一種無線感知耳蝸測溫系統(tǒng)的設(shè)計

王力申，許崇彩,2，歐陽思琪，李韜，于鑫麟，李東澍

（1.宿遷學院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

體溫是臨床護理監(jiān)測的最基本指標之一，是機體內(nèi)在活動的一種客觀反映。機體的產(chǎn)熱和散熱是受神經(jīng)中樞調(diào)節(jié)的，很多疾病都可使體溫正常調(diào)節(jié)機能發(fā)生障礙，導致體溫發(fā)生變化。傳統(tǒng)測溫以水銀體溫計為主，但由于測量時間長，需要患者配合，且是玻璃制品，容易打碎，存在不少風險。目前市場上的耳式測溫計主要是歐姆龍、泰爾茂、安安、億思特、博朗等幾種耳式體溫計[1]，到目前為止還沒有對耳溫的判斷標準，加上使用成本和要求較高，市場還未成熟。最主要的問題是現(xiàn)在的測溫計不具備藍牙聯(lián)網(wǎng)[2]功能，無法將數(shù)據(jù)實時傳達給后端，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。

隨著無線網(wǎng)絡應用技術(shù)日趨成熟，由于無線應用具有傳播范圍廣、普及率高等有線網(wǎng)絡無法比擬的先天優(yōu)勢，許許多多組織或個人紛紛使用無線網(wǎng)絡來加速信息的傳播?？紤]到上述種種因素，本設(shè)計在疫情和中國無線網(wǎng)絡應用發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了在現(xiàn)有的疫情預警系統(tǒng)中加入無線應用[3]技術(shù)，以達到隨時隨地為醫(yī)療機構(gòu)傳遞傳染病疫情信息的目的。

1 總體方案

本設(shè)計系統(tǒng)的主控芯片為STM32F401，模塊由熱電堆傳感器，低功耗微處理器，低功耗藍牙模塊，OLED顯示屏等組成。

采用耳掛式設(shè)計。通過藍牙連接上位機，熱電堆可以在一定距離外通過檢測物體的紅外能來測量溫度，利用低功耗處理器、STM32F401采集數(shù)據(jù)，設(shè)備測量體溫并送至后端，進行智能篩選處理，操作簡單，更具人性化。硬件通過與微信小程序相連接，僅需正確佩戴設(shè)備便可測溫。設(shè)備采用鋰電池供電，Type-c充電且功耗小。設(shè)備帶有LCD顯示屏，可直觀查看測量時體溫數(shù)據(jù)。本測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 一種無線感知耳蝸測溫系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 (非接觸式)耳蝸測溫計

本耳蝸測溫計運用熱電堆傳感器[4]測量耳蝸溫度，內(nèi)置鋰電池和電源管理，可以達到理想的續(xù)航效果，配備OLED顯示屏，用于實時顯示體溫值。其硬件裝置小巧便攜，便于時時佩戴時時測溫。這樣便達到了人與人之間非接觸式的耳蝸測溫效果。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，人耳蝸的溫度相比于額頭的溫度更加接近與人體的真實溫度。關(guān)于這一點，本耳蝸測溫深入耳蝸測溫減小了外界溫度對其測溫系統(tǒng)的影響，大大降低錯報誤報的機率。

本耳蝸測溫具備兩種測溫方式：

一是使用耳蝸測溫計上的測溫按鈕，將測溫頭對準皮膚（建議距離小于1cm），輕按測溫按鈕，OLED屏幕將會顯示測得的體溫值。在20s之后屏幕會自動熄滅，進入待機狀態(tài)。

二是使用手機微信小程序，用手機微信掃碼獲取小程序之后，搜索并配對MY-TEMP設(shè)備，即可使用微信小程序控制耳蝸測溫計進行數(shù)據(jù)采集并在微信小程序上顯示溫度數(shù)值。

2.2 硬件系統(tǒng)

本硬件系統(tǒng)由STM32F401開發(fā)板，傳感器MLX90614，一塊低功耗藍牙以及電源構(gòu)成,電源給開發(fā)板、傳感器和藍牙供電，STM32F401開發(fā)板從傳感器MLX90614處獲得人體溫度，并通過低功耗藍牙傳輸給客戶端。

