張琥石，林偉龍，楊發(fā)柱，黃向軍，金星伊，陳 潔，羅曉春，張盈盈，甘 辛

（廣西醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣西 南寧 530021）

0 引 言

體溫作為人體基本生理指標之一，歷來為醫(yī)生判斷生命體征和診斷臨床疾病提供重要依據(jù)。合理、準確的體溫測量在醫(yī)學以及其他領域尤為重要。檢測體溫利于醫(yī)生掌握病患體溫的變化，正確判斷病患的身體情況，制定對應治療方案。然而目前臨床上所使用的體溫計存在讀數(shù)困難、難以統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及易于產生交叉感染等問題[1]，無法滿足當下醫(yī)生、患者對體溫計的使用需求。近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，應用廣泛[2]，可以利用藍牙、WiFi等無線傳輸技術[3]通過通信網(wǎng)絡使得物體與專網(wǎng)、內網(wǎng)和因特網(wǎng)相連，進行長距離或者短距離的數(shù)據(jù)交換和信息通信，實現(xiàn)對物體的智能化識別、預案管理和遠程實時監(jiān)控等[4]?；诖耍疚脑O計了一款基于ESP8266芯片的物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過WiFi技術遠程監(jiān)測病人體溫[5]，并對測溫系統(tǒng)進行遠程管理，可解決目前臨床上使用體溫計所面臨的問題。

1 總體設計

系統(tǒng)組成如圖1所示。本系統(tǒng)采用12C5A60S2單片機作為主控；紅外測溫模塊采用MLX9064紅外溫度傳感器，該傳感器通過I/O口與單片機相連；WiFi模塊采用ESP8266芯片，12C5A60S2單片機將溫度傳感器采集到的溫度值通過串口發(fā)送給ESP8266，ESP8266再將溫度值通過網(wǎng)絡傳送給手機或電腦，從而遠程監(jiān)測病人的體溫數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成

2 紅外測溫模塊

紅外測溫模塊采用Melexis公司出品的MLX90614系列高精度紅外測溫芯片。該芯片采用TO-39金屬封裝，模塊里集成了紅外感應熱電堆探測器芯片和信號處理專用集成芯片，其中信號處理專用集成芯片包含有低噪聲放大器、17位數(shù)模轉換器和數(shù)字信號處理器等。MLX90614系列芯片設置有默認的系統(tǒng)管理總線（SMBus）和10位數(shù)字PWM輸出模式，其中10位數(shù)字PWM的輸出格式可用于連續(xù)測溫，傳送溫度范圍為-20～120 ?C，分辨率為0.14 ?C。MLX90614內部結構如圖2所示

圖2 MLX90614內部結構

MLX90614采用標準的TO-39封裝，該封裝有四個引腳：VSS、SCL/VZ、PWM/SDA、VDD，各引腳功能見表1所列。

表1 MLX90614引腳功能

MLX90614與單片機連接時，將SCL、SDA引腳直接連接單片機的I/O口，VDD引腳接5 V電壓。MLX90614與單片機連接電路如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機連接電路

3 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊為樂鑫公司開發(fā)的一款物聯(lián)網(wǎng)專用芯片[6-7]。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協(xié)議棧，通過WiFi與上位機通信。利用ESP8266模塊對傳統(tǒng)串口設備進行簡單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機，實現(xiàn)物聯(lián)功能。ESP8266 WiFi模塊有三種工作模式：STA模式、AP模式、STA混合AP模式。STA模式通過路由器和英特網(wǎng)相連，屬于英特網(wǎng)內通信；AP模式將ESP8266作為一個熱點，上位機通過連接此熱點通信，屬于局域網(wǎng)內通信；STA混合AP模式是以上兩種模式的混合，用戶既可在局域網(wǎng)內通信，也可使用英特網(wǎng)通信[8]。

4 氦氪云

在ESP8266模塊工作之前需要裝入一個固件。綜合考慮目前市場上的多種固件，本系統(tǒng)選擇了安裝有氦氪云固件的ESP8266芯片—Hekr V1.1。Hekr V1.1的工作原理如圖4所示。

圖4 Hekr V1.1工作原理

Hekr V1.1的工作原理如下：將平板電腦或手機等上位機通過英特網(wǎng)將控制信號發(fā)送至網(wǎng)絡服務器；服務器接收到信號后，再利用英特網(wǎng)轉發(fā)給ESP8266芯片；ESP8266芯片將接收到的信號命令通過串口發(fā)送給單片機。反之，單片機的數(shù)據(jù)也可通過串口發(fā)送至ESP8266，再由英特網(wǎng)傳送給網(wǎng)絡服務器后轉發(fā)給手機、平板電腦等上位機。由此便通過英特網(wǎng)實現(xiàn)了手機等上位機對單片機的遠程控制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通。

