物聯(lián)網(wǎng)可穿戴體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李兆千，李廣凱，姜紹君，董 浩，尹文杰，焦禹涵

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外眾多科研工程人員對(duì)新型人體可穿戴式的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行了大量研究。但是，這些可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備還不能做到實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)測(cè)病人的體溫狀態(tài)。例如，在監(jiān)測(cè)嬰兒體溫時(shí)，現(xiàn)有產(chǎn)品的形式以智能腕表和智能手環(huán)等形態(tài)居多，嬰兒長(zhǎng)時(shí)間佩戴容易脫落，而且測(cè)溫精度不高。若采用腋窩綁帶方式的可穿戴智能體溫計(jì)，就不容易脫落，監(jiān)測(cè)時(shí)間會(huì)更持久[1]。目前，可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備有兩方面要求：一方面要求測(cè)溫精度高，可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地測(cè)量溫度；另一方面要求體積小、重量輕，便于廣大用戶貼身佩戴，增加產(chǎn)品穿著的舒適度。由于智能手環(huán)測(cè)溫精度低，不適合用于測(cè)量嬰幼兒的體溫[2]。因此，為了保證測(cè)溫的精度，必須將溫度傳感器置于腋窩下，將主控制器、WiFi模塊以及電池等器件置于腋窩外面，用繃帶將它們連接起來(lái)并綁在肩膀部位，可以提高穿戴舒適度。然后將采集的溫度數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，適時(shí)監(jiān)控體溫[3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，可穿戴體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四部分組成：可穿戴的溫度傳感器MAX30205、采集溫度的微控制器MSP430、通信模塊WiFi和路由器、華為云平臺(tái)體溫?cái)?shù)據(jù)處理。微控制器MSP430采集傳感器MAX30205輸出的溫度，控制WiFi將溫度數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器、以太網(wǎng)發(fā)送到華為云平臺(tái)，華為云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

圖1 可穿戴體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備將單片機(jī)MSP430作為控制核心模塊，外接電源模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、復(fù)位電路、LOD液晶顯示模塊、ESP8266WiFi模塊、報(bào)警模塊[5]。MAX30205是一個(gè)高精度溫度傳感器，監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LOD液晶顯示屏上，ESP8266模塊采用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到華為云平臺(tái)，當(dāng)云平臺(tái)收到的溫度數(shù)據(jù)超過(guò)37.0 ℃時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，提示體溫異常[6]。

圖2 可穿戴體溫監(jiān)測(cè)電路框圖

如圖3所示，相比于DS18b20、LM35等低端溫度傳感器，MAX30205溫度傳感器具有更高的測(cè)溫精度，功耗也更低[7]，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量體溫，精度達(dá)到0.1 ℃，測(cè)量范圍在35～40℃，輸出的數(shù)字量為16位二進(jìn)制數(shù)，溫度分辨率達(dá)到0.003 906 25 ℃，峰值電流小于1 mA。整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的電源電壓范圍為2.7～3.3 V，消耗電流非常低，大約為10 mA工作電流，滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行采集溫度[8]。

圖3 MAX30205電路

單片機(jī)MSP430為溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心控制器，具有產(chǎn)品體積小、功耗比較低、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)。WiFi無(wú)線模塊ESP8266連接無(wú)線路由器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)MSP430與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)主機(jī)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器程序

如圖4所示，單片機(jī)與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信流程。首先，單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，讀取MAX30205監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)值，把體溫值傳到WiFi通信模塊和路由器。然后，華為云將體溫值保存并顯示，如果體溫值高于設(shè)定值，華為云平臺(tái)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，經(jīng)由WiFi模塊向單片機(jī)發(fā)出報(bào)警命令；如果體溫值低于設(shè)定值，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)體溫值。

圖4 軟件流程

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

華為公司基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，構(gòu)建了統(tǒng)一、開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。如圖5所示，華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)包含終端設(shè)備、接入設(shè)備、設(shè)備管理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用四部分[9]。在可穿戴體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，終端設(shè)備為監(jiān)測(cè)溫度的單片機(jī)MSP430；接入設(shè)備為WiFi無(wú)線模塊和路由器；設(shè)備管理是利用MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)以及采集設(shè)備數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)等應(yīng)用進(jìn)行管理。華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)流程包括產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)備開(kāi)發(fā)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及日常管理[10]。

圖5 華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)老人、幼兒、重癥患者等使用人群，本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能可穿戴高精度體溫檢測(cè)裝置。溫度傳感器精度達(dá)到0.1 ℃，可以精準(zhǔn)地測(cè)量病人的體溫；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體溫的變化情況。利用該系統(tǒng)，護(hù)士可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的體溫；并且該系統(tǒng)增加了報(bào)警功能，提高了護(hù)士的工作效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。