魯池梅 劉 歡 楊火祥 劉興云

(湖北師范學院物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

體溫、脈搏、呼吸、血壓是人體維持生命的四大基本特征，而其中對體溫變化的監(jiān)測是判斷人體是否健康最簡單的方法。但是在傳統(tǒng)體溫測量中大多使用的是水銀體溫計，該體溫計具有眾多缺點，如易破碎，存在水銀污染的可能，測量時間較長，對急重病患者、老人、嬰幼兒等使用不方便，不易讀數(shù)。本研究針對以上問題，結(jié)合可穿戴設(shè)備的概念，研制出一種安全、高效、方便的體溫測量儀器。研究中在數(shù)據(jù)的處理和顯示方面做了優(yōu)化，采用藍牙作為數(shù)據(jù)發(fā)射、接收中心，最后在手機APP 終端上顯示出來。

1 系統(tǒng)概述

整個系統(tǒng)由穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)發(fā)射電路、數(shù)據(jù)接收電路四部分構(gòu)成。一方面，以DS18B20 傳感器為感應(yīng)器件，通過一個手表的表盤讓DS18B20 與皮膚接觸，傳感器再與單片機相連。另一方面，單片機與藍牙模塊相接，單片機接收到DS18B20 的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列的處理得出人體體表的溫度，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機藍牙，最后通過手機上專門制作的APP 軟件顯示出來，從而達到測量人體體溫的目的［1］。

1.1 穩(wěn)壓電路

本研究中采用的單片機型號是STC89C51，經(jīng)實際測得供電電壓在3.5 ～5 V 之間單片機能正常工作;而藍牙模塊采用的是信馳達RF -BM -S02 版，其工作電壓為2 ～3.6 V，所以穩(wěn)壓電路必須將電壓控制在3.5 V。這里使用的穩(wěn)壓芯片是AMS1117 系列，AMS1117 系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供1 A輸出電流且工作壓差可低至1 V。在最大輸出電流時，AMS1117 器件的壓差保證最大不超過1.3 V，并隨負載電流的減小而逐漸降低。由于沒有3.5 V 的固定電壓版，因此這里使用了AMS1117 可調(diào)版，并采用圖1 的電路設(shè)計，使輸出電壓穩(wěn)定在3.5 V。其中，R2為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)R2電阻可使輸出電壓穩(wěn)定在3.5 V。

圖1 穩(wěn)壓電路Fig.1 Regulator circuit

1.2 數(shù)據(jù)采集電路

設(shè)計中采用的溫度傳感器是DS18B20［2］。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS 公司生產(chǎn)的1 -Wire 器件，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，且可以在同一根通信線上連接多個數(shù)字溫度計。DS18B20 產(chǎn)品的特點如下:

(1)只需要一個I/O 口即可實現(xiàn)通信;

(2)在DS18B20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號;

(3)實際應(yīng)用中不需要任何外部元器件即可實現(xiàn)測溫;

(4)測量溫度范圍在-55 ～+125 ℃之間;

(5)數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9 位到12位選擇，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃、0.625 ℃;

(6)內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。

將DS18B20D 的DQ 接到單片機的P2.3的引腳上，即通信線，再將VCC、GND 接到電路中［3］，如圖2 所示，通過單片機給予相應(yīng)的指令即可實現(xiàn)對人體體溫的測量。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Data acquisition circuit

1.3 數(shù)據(jù)發(fā)射電路

數(shù)據(jù)發(fā)射采用藍牙來傳送數(shù)據(jù)，這也是作品的核心部分。藍牙模塊使用的是信馳達RF-BM-S02 版，這款藍牙模塊具有以下特點:

(1)超小封裝尺寸，豐富的AT 指令;

(2)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可達2 ～10 kbit/s;

(3)極低功耗的待機模式;

(4)超長的通信距離，空曠處可達100 m;

(5)同時支持透傳模式和直傳模式。

數(shù)字發(fā)射電路如圖3 所示。從圖3 可看出，模塊有6 個引腳，分別為VCC、GND、TX(模塊數(shù)據(jù)發(fā)送端)、RX(模塊數(shù)據(jù)接收端)、BRTS(作為數(shù)據(jù)發(fā)送請求)和BCTS(數(shù)據(jù)輸入信號)。研究中將藍牙模塊的TX 及RX 與單片機的TXD 及RXD 分別相連接。當BRTS 置于低電平時，主機有數(shù)據(jù)發(fā)送，藍牙模塊將接收來自主機的數(shù)據(jù);當其置于高電平時，主機無數(shù)據(jù)發(fā)送，不接收數(shù)據(jù)，故BRTS 置于高電平，因為這里不需要接收來自主機的數(shù)據(jù)。而BCTS 與BRTS 的功能相反，當BCTS 置于低電平時，模塊有數(shù)據(jù)發(fā)送到主機;當置于高電平時，模塊無數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，故將其置于低電平。電路中使用的是藍牙模塊的透傳功能，這樣當有數(shù)據(jù)從單片機的串口發(fā)送過來時，藍牙模塊就會第一時間將數(shù)據(jù)發(fā)送出去［4］。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)射電路Fig.3 Data transmission circuit

