一種無線可穿戴式動態體溫監測系統的設計與實現*

欒強厚，黃鑫，何敏娜，林桂港，武劍輝

(廣東睿超電子科技有限公司，東莞 523808)

1 引 言

體溫測量和監控是臨床診治各類疾病的基礎指標之一，是預防各類疾病的重要基礎[1]。日常生活中體溫的變化也是我們對自身身體狀況判斷的一個重點。水銀體溫計因其測量結果較為準確，成為行業標準基礎，是目前我國臨床最常見的體溫測量工具[2]；但在我國簽署了《水俁公約》的大環境下，明確指出：自2020年起禁止生產和進出口含汞產品[3]。

市面上常見的耳溫體溫計、額溫體溫計等均通過紅外線測量，所采集數據為模擬數據，只能用于公眾排查，不能用于臨床診治參考[4]。而另一類市面上常見的腋下電子體溫計，雖然數據準確，但大多為一次性測量，對于病患的多次測量或實時監護，會增加醫護人員較大的工作量[5]。由于醫護人員與患者頻繁接觸，增大了疾病傳播的風險。

隨著智能手機的發展及普及，絕大部分人已經能夠簡單操作智能手機上的應用軟件。本研究借由《水俁公約》下體溫計的轉型和智能手機的普及，設計了一款無線可穿戴式動態體溫監測系統。

2 系統總體設計

本研究所設計監測系統均采用無線傳輸數據的方式。圖1為系統整體設計框圖，包括：體溫監測終端、智能手機客戶端和云服務平臺3個部分。體溫監測終端為可穿戴設備，佩戴在被測者上手臂，用于實時監測被測者體溫變化情況。當終端與手機藍牙匹配后，可實現與手機一對一數據交互，體溫數據將實時傳輸到用戶手機客戶端上。手機客戶端可實時接收并存儲終端體溫數據，并將數據上傳到云服務平臺，也可以從云服務平臺獲取相關數據，查看一段時間內體溫變化情況；云服務平臺可以接收并存儲智能手機上傳的實時數據，進行大數據分析。該系統適用于醫院或家庭，患者在家里也可以自我監測自身體溫變化情況，終端數據直接上傳并保存在手機客戶端內，并通過手機客戶端實現數據分析和溫度變化情況查詢。

圖1 系統整體設計框圖

3 體溫監測終端設計

體溫監測終端主體為親膚感較好的塑料材質，固定帶為皮質或絨布材料，為了方便用戶攜帶和使用，外觀為可穿戴式設計，大致類似于手表形狀，佩戴在手臂上部，探測腋下溫度。終端設置有一個控制按鍵和一個實時溫度顯示屏幕，見圖2，系統體溫監測終端主要由核心控制模塊、測溫模塊、穩壓模塊和顯示模塊構成。

圖2 體溫監測終端設計框圖

Fig3Structurecompositionframeoftemperaturemonitoringterminal

3.1 核心控制模塊

系統采用CC2640作為主控制芯片，由于主控制芯片集成度高，功能強大，因此，體溫監測終端控制器電路設計相對簡單，便于最大程度地優化系統電路。該芯片內部集成了ARM Cortex-M3內核、藍牙控制器、8路12位AD轉換器，以及多個可切換輸入輸出模式的GPIO端口。ARM Cortex-M3內核最高主頻可達48 MHz，能滿足較復雜的程序算法和大量的數據運算。芯片集成的藍牙控制器運行功耗3 mA，待機功耗1.1 uA，而控制器在數據發射時的功耗只有9.1 mA，能實現較低功耗的藍牙傳輸。終端每間隔2 s進行一次體溫數據采集和發送，其他時間均處于待機狀態，可實現低功耗監測。

