嬰幼兒體溫監測器設計

許俊杰 林木泉 李智敏 張偉杰

摘 要：該設計使用低功耗藍牙為通信手段，由臂環和報警器2部分組成。通過體溫傳感器WD3703和6軸運動處理傳感器MPU6050，使用互補濾波算法融合MPU6050內置的陀螺儀和加速度計的數據計算出較為準確的傾角數據，使用中位值平均濾波法計算溫度數據，從而實現嬰幼兒體溫和睡眠姿態的實時監測，并存儲數據。數據異常時會進行報警提示，有效減輕父母在看護嬰幼兒生病發燒時的負擔。該設計存儲的睡眠姿態數據能及時提供給父母作為參考，以便對嬰幼兒的不良睡姿進行調整。

關鍵詞：WD3703;互補濾波算法; MPU6050;中位值平均濾波法

文章編號：2095-2163（2019）04-0194-04 中圖分類號：TN98 文獻標志碼：A

0 引 言

由于當前社會很多年輕父母把更多時間投入工作，嬰幼兒生病發燒后，有時工作還不能落下，甚至需要在家加班。這種情況下，照顧起來往往力不從心，倍感疲憊。即使能放下手頭的工作，也幾乎是整夜無眠，不時測量孩子的體溫，這對父母的身心也是一種考驗。基于此，本文設計了一種具備實時監測嬰幼兒體溫的監測器，減輕父母看護過程中的負擔。同時該設備具備記錄孩子睡眠姿勢的功能，因為孩子的體型在發育階段，70%的時間都是在床上度過[1]，該功能能及時矯正孩子的不良睡姿。

1 系統原理

監測器分為2部分：臂環和報警器。臂環戴在嬰幼兒手臂上監測體溫和睡眠的動作狀態，同時將數據通過藍牙發送到報警器。報警器實時通過大尺寸的紅色數碼管顯示嬰兒當前的體溫，同時在液晶顯示屏上顯示嬰幼兒當前的睡眠姿勢。可通過報警器的按鍵查詢嬰幼兒體溫和睡眠姿勢的歷史記錄。系統結構如圖1所示。

2 監測器硬件設計

2.1 臂環硬件組成

臂環的電源芯片使用TP4058，有600mA的可編程充電電流，為臂環內置的鋰電池進行充電管理。鋰電池通過XC6203E332PR低壓差LDO穩壓器輸出3.3 V為傳感器和控制芯片供電。加速度傳感器使用MPU6050，該芯片內部包括一個3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計[2]。藍牙模塊使用蜂匯物聯科技公司的低功耗BLE射頻模塊，該模塊是基于TI公司的CC2541F256芯片設計而成。體溫傳感器使用WD3703，具有用戶可編程的13位（0.031 25 ℃）分辨率，通過一根數據線實現Single-Line協議完成串行傳輸數據，與控制芯片的PA5引腳連接。控制芯片使用低功耗芯片STM32L151C8T6，具有214 uA/mHz的運行模式和9uA低功耗運行模式[3]。臂環硬件各部分電路詳情如圖2所示。

2.2 報警器硬件組成

報警器的數碼管使用TM1650芯片驅動4位共陰數碼管，報警器使用和臂環同型號的藍牙模塊，通過內存寄存器即可配置主從模式。液晶顯示器使用SPI通信接口的1.8寸TFT屏。存儲芯片使用AT24C32，是一個32K位串行CMOS E2PROM，器件通過IIC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能[4]，內部存放體溫和睡眠姿態數據。一個用戶按鍵，用來切換顯示的內容，聲光報警電路由一個蜂鳴器和LED組成。報警器硬件各部分電路如圖3所示。

3 監測器軟件設計及運行測試

3.1 程序流程圖

臂環程序代碼分為2部分：一是主程序，首先進行傳感器初始化后立即進入低功耗狀態。另一部分是定時器，MPU6050傳感器和體溫傳感器數據的采集在定時器2中每隔200 μs獲取一次，獲取后立即通過藍牙模塊發送數據。

報警器的程序流程如圖4所示。

開機上電后設備先初始化，然后開始接收臂環通過藍牙發送過來的數據，數據通過自定義協議進行數據傳輸。數據異常時進行聲光報警，同時將體溫數據和睡眠姿態通過液晶屏顯示出來。體溫和睡眠姿態數據通過存儲芯片進行長期保存，通過報警器的按鍵可隨時查詢。

在該系統中，藍牙模塊發送的自定義數據幀包括7個字節，第1字節0XFF，表示幀頭，第2字節表示體溫數據的十位，第3字節表示體溫數據的小數位，例如體溫數據是37.5℃，那么第2字節發送的就是37的十六進制數0X25，第3字節是5的十六進制數0X05，第4字節表示睡姿數據，規定0X01是左側躺，0X02是右側躺，0X03是仰躺，0X04是臥躺，第5字節的數據，0X01表示從睡眠中醒來，0X02表達睡眠狀態正常、第6字節、第7字節預留，即目前值都為0X00，方便后續功能的增加，第8字節為前面除幀頭外的校驗和。