1.4 數(shù)據(jù)接收電路

數(shù)據(jù)接收方面，通過編寫簡單的手機APP 實現(xiàn)。打開手機APP 后，點擊搜索就可以搜索到設(shè)定的藍牙名字，再點擊連接即可連接藍牙模塊，完成數(shù)據(jù)的傳輸，最終在手機APP 的串口數(shù)據(jù)通道版面顯示出接收到的數(shù)值。

2 程序

首先單片機發(fā)送指令給DS18B20，完成初始化，測溫開始;單片機延時，使DS18B20 有足夠時間去讀取溫度，否則溫度數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)誤差。單片機將溫度數(shù)據(jù)處理成一個一個的字符并存儲在數(shù)組中，再將每個數(shù)組元素依次送到單片機的串口中［5］。代碼如下:

由于采用的是藍牙的透傳模式，因此當藍牙設(shè)置成接收狀態(tài)時，如果藍牙模塊收到數(shù)據(jù)，就會在第一時間將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，完成對數(shù)據(jù)的傳輸。程序流程圖如圖4 所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

3 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗中使用醫(yī)用體溫計和手戴式體溫測量儀作為測量儀器，在不同時間段內(nèi)同時測量一個人的體溫作為實驗數(shù)據(jù)。實驗情況如下。

3.1 實驗步驟

(1)測試者在一個溫度較為恒定的空間里先佩戴手戴式體溫測量儀，打開手機藍牙和APP，待手機上體溫數(shù)值穩(wěn)定時讀出數(shù)值。隨后取下，再使用醫(yī)用的體溫計測出體溫值。

(2)同一測試者在不同時段多次測量，記錄下數(shù)值，最后整理。

3.2 實驗數(shù)據(jù)記錄

實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可看出，使用醫(yī)用體溫計測量時，被測試者體溫大多在36.5 ℃附近，最高為36.7 ℃，最低為36.2 ℃;而使用手帶式體溫儀時體溫大致集中在36.0 ℃附近，最高為36.4 ℃，最低為36.0 ℃。

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Experimental data record

3.3 數(shù)據(jù)分析

由表1 可以看出，試驗中測得的數(shù)據(jù)與預(yù)想數(shù)值較為接近?？紤]到操作環(huán)節(jié)中不同時間人體體溫變化誤差以及排除環(huán)境、被測者體質(zhì)等因素的干擾，可以認為手戴式體溫測量儀測溫效果良好。同時研究中發(fā)現(xiàn)同一被測者在不同時段測得的體溫數(shù)值有略微的變化，但都在正常的變化范圍之內(nèi)，而且手機APP 上讀出的數(shù)值也隨著變化，這從另一方面說明了體溫測量儀測溫效果明顯，靈敏度和精度比較高。

4 結(jié)束語

本文研究了一種人體健康監(jiān)測裝置，可隨時隨地監(jiān)測用戶體溫，而且可以清晰地顯示在手機上，便于記錄、查詢、報警等。裝置在醫(yī)護場合更能突顯其測溫方便的特點，讓護士和醫(yī)生得到解放，并可實現(xiàn)一人監(jiān)測多人體溫的功能。對于那些行動不便的人員，只需佩戴本產(chǎn)品即可隨時監(jiān)控自己的體溫，擺脫以前通過水銀溫度計測溫時使用麻煩、測溫慢、不能夠連續(xù)測量的弊病。通過藍牙將數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到手機上，具有可靠性高、傳輸效率快的特點，而且不會產(chǎn)生對人體有害的輻射，安全性好，推廣前景樂觀。

［1］ 韓建，魏運鋒，談卿瑕，等. 基于藍牙的體溫時控檢測系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2014，22(16):61 -64.

［2］ 韋哲，程自峰.數(shù)字溫度傳感器DS18B20 在體溫檢測中的應(yīng)用［J］.醫(yī)療裝備，2005，18(4):10-12.

［3］ 張越，張炎，趙延軍.基于DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的數(shù)字溫度計［J］.微電子學，2007，37(5):709 -711.

［4］ 包敬海，樊東紅，陸安山，等. 基于DS18B20 的多點體溫檢測系統(tǒng)的研究［J］.自動化與儀表，2010，25(2):20 -22.

［5］馬云峰.單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20 的接口設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2002，10(4):278 -280.