氦氪云定義了上位機與Hekr V1.1傳輸指令幀的格式：基本幀格式數(shù)據(jù)頭+產品業(yè)務數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)尾。氦氪云傳輸幀格式如圖5所示。

圖5 氦氪云傳輸幀格式

（1）幀頭（1 B）：幀起始標識，其值固定為十六進制數(shù)0x48。

（2）幀長（1 B）：傳輸幀的長度儲存在此幀中，取值范圍為 [0x06，0xFE]。

（3）幀類型（1 B）：幀類型的識別碼儲存在此幀中，0x01為下位機上報幀，0x02為上位機下發(fā)幀，0xFE為操作幀，0xFF為錯誤幀。

（4）幀序號（1 B）：每傳輸一幀，序號自增1，標識順序及取值范圍為[0x00，0xFF]。

（5）有效數(shù)據(jù)（nB）：儲存具體通信內容，其長度根據(jù)實際情況而定。

（6）校驗碼（1 B）：以上每幀中的數(shù)據(jù)之和一旦超過0xFF便取低8位（1 B）。

根據(jù)氦氪云所定義的幀格式，本系統(tǒng)所需的傳輸幀共有5種，傳輸幀具體內容見表2所列。表2中下發(fā)幀由手機、電腦等上位機發(fā)送給單片機，上報幀由單片機發(fā)送給上位機。

表2 傳輸幀

5 軟件設計

5.1 上位機軟件設計

上位機APP采用HTML5與Javascript編寫，在手機上安裝此APP即可使用編寫的上位機程序。本系統(tǒng)的上位機界面如圖6所示。

圖6 上位機界面

按“開始/清零”按鍵即可測量體溫，再按一次則清零。本系統(tǒng)可以儲存10次體溫測量結果，按“前”或“后”按鍵可翻看儲存的歷史體溫數(shù)據(jù)。上位機程序流程如圖7所示。先判斷“開始/清零”按鍵是否按下，如被按下，APP向單片機發(fā)送Star-Clear幀，將體溫值清零。再判斷“前”按鍵是否按下，如按下向單片機發(fā)送Upward幀，查看前一個體溫測量值；如“后”按鍵按下則向單片機發(fā)送Downward幀，查看后一個體溫值。之后，向單片機發(fā)送QueryStatus幀，單片機收到QueryStatus幀后，將監(jiān)測到的體溫數(shù)據(jù)寫入ReportStatus中，上傳給APP，APP收到ReportStatus幀后，在顯示屏上顯示體溫數(shù)值；如未收到ReportStatus幀，則提示丟失。

圖7 上位機程序流程

5.2 單片機軟件設計

單片機軟件程序流程如圖8所示。首先檢測是否收到Start-Clear幀，如收到則將Keyflag標志位取反。接著判斷是否收到QueryStatus幀，如收到則向上位機發(fā)送ReportStatus幀，再判斷Keyflag的值是否為1，為0則將溫度值清零；如Keyflag的值為1，則啟動溫度傳感器取10次溫度值，并取平均值，隨后顯示溫度值，并將溫度值寫入ReportStatus。最后判斷溫度是否存在異常，如存在異常則啟動蜂鳴器報警。

圖8 軟件程序流程

6 系統(tǒng)測試

在iPhone7智能手機上安裝氦氪云APP，當Hekr V1.1連接因特網(wǎng)后，將手機連接4G網(wǎng)絡。選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，在8：00，15：00，20：00時使用精密水銀溫度計[9]分別測量他們的腋下體溫，同時使用本文所設計的物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)分別測量志愿者的腋下溫度，測量結果見表3所列。

測試結果顯示，最大的體溫誤差僅為0.46 ℃，符合醫(yī)學領域對體溫測量精度和準確度的要求[10]。測試過程中，在APP上點擊“開始/清零”按鍵時，溫度值可正確顯示或清零；點擊“前”按鍵、“后”按鍵時，可查看歷史數(shù)據(jù)。

7 結 語

本文介紹了一種基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)，其具有測量精度高、讀數(shù)快、可通過英特網(wǎng)遠程監(jiān)測體溫等優(yōu)點。經(jīng)過測試，該體溫監(jiān)測系統(tǒng)輸出響應良好，誤差小，可應用于臨床治療、科學研究等領域，應用前景廣闊。

表3 水銀溫度計與物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)測量結果 ℃