3.2 測溫模塊

測溫模塊采用熱敏電阻作為測溫探頭，熱敏電阻主要分為正溫度系數和負溫度系數兩個種類，正溫度系數熱敏電阻(PTC)采用的是以鈦酸鋇(BaTio3)為主要成分的半導體材料，會隨著溫度升高而增加電阻值；負溫度系數熱敏電阻(NTC)則采用的是金屬氧化物材料，會隨著溫度升高而減小電阻值。熱敏電阻是基于陶瓷或聚合物材料半導體的敏感元器件，體積小，穩定性高，其電阻值會隨著溫度的變化而變化。因為常見的熱敏電阻測溫范圍為-20℃～200℃，精確度可達到0.1℃，完全符合本系統測溫要求。又因為NTC傳感器靈敏度高于PTC，所以,我們最終選用NTC熱敏電阻作為系統測溫探頭。

測溫模塊主要采用分壓電路，使用主控芯片ADC可采集到熱敏電阻兩端電壓數值，熱敏電阻兩端電壓與熱敏電阻阻值之間的關系，有：

其中：R1是熱敏電阻阻值；R2是分壓電阻阻值；U是輸出電壓值；Ui是輸入電壓值。通過上述公式可計算出熱敏電阻R1的電阻值。

又由NTC熱敏電阻與溫度之間的關系[6]，有：

其中：RT是熱敏電阻在開爾文溫度T下的電阻值；RN是熱敏電阻在TN常溫下的標準電阻值；B值是熱敏電阻的重要參數；T和TN都是開爾文溫度(K)，同時又有K=絕對溫度(273.15)+攝氏溫度。由此分析，實際攝氏溫度(T0)為：

在已知RN、B、TN各項參數的情況下，終端只需通過采集熱敏電阻RT的非線性變化曲線，代入上述公式可計算出攝氏溫度T0，得出實際的攝氏溫度值。

3.3 穩壓模塊

本系統終端使用3 V紐扣電池CR2032作為供電電源，但由于紐扣電池在使用過程中，電池電壓會隨電量的減少而下降，因此需要一個線性穩壓電源，以保證設備在整個工作過程中供電電壓的穩定。本設計選用XC6206作為線性穩壓電源，將3 V的電池電壓變為恒定的2.2 V工作電壓，該芯片的最大負載電流為150 mA，靜態功耗最大3 uA，滿足設計需求。

3.4 顯示模塊

本系統終端使用LCD段碼屏用于顯示體溫值，屏幕功耗極低，可以忽略不計。屏幕顯示內容包括數字、小數點和攝氏度符號，其中數字均為7段顯示，小數點和攝氏度符號可分別獨立顯示。體溫顯示樣式為：37.0℃。

4 智能手機客戶端設計

Android智能手機應用程序的開發環境由Android插件(ADT)、Android軟件開發包(SDK)和Eclipse三個開發工具構成，利用Java面向對象程序設計語言進行編程。該語言繼承了C語言的很多優點，但是相較于C語言比較簡單，適用性廣，效率高[7]。智能手機客戶端功能設計包括：用戶登錄，手機藍牙開啟、搜索、配對，客戶端后臺運行，溫度異常預警，歷史數據查詢等。

(1)用戶登錄：病患在使用客戶端前需登錄或注冊個人賬戶，以區分不同體溫數據具體歸屬，避免多用戶訪問相互干擾。

(2)手機藍牙開啟、搜索、配對：手機客戶端具有開啟手機藍牙功能、搜索藍牙設備和藍牙配對的功能權限，否則無法在客戶端內完成藍牙連接功能，若每次使用客戶端時都需要首先在后臺開啟藍牙功能方可使用，不利于用戶體驗。

(3)客戶端后臺運行：在終端與手機配對成功并開始測溫時，客戶端可在手機后臺長期運行，不受手機鎖屏或其他應用軟件的影響，確保完整接收終端發送的所有體溫數據，及時對異常體溫作響應處理。藍牙協議經過長期優化，功耗很低；而手機客戶端只需每間隔2 s接收一次體溫數據并上傳至后臺，無其他復雜繁瑣的操作，不會過多消耗系統資源，使得手機客戶端整體耗電量低于其它常用應用軟件，并遠遠低于手機自身系統和硬件的耗電量。

(4)溫度異常預警：人體腋下溫度正常為36℃～37.4℃，高于或低于此區間時體溫都屬于異常，需要引起注意。溫度異常預警功能就是在被測者體溫處于異常時，及時發出警報，使被測者或醫護人員能在第一時間得知并作相應的檢查及處理。