2.2.1 STM32F401開發(fā)板

STM32F401是意法半導體基于ARM Cortex-M432位/DSP內(nèi)核的STM32F4[5]系列高性能微控制器的入門級產(chǎn)品。其運行頻率低于其它STM32F4微控制器，但在性能、功耗和集成度之間取得完美均衡，以105DMIPS（84MHz）、137μA/MHz工作電流、11μA典型停止電流、豐富的集成功能領(lǐng)先于同級產(chǎn)品。本設(shè)計STM32F401實現(xiàn)各個模塊的整體控制，完成信息的通訊。

2.2.2 傳感器模塊

本設(shè)計傳感器MLX90614[6]是無接觸式的紅外線溫度感應芯片，由MLX81101紅外熱電堆傳感器和包括含有穩(wěn)壓電路、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的MLX90302信號處理芯片構(gòu)成。 本模塊通過紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號經(jīng)過內(nèi)部低噪聲、低失調(diào)的運算放大器(OPA)放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為17位數(shù)字信號通過可編程FIR及IIR低通數(shù)字濾波器(即DSP)處理后輸出,輸出結(jié)果存儲在其內(nèi)部RAM存儲單元中。

MLX90614中有兩個存儲器，分別為EEPROM和RAM。MLX90614共有32個字長為16位的EEPROM存儲單元，其地址為000H—01FH。EEPROM中所有的寄存器都是可以通過SMBus進行讀取，但只有部分寄存器是可以進行改寫的(地址為0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05*，0x0E, 0x0F, 0x09)?？筛膶懖糠秩绫?所示。

表1 可改寫寄存器

2.2.3 低功耗藍牙模塊

設(shè)備通過TM32F401低功耗處理器[7]與微信平臺建立通信，傳輸溫度信息。成功建立連接后，改變環(huán)境變量，增加影響因素，通過硬件設(shè)備，不斷向平臺傳送體溫數(shù)據(jù)以及平臺向低功耗設(shè)備寫入數(shù)據(jù)測試連接穩(wěn)定性。測試期間，設(shè)備與終端無斷連現(xiàn)象發(fā)生，藍牙與終端可以在較短時間內(nèi)連接，且抗干擾能力較強。設(shè)備與終端成功建立連接后，不斷測量溫度并上傳至平臺。后續(xù)修改調(diào)試直至設(shè)備可以向平臺寫入提問數(shù)據(jù)，且無誤差，無缺失。

2.2.4 電源模塊

本耳蝸測溫計供電需求小，如果提供的電壓太大則容易導致通過電流較大，一方面容易燒壞芯片，一方面容易加快減少產(chǎn)品的使用壽命。一般只需要加5V電壓即可正常工作。為了增加穩(wěn)定性與安全性，本耳蝸測溫計采用可穩(wěn)壓芯片LM393[8]，LM393是常見的三端穩(wěn)壓集成電路，使用它組成穩(wěn)壓電源所需要添加的外圍元件很少。另外，此電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，不但價格便宜，使用壽命長，而且安全又穩(wěn)定。

3 軟件程序設(shè)計

本耳蝸測溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用ARM Cortex-M系列匯編語言，以及Python[9]語言處理數(shù)據(jù)。單片機端設(shè)計的軟件功能版塊主要有：溫度監(jiān)測子模塊、藍牙子模塊、顯示屏子模塊等。主程序首先對系統(tǒng)初始化，然后循調(diào)用傳感器MLX90614測得溫度，通過人體的溫度測試，由于不同溫度下所釋放出紅外光能的能量不同，利用熱電堆對紅外光能進行采集，通過電壓算法轉(zhuǎn)換成溫度值。

3.1 移動微信端

本耳蝸測溫計利用STM32F401低功耗處理器將采集的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到手機端，低功耗藍牙提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。小程序端采集到數(shù)據(jù)后，在小程序后端對采集到的數(shù)據(jù)采取進一步的優(yōu)化，將優(yōu)化后數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)庫中保存，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時會對用戶發(fā)出隔離警告，進一步采取有效的防疫措施。隨后，醫(yī)院即可獲取使用者的位置信息，將使用者最后一次檢測的體溫以及位置保存并顯示在人員分布圖上，一旦發(fā)現(xiàn)傳染病或者疑似傳染病病人，對其及時妥善處理，做到傳染病病例的早發(fā)現(xiàn)、早報告、早隔離、早處置，切實有效的控制傳染源。