3.2 臂環算法設計

臂環主要監測體溫和睡眠姿勢。體溫由接觸式傳感器WD3703通過Single-Line協議直接傳回，該系統使用中位值平均濾波法，即溫度數組中去掉最大值和最小值后取平均值。對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由其所引起的采樣值偏差。

睡眠姿勢的判斷需2個參數，一個是加速度，一個是傾角。本監測器中，通過計算傾角可以監測的睡眠姿勢有仰躺、臥躺、左側躺、右側躺。通過對加速度值的處理可以監測嬰幼兒是否從睡眠中醒來。

每隔20 s主控芯片采集一次MPU6050傳感器的加速度數據，把3個軸加速度的絕對值求和放入一維數組，采集8次。當第1次采集完8個數據之后，第9個數據則替換原來數組中的第1個數據，第10個數據替換原來的數組中的第2個數據，以此類推，保證數組中保存的都是最新采集的8個數據。判斷數組8個元素之和，若大于某個閾值，則說明孩子手臂動作較大，且堅持了較長時間，判定孩子從睡眠中醒來。

對睡眠姿勢的判定需要獲取傾角數據。對MPU6050傳感器而言，加速度計對嬰幼兒手臂動作的加速度比較敏感，取瞬時值計算傾角誤差比較大，而陀螺儀積分得到的角度不受手臂動作產生的加速度影響。但隨著時間的增加，積分漂移和溫度漂移帶來的誤差比較大。通過互補濾波算法可以實現2種傳感器的缺點互相彌補，互補濾波就是短時間內采用陀螺儀得到的角度做為最優，定時對加速度采樣的角度進行取平均值來校正陀螺儀得到的角度[5]。長時間用加速度計較為準確，即加速度計濾高頻信號，陀螺儀濾低頻信號，然后相加得到整個頻帶的信號，互補濾波需要選擇切換的頻率點，即高通和低通的頻率。 算法代碼如下所示：

float K2 =0.14;

float x1，x2，y1;

float dt=20*0.001;

float AngleAmend;

void SecondOrderFilter（float Angle_Acce， float Angle_Gyro）

{

x1=（Angle_Acce-AngleAmend）*（1-K2）*（1-K2）;

y1=y1+x1*dt;

x2=y1+2*（1-K2）*（Angle_Acce-AngleAmend）+Angle_Gyro;

AngleAmend=AngleAmend+ x2*dt;

}

其中，K2表示對加速度取值的權重;dt表示濾波器采樣時間;AngleAmend表示二階濾波后的角度;Angle_Acce表示由加速度求出的角度;Angle_Gyro表示角速度。

3.3 監測器的運行及測試

測試階段對測試對象進行了4個睡眠姿勢的識別正確率測試。例如測試仰躺時，前一個睡眠姿勢隨機，即可能是左側躺轉仰躺，也可能是右側躺或者臥躺轉仰躺。每個姿勢測試50次。測試結果見表1。

從測量結果來看，算法具備較高的準確度，能夠滿足監測需求。但是仍然存在一定的誤差，算法存在改進空間。對比體溫計和該監測器測得的數據，誤差在±0.2 ℃以內。

4 結束語

該監測器能夠實時監測嬰幼兒的體溫，對于異常的體溫數據能夠及時產生報警信號提醒監護人，同時記錄的睡眠姿勢便于提醒父母及時調整嬰幼兒的不良睡姿。臂環和報警器的連接無需經過復雜的配對，對于老年監護人員使用方式較為友好。但目前該監護器并未實現聯網功能，且監測的生理參數不多，未能對心率、血氧進行監測。

參考文獻

[1] 李立早， 胡曉燕， 鄭子昊. 一種智能嬰兒睡姿調整系統的設計[J]. 信息通信， 2018 （9）：53-55.

[2]徐秀林， 姚曉明， 徐奚嬌. MPU6050在評定人體上肢關節角度中的應用[J]. 生物醫學工程學進展， 2015，36（3）：137-141.

[3]朱武輝， 王放. 基于STM32的無線傳感網絡車輛檢測節點的設計[J]. 計算機光盤軟件與應用， 2012（9）：166-167.

[4]陳博. AT24C系列貼片式EEPROM芯片[J]. 電子世界， 1998（10）：35-36.

[5]張承岫， 李鐵鷹， 王耀力. 基于MPU6050和互補濾波的四旋翼飛控系統設計[J]. 傳感技術學報， 2016，29（7）：1011-1015.