王力申，許崇彩,2，歐陽(yáng)思琪，李韜，于鑫麟，李東澍

（1.宿遷學(xué)院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學(xué)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(hù)理監(jiān)測(cè)的最基本指標(biāo)之一，是機(jī)體內(nèi)在活動(dòng)的一種客觀反映。機(jī)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(jī)能發(fā)生障礙，導(dǎo)致體溫發(fā)生變化。傳統(tǒng)測(cè)溫以水銀體溫計(jì)為主，但由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，需要患者配合，且是玻璃制品，容易打碎，存在不少風(fēng)險(xiǎn)。目前市場(chǎng)上的耳式測(cè)溫計(jì)主要是歐姆龍、泰爾茂、安安、億思特、博朗等幾種耳式體溫計(jì)[1]，到目前為止還沒(méi)有對(duì)耳溫的判斷標(biāo)準(zhǔn)，加上使用成本和要求較高，市場(chǎng)還未成熟。最主要的問(wèn)題是現(xiàn)在的測(cè)溫計(jì)不具備藍(lán)牙聯(lián)網(wǎng)[2]功能，無(wú)法將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳達(dá)給后端，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，由于無(wú)線應(yīng)用具有傳播范圍廣、普及率高等有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的先天優(yōu)勢(shì)，許許多多組織或個(gè)人紛紛使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)加速信息的傳播?？紤]到上述種種因素，本設(shè)計(jì)在疫情和中國(guó)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的疫情預(yù)警系統(tǒng)中加入無(wú)線應(yīng)用[3]技術(shù)，以達(dá)到隨時(shí)隨地為醫(yī)療機(jī)構(gòu)傳遞傳染病疫情信息的目的。

1 總體方案

本設(shè)計(jì)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(lán)牙模塊，OLED顯示屏等組成。

采用耳掛式設(shè)計(jì)。通過(guò)藍(lán)牙連接上位機(jī)，熱電堆可以在一定距離外通過(guò)檢測(cè)物體的紅外能來(lái)測(cè)量溫度，利用低功耗處理器、STM32F401采集數(shù)據(jù)，設(shè)備測(cè)量體溫并送至后端，進(jìn)行智能篩選處理，操作簡(jiǎn)單，更具人性化。硬件通過(guò)與微信小程序相連接，僅需正確佩戴設(shè)備便可測(cè)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(cè)量時(shí)體溫?cái)?shù)據(jù)。本測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 一種無(wú)線感知耳蝸測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 (非接觸式)耳蝸測(cè)溫計(jì)

本耳蝸測(cè)溫計(jì)運(yùn)用熱電堆傳感器[4]測(cè)量耳蝸溫度，內(nèi)置鋰電池和電源管理，可以達(dá)到理想的續(xù)航效果，配備OLED顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示體溫值。其硬件裝置小巧便攜，便于時(shí)時(shí)佩戴時(shí)時(shí)測(cè)溫。這樣便達(dá)到了人與人之間非接觸式的耳蝸測(cè)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(shí)溫度。關(guān)于這一點(diǎn)，本耳蝸測(cè)溫深入耳蝸測(cè)溫減小了外界溫度對(duì)其測(cè)溫系統(tǒng)的影響，大大降低錯(cuò)報(bào)誤報(bào)的機(jī)率。

本耳蝸測(cè)溫具備兩種測(cè)溫方式：

一是使用耳蝸測(cè)溫計(jì)上的測(cè)溫按鈕，將測(cè)溫頭對(duì)準(zhǔn)皮膚（建議距離小于1cm），輕按測(cè)溫按鈕，OLED屏幕將會(huì)顯示測(cè)得的體溫值。在20s之后屏幕會(huì)自動(dòng)熄滅，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

二是使用手機(jī)微信小程序，用手機(jī)微信掃碼獲取小程序之后，搜索并配對(duì)MY-TEMP設(shè)備，即可使用微信小程序控制耳蝸測(cè)溫計(jì)進(jìn)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(kāi)發(fā)板，傳感器MLX90614，一塊低功耗藍(lán)牙以及電源構(gòu)成,電源給開(kāi)發(fā)板、傳感器和藍(lán)牙供電，STM32F401開(kāi)發(fā)板從傳感器MLX90614處獲得人體溫度，并通過(guò)低功耗藍(lán)牙傳輸給客戶(hù)端。

2.2.1 STM32F401開(kāi)發(fā)板

STM32F401是意法半導(dǎo)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(mén)級(jí)產(chǎn)品。其運(yùn)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(jí)產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)STM32F401實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jì)傳感器MLX90614[6]是無(wú)接觸式的紅外線溫度感應(yīng)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(hào)處理芯片構(gòu)成。 本模塊通過(guò)紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器(OPA)放大后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為17位數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(chǔ)在其內(nèi)部RAM存儲(chǔ)單元中。

MLX90614中有兩個(gè)存儲(chǔ)器，分別為EEPROM和RAM。MLX90614共有32個(gè)字長(zhǎng)為16位的EEPROM存儲(chǔ)單元，其地址為000H—01FH。EEPROM中所有的寄存器都是可以通過(guò)SMBus進(jìn)行讀取，但只有部分寄存器是可以進(jìn)行改寫(xiě)的(地址為0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05*，0x0E, 0x0F, 0x09)?？筛膶?xiě)部分如表1所示。