(5)體溫數據上傳：客戶端可與云服務平臺進行數據交互，客戶端除了對接收到的最新體溫數據實時上傳到云服務平臺外，還會上傳不同手機的識別碼，確保病患體溫數據一一對應。在云服務平臺上能對體溫數據進行查詢和分析。

(6)歷史數據查詢：查詢過去一段時間內的體溫變化情況，可以直觀反映被測者的治療效果或藥物作用效果，方便醫護人員或被測者作進一步的分析病情和預測此后一段時間內可能出現的情況，可作相應預防措施。

針對以上客戶端功能的實現，手機客戶端軟件流程設計見圖3。

5 云服務平臺設計

本系統使用的Tomcat服務器技術先進、性能穩定，是一個開源的Web應用服務器，屬于輕量級應用服務器，在中小型系統和并發訪問用戶量不大的場合普遍使用[8]。系統服務器設計功能較為簡單，主要記錄用戶基本信息、體溫數據及對應的時間等信息。因為服務器所存儲的數據簡單，所以，每個用戶所占的數據總和并不大，在醫院病床有限的前提下，同時訪問服務器的用戶量仍然屬于一個相對較小的數量級，Tomcat服務器完全適用。

(1)用戶基本信息：記錄用戶基本信息，用于匹配和區別云服務平臺中存儲的數據所屬，保證多用戶訪問時互不干擾?？梢杂涗浻脩粼诙啻畏沁B續治療期間的體溫變化情況，大量的數據更有利于對患者作數據分析及預測。

圖3 手機客戶端軟件流程

(2)體溫數據及對應時間：每次記錄體溫數據會同時記錄當前時間，以細分區別體溫數據采集時間。

該云服務平臺為可接入醫院服務器設計，只需對應不同醫院數據庫具體數據格式作相應調整即可與醫院服務器進行數據交互。

6 系統功能分析

體溫計相關國家標準規定：當體溫低于35.3℃或高于41.0℃情況下，測量結果誤差應在±0.3℃范圍內；當體溫處于35.4℃～36.9℃或39.1℃～41.0℃范圍內時，測量結果誤差應在±0.2℃范圍內；當體溫處于37.0℃～39.0℃范圍內時，測量結果誤差應在±0.1℃范圍內；多次測量重復性測量誤差不能大于0.2℃。重復性誤差(S)計算公式：

將系統終端置于恒溫水槽連續測試21 h，測試結果在云服務平臺上顯示如圖4。當恒溫水槽溫度分別設置為37.8、40.5、42.5℃情況下，樣機持續測試結果與恒溫水槽設定值對比波動范圍在0.1℃以內，測量誤差不大于0.1℃，重復性誤差不大于0.1℃，測試結果均符合相關標準。

綜合分析恒溫環境測試結果，系統運行穩定，監測結果準確，又進行了為期10個月的臨床試驗，體溫監測終端和手機客戶端在臨床試驗過程中運行良好。每間隔一段時間用水銀體溫計對病患進行常規體溫測量，間隔時間隨機確定，最長間隔不大于2 h。水銀體溫計測量結果與本系統監測結果對比誤差均小于0.1℃，測量結果均符合體溫計國家標準。

圖4 恒溫環境測試結果

7 結論

該系統終端實測能連續監測3個月以上，運行功耗低；能準確地采集被測者的體溫數據，測溫結果符合體溫計國家標準(GB-T21416)，并將體溫數據實時傳輸到手機客戶端。手機客戶端能完整準確地接收終端發送的所有體溫數據，能通過網絡將數據上傳至云服務平臺。云服務平臺能與手機實現無損數據交互，能對體溫數據進行大數據分析。

臨床試驗證明該系統安全性及準確度符合國家標準。該系統能實時監測患者體溫變化情況，及時發現異常，不錯過最佳治療時機。同時，該系統能減少醫護人員與傳染性疾病患者接觸的次數，降低醫護人員感染疾病的風險。在醫院監護方面，可實現大規模的監測，節省了大量的人力，提高了醫護人員的工作效率。該系統適合醫院及家庭使用。