3.2 開發(fā)者工具

微信開發(fā)者工具安裝：微信提供了小程序的官方開發(fā)工具—微信開發(fā)者工具。下載需要的安裝包后，雙擊安裝包進行安裝，然后點擊“下一步”；許可證協(xié)議頁面，點擊“我接受”；選擇目標安裝位置，然后點擊“安裝”；直至安裝結(jié)束，點擊“完成”即可。

微信開發(fā)者工具使用：打開“微信開發(fā)者工具”，提示使用手機微信進行掃描登錄；通過掃碼登陸并綁定開發(fā)者微信賬號；然后點擊頁面右上角的真機調(diào)試，通過掃碼在開發(fā)者手機端進行調(diào)試，等待調(diào)試完成即可。

設(shè)備連接小程序：打開設(shè)備開關(guān)，等待微信小程序的連接，打開手機，掃碼后，進入小程序，點擊初始化藍牙適配器，再點擊搜索藍牙，選擇自己的設(shè)備，即可實現(xiàn)連接。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸：處于工作狀態(tài)下的設(shè)備按下測溫按鍵即可獲得當前體溫并上傳數(shù)據(jù)至小程序平臺，另外可在小程序端開啟硬件端的體溫檢測和數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)軟硬件均可開啟體溫檢測的功能。軟件流程如圖2所示，小程序如圖3所示，藍牙適配器如圖4所示。

圖2 軟件流程圖

圖3 小程序

圖4 藍牙適配器

4 結(jié)論

本耳蝸測溫系統(tǒng)在設(shè)計初期受到無接觸時測溫設(shè)備以及企業(yè)微信體溫填報的啟發(fā)，采用以熱電堆為核心的硬件檢測溫設(shè)，將微信小程序服務端進行數(shù)據(jù)的接受處理。以實現(xiàn)最終一件測量體溫且上報平臺的功能，確保了數(shù)據(jù)的切實有效，為企業(yè)及高校復工復習提供有力的保障。設(shè)計過程中，通過硬件通信協(xié)議，采用藍牙進行交互，不斷地進行真機調(diào)試，調(diào)整代碼，最終確保傳輸期間，數(shù)據(jù)的準確、安全且無丟失，有效避免誤報、錯報。采用低功耗藍牙降低成本，只需要利用手機等固有的設(shè)備即可。與傳統(tǒng)的無接觸測溫設(shè)備相比，該設(shè)計省去了排隊測體溫，人工填報等繁瑣的過程。一鍵式的體溫測量與填報，確保了數(shù)據(jù)的實時可靠性，合理有效的規(guī)避了虛假信息的填報。

與近年主流測溫計相比，本耳蝸測溫系統(tǒng)的主要優(yōu)點：

（1）實時統(tǒng)計：實時將佩戴本裝置的人員的體溫記錄、出入時間、所在地點等資料上傳到平臺，提供多維度數(shù)據(jù)分析報告。若有傳染病發(fā)生或者出現(xiàn)傳染病患者，可以及時采集數(shù)據(jù)，采取措施。

（2）藍牙遠程傳輸數(shù)據(jù)：本產(chǎn)品利用STM32-F401低功耗處理器將采集的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到手機端，低功耗藍牙提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。需求方可直接觀測到體溫數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進行下一步的疫情調(diào)查，有針對性地通知有關(guān)人員開展疫情防控工作。

（3）非接觸式測溫：用于人體的溫度測試，由于不同溫度下所釋放出紅外光能的能量不同，利用熱電堆對紅外光能進行采集，通過電壓算法轉(zhuǎn)換成溫度值。減少排隊測溫，避免了測溫接觸帶來的風險。

（4）低功耗運行：可充電循環(huán)使用，達到理想的續(xù)航效果續(xù)航。