0，其采用美國TI公司的CC2541芯片，配置 256 kB 空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范，低電壓3.3 V工作，工作電流相對于藍(lán)牙3.0降低幅度較大[7]。

2.2 低功耗電路設(shè)計(jì)

該體溫監(jiān)測儀系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。硬件電路主要由單片機(jī)處理電路、紅外測溫電路、電源電路、OLED顯示電路、藍(lán)牙無線通訊電路和晶振復(fù)位電路組成[4-6]。

為減少在降壓過程中損失的功耗，所以選擇了壓降較低的XC6206P332MR芯片，并且為了能夠穩(wěn)定輸出電壓，設(shè)計(jì)的降壓電路如圖3所示。由于本體溫監(jiān)測儀多用于室內(nèi)環(huán)境，噪聲干擾較小，因此只需濾去電源的紋波即可。鋰電池經(jīng)過Cin1對輸入電源進(jìn)行濾紋波處理后，經(jīng)過降壓芯片XC6206P332MR轉(zhuǎn)換且經(jīng)過C4濾波后，得到穩(wěn)定的3.3 V供電電壓[8]。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

圖3 降壓電路

2.3 低功耗軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)顯示屏上的溫度值每2 s刷新一次，因此溫度值每兩次刷新之間會(huì)空閑大量的時(shí)間，這樣造成了能量浪費(fèi)。所以設(shè)計(jì)程序時(shí)，如果為空閑時(shí)間，則使用定時(shí)器使單片機(jī)進(jìn)入空閑模式，從而降低單片機(jī)功耗。經(jīng)測試，使用軟件使單片機(jī)進(jìn)入空閑模式，儀器的功耗降低了約60%。

3 軟件設(shè)計(jì)

該體溫監(jiān)測儀的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將一個(gè)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)分成幾個(gè)相對簡單的部分予以解決。

3.1 主程序模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)體溫監(jiān)測儀接通電源時(shí)，STC12LE5620AD單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，開始運(yùn)行該程序。該程序首先對STC12LE5620AD初始化，然后判斷是否是紅外測溫，若進(jìn)行紅外測溫，則通過顯示屏將計(jì)算的溫度值顯示，并等待結(jié)束測溫命令，再判定是否結(jié)束測量。若沒有進(jìn)行測溫，若收到結(jié)束命令則返回開機(jī)顯示，重新判斷[15]。

圖4 主程序模塊工作的流程圖

3.2 SMBus協(xié)議

軟件通過SMBus協(xié)議對MLX90614進(jìn)行讀/寫，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進(jìn)行，發(fā)送流程為按位每次從高位到低位發(fā)送一個(gè)字節(jié)，然后判斷對方是否有響應(yīng)，如果有響應(yīng)就接著按位發(fā)送下一個(gè)字節(jié)；如果沒有響應(yīng)，重發(fā)一定次數(shù)該字節(jié)，直到有響應(yīng)，再按位發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，如果多次重發(fā)后，仍然沒有響應(yīng)，就結(jié)束。具體讀寫流程如圖5所示，軟件正是按流程對MLX90614中的EPROM及RAM讀取寫人MLX90614屬性和讀取被測物體溫度值。

3.3 手機(jī)終端APP設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)測儀測得當(dāng)前體溫后，便將所測溫度數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，手機(jī)終端將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為了能直觀的觀察體溫變化情況，以及當(dāng)用戶體溫發(fā)生異常時(shí)，能及時(shí)的提醒用戶，設(shè)計(jì)了一個(gè)能繪制溫度曲線并具備預(yù)警功能的手機(jī)APP。該APP是基于Java的Android APP，其設(shè)計(jì)思路是將手機(jī)收到的溫度數(shù)據(jù)按時(shí)間點(diǎn)繪制成一條溫度曲線，并預(yù)設(shè)報(bào)警溫度為37.2 ℃，當(dāng)體溫超過預(yù)設(shè)值時(shí)，手機(jī)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，并且APP會(huì)推送一條通知消息在手機(jī)上，起到預(yù)警的作用。

圖5 Android上位機(jī)程序

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用高精度水銀溫度計(jì)與本測溫系統(tǒng)，對隨機(jī)的6個(gè)人在同一天的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行體溫測量，同時(shí)在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測量，盡量降低外界環(huán)境對體溫的影響，從而得到準(zhǔn)確的對比結(jié)果。從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，MLX90614DCC的測量精度能達(dá)到±0.1℃，需要注意的是，在測量時(shí)需將探頭前端盡量靠近人體，不超過2 cm，以保證精度。