表1 可改寫(xiě)寄存器

2.2.3 低功耗藍(lán)牙模塊

設(shè)備通過(guò)TM32F401低功耗處理器[7]與微信平臺(tái)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(guò)硬件設(shè)備，不斷向平臺(tái)傳送體溫?cái)?shù)據(jù)以及平臺(tái)向低功耗設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)測(cè)試連接穩(wěn)定性。測(cè)試期間，設(shè)備與終端無(wú)斷連現(xiàn)象發(fā)生，藍(lán)牙與終端可以在較短時(shí)間內(nèi)連接，且抗干擾能力較強(qiáng)。設(shè)備與終端成功建立連接后，不斷測(cè)量溫度并上傳至平臺(tái)。后續(xù)修改調(diào)試直至設(shè)備可以向平臺(tái)寫(xiě)入提問(wèn)數(shù)據(jù)，且無(wú)誤差，無(wú)缺失。

2.2.4 電源模塊

本耳蝸測(cè)溫計(jì)供電需求小，如果提供的電壓太大則容易導(dǎo)致通過(guò)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(cè)溫計(jì)采用可穩(wěn)壓芯片LM393[8]，LM393是常見(jiàn)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(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，不但價(jià)格便宜，使用壽命長(zhǎng)，而且安全又穩(wěn)定。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本耳蝸測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用ARM Cortex-M系列匯編語(yǔ)言，以及Python[9]語(yǔ)言處理數(shù)據(jù)。單片機(jī)端設(shè)計(jì)的軟件功能版塊主要有：溫度監(jiān)測(cè)子模塊、藍(lán)牙子模塊、顯示屏子模塊等。主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，然后循調(diào)用傳感器MLX90614測(cè)得溫度，通過(guò)人體的溫度測(cè)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(duì)紅外光能進(jìn)行采集，通過(guò)電壓算法轉(zhuǎn)換成溫度值。

3.1 移動(dòng)微信端

本耳蝸測(cè)溫計(jì)利用STM32F401低功耗處理器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端，低功耗藍(lán)牙提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。小程序端采集到數(shù)據(jù)后，在小程序后端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采取進(jìn)一步的優(yōu)化，將優(yōu)化后數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)對(duì)用戶(hù)發(fā)出隔離警告，進(jìn)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(cè)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(duì)其及時(shí)妥善處理，做到傳染病病例的早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早隔離、早處置，切實(shí)有效的控制傳染源。

3.2 開(kāi)發(fā)者工具

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

微信開(kāi)發(fā)者工具使用：打開(kāi)“微信開(kāi)發(fā)者工具”，提示使用手機(jī)微信進(jìn)行掃描登錄；通過(guò)掃碼登陸并綁定開(kāi)發(fā)者微信賬號(hào)；然后點(diǎn)擊頁(yè)面右上角的真機(jī)調(diào)試，通過(guò)掃碼在開(kāi)發(fā)者手機(jī)端進(jìn)行調(diào)試，等待調(diào)試完成即可。

設(shè)備連接小程序：打開(kāi)設(shè)備開(kāi)關(guān)，等待微信小程序的連接，打開(kāi)手機(jī)，掃碼后，進(jìn)入小程序，點(diǎn)擊初始化藍(lán)牙適配器，再點(diǎn)擊搜索藍(lán)牙，選擇自己的設(shè)備，即可實(shí)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(cè)溫按鍵即可獲得當(dāng)前體溫并上傳數(shù)據(jù)至小程序平臺(tái)，另外可在小程序端開(kāi)啟硬件端的體溫檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)軟硬件均可開(kāi)啟體溫檢測(cè)的功能。軟件流程如圖2所示，小程序如圖3所示，藍(lán)牙適配器如圖4所示。

圖2 軟件流程圖

圖3 小程序

圖4 藍(lán)牙適配器

4 結(jié)論

本耳蝸測(cè)溫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期受到無(wú)接觸時(shí)測(cè)溫設(shè)備以及企業(yè)微信體溫填報(bào)的啟發(fā)，采用以熱電堆為核心的硬件檢測(cè)溫設(shè)，將微信小程序服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受處理。以實(shí)現(xiàn)最終一件測(cè)量體溫且上報(bào)平臺(tái)的功能，確保了數(shù)據(jù)的切實(shí)有效，為企業(yè)及高校復(fù)工復(fù)習(xí)提供有力的保障。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)硬件通信協(xié)議，采用藍(lán)牙進(jìn)行交互，不斷地進(jìn)行真機(jī)調(diào)試，調(diào)整代碼，最終確保傳輸期間，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、安全且無(wú)丟失，有效避免誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)。采用低功耗藍(lán)牙降低成本，只需要利用手機(jī)等固有的設(shè)備即可。與傳統(tǒng)的無(wú)接觸測(cè)溫設(shè)備相比，該設(shè)計(jì)省去了排隊(duì)測(cè)體溫，人工填報(bào)等繁瑣的過(guò)程。一鍵式的體溫測(cè)量與填報(bào)，確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠性，合理有效的規(guī)避了虛假信息的填報(bào)。

與近年主流測(cè)溫計(jì)相比，本耳蝸測(cè)溫系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)：實(shí)時(shí)將佩戴本裝置的人員的體溫記錄、出入時(shí)間、所在地點(diǎn)等資料上傳到平臺(tái)，提供多維度數(shù)據(jù)分析報(bào)告。若有傳染病發(fā)生或者出現(xiàn)傳染病患者，可以及時(shí)采集數(shù)據(jù)，采取措施。

（2）藍(lán)牙遠(yuǎn)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(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端，低功耗藍(lán)牙提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。需求方可直接觀測(cè)到體溫?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的疫情調(diào)查，有針對(duì)性地通知有關(guān)人員開(kāi)展疫情防控工作。

（3）非接觸式測(cè)溫：用于人體的溫度測(cè)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(duì)紅外光能進(jìn)行采集，通過(guò)電壓算法轉(zhuǎn)換成溫度值。減少排隊(duì)測(cè)溫，避免了測(cè)溫接觸帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

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