表1 水銀溫度計(jì)測溫結(jié)果 /℃

表2 紅外溫度傳感器測溫結(jié)果 /℃

實(shí)驗(yàn)時(shí)，接入萬用表，可測得系統(tǒng)工作時(shí)電流大小。表3為程序優(yōu)化前儀器工作時(shí)電流大小及待機(jī)時(shí)間，表4為程序優(yōu)化后儀器工作時(shí)電流大小及待機(jī)時(shí)間。分別接入5塊滿電量鋰電池，對系統(tǒng)電流進(jìn)行測量，由表3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，處理前，系統(tǒng)工作電流約為5 ，處理后，系統(tǒng)工作電流約為2 ，經(jīng)過處理，儀器的功耗降低約60%，待機(jī)時(shí)間提高了170%，降低了電池的更換頻率或充電頻率。

表3 程序優(yōu)化前系統(tǒng)工作電流及待機(jī)時(shí)間

表4 程序優(yōu)化后系統(tǒng)工作電流及待機(jī)時(shí)間

當(dāng)體溫超過預(yù)設(shè)值時(shí)，手機(jī)終端APP便會(huì)推送一條通知消息到用戶的手機(jī)上，起到預(yù)警作用。

圖6 APP預(yù)警信息

5 結(jié)束語

采用非接觸測溫的紅外溫度傳感器MLX90614，設(shè)計(jì)了一種全天候體溫監(jiān)測儀。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：該監(jiān)測儀的軟硬件設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，測量范圍在30～50 ℃，相對誤差不超過0.2 ℃；本監(jiān)測儀可實(shí)現(xiàn)24 h對人體的體溫進(jìn)行監(jiān)測，并且繪制溫度曲線，可直觀的觀察體溫變化情況，一旦體溫發(fā)生異常，便會(huì)報(bào)警且通知用戶。該監(jiān)測儀的功耗低，提高了待機(jī)時(shí)間，另外，通過藍(lán)牙通訊方式，傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)，保證了通訊的準(zhǔn)確度。

[1] 姚泰.生理學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2003.

[2] 邵榮雅,姚蘊(yùn)伍.60例外科病人不同時(shí)問體溫測量結(jié)果[J].浙江預(yù)防醫(yī)學(xué),2000,12(11):55-57.

[3] 胡榮.體溫測量法之比較[J].國外醫(yī)學(xué)護(hù)理學(xué)分冊,1999,18(7):342-345.

[4] 宋文,楊帆.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] 華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 莫力.Protel電路設(shè)計(jì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[7] 蔡惟錚.常用電子元器件手冊[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[8] 王武江,陳樹凱.常用集成電路速查手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[9] 胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[10] 魏澤鼎.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[11] 戴義保.高精密溫度測量的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2003,24(3):24-27.

[12] 謝光忠,蔣亞東.溫濕度智能數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的研制[J].傳感器技術(shù),2000,19(4):29-33.

[13] 周曉,張春生,張希文,等.便攜式低功耗溫度檢測儀設(shè)計(jì)[J].電子科技,2012,25(9):121-123.

[14] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[15] 張稀,王德銀,張晨.MSP430系列單片機(jī)實(shí)用C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

The Design of Temperature Detection System

GAO Jian，MU Pingan，DAI Shuguang

(School of Optical-Electronic Information and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The design of a temperature monitor MLX90614 infrared temperature sensor based on wearable, for monitoring the temperature condition. The new low-power microcontroller STC12LE5620AD as the core, using MLX90614 infrared temperature sensor for measuring body temperature, the measured temperature data sent to the microcontroller for processing, then the processed data through Bluetooth wireless communication will be sent to the mobile phone terminal temperature data, using the APP terminal to record the temperature data, drawing temperature curve. This body temperature monitor uses the low power consumption design, greatly reduces the instrument power consumption, enhances the standby time, realizes the all-weather monitoring. By experiment, the measured accuracy is + 0.2 C, standby time is about 500 hours. Compared with other electronic body temperature measuring instrument, the design has the characteristics of all-weather monitoring, timely warning, low power consumption, wearable and so on.

MLX90614;infrared temperature measurement;all-weather monitoring;timely warning;low power consumption;wearable

2016- 10- 09

高健(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：精密儀器及機(jī)械。穆平安(1968-)，男，博士，教授。研究方向：測試計(jì)量技術(shù)及儀器。戴曙光(1957-)，男，博士，教授。研究方向：虛擬儀器技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.028

TN219;TP274+.52

A

1007-7820(2017)08-102-04