基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)

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(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣西 南寧 530021）

0 引 言

體溫作為人體基本生理指標(biāo)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(zhǔn)確的體溫測量在醫(yī)學(xué)以及其他領(lǐng)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(yīng)治療方案。然而目前臨床上所使用的體溫計(jì)存在讀數(shù)困難、難以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及易于產(chǎn)生交叉感染等問題[1]，無法滿足當(dāng)下醫(yī)生、患者對體溫計(jì)的使用需求。近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛[2]，可以利用藍(lán)牙、WiFi等無線傳輸技術(shù)[3]通過通信網(wǎng)絡(luò)使得物體與專網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)和因特網(wǎng)相連，進(jìn)行長距離或者短距離的數(shù)據(jù)交換和信息通信，實(shí)現(xiàn)對物體的智能化識別、預(yù)案管理和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等[4]。基于此，本文設(shè)計(jì)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(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測病人體溫[5]，并對測溫系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，可解決目前臨床上使用體溫計(jì)所面臨的問題。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖1所示。本系統(tǒng)采用12C5A60S2單片機(jī)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(jī)相連；WiFi模塊采用ESP8266芯片，12C5A60S2單片機(jī)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(luò)傳送給手機(jī)或電腦，從而遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的體溫?cái)?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(yīng)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(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器等。MLX90614系列芯片設(shè)置有默認(rèn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2 MLX90614內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MLX90614采用標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝，該封裝有四個(gè)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(jī)連接時(shí)，將SCL、SDA引腳直接連接單片機(jī)的I/O口，VDD引腳接5 V電壓。MLX90614與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機(jī)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(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，通過WiFi與上位機(jī)通信。利用ESP8266模塊對傳統(tǒng)串口設(shè)備進(jìn)行簡單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機(jī)，實(shí)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(nèi)通信；AP模式將ESP8266作為一個(gè)熱點(diǎn)，上位機(jī)通過連接此熱點(diǎn)通信，屬于局域網(wǎng)內(nèi)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(nèi)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(gè)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(jī)等上位機(jī)通過英特網(wǎng)將控制信號發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；服務(wù)器接收到信號后，再利用英特網(wǎng)轉(zhuǎn)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(jī)。反之，單片機(jī)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(luò)服務(wù)器后轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)、平板電腦等上位機(jī)。由此便通過英特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)等上位機(jī)對單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通。

氦氪云定義了上位機(jī)與Hekr V1.1傳輸指令幀的格式：基本幀格式數(shù)據(jù)頭+產(chǎn)品業(yè)務(wù)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(biāo)識，其值固定為十六進(jìn)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(jī)上報(bào)幀，0x02為上位機(jī)下發(fā)幀，0xFE為操作幀，0xFF為錯(cuò)誤幀。

（4）幀序號（1 B）：每傳輸一幀，序號自增1，標(biāo)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(nèi)容，其長度根據(jù)實(shí)際情況而定。

（6）校驗(yàn)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(nèi)容見表2所列。表2中下發(fā)幀由手機(jī)、電腦等上位機(jī)發(fā)送給單片機(jī)，上報(bào)幀由單片機(jī)發(fā)送給上位機(jī)。

表2 傳輸幀

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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

圖6 上位機(jī)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(jié)果，按“前”或“后”按鍵可翻看儲存的歷史體溫?cái)?shù)據(jù)。上位機(jī)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(jī)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(jī)發(fā)送Upward幀，查看前一個(gè)體溫測量值；如“后”按鍵按下則向單片機(jī)發(fā)送Downward幀，查看后一個(gè)體溫值。之后，向單片機(jī)發(fā)送QueryStatus幀，單片機(jī)收到QueryStatus幀后，將監(jiān)測到的體溫?cái)?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?cái)?shù)值；如未收到ReportStatus幀，則提示丟失。

圖7 上位機(jī)程序流程

5.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)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(biāo)志位取反。接著判斷是否收到QueryStatus幀，如收到則向上位機(jī)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(dòng)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(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

圖8 軟件程序流程

6 系統(tǒng)測試

在iPhone7智能手機(jī)上安裝氦氪云APP，當(dāng)Hekr V1.1連接因特網(wǎng)后，將手機(jī)連接4G網(wǎng)絡(luò)。選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，在8：00，15：00，20：00時(shí)使用精密水銀溫度計(jì)[9]分別測量他們的腋下體溫，同時(shí)使用本文所設(shè)計(jì)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(jié)果見表3所列。

測試結(jié)果顯示，最大的體溫誤差僅為0.46 ℃，符合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)w溫測量精度和準(zhǔn)確度的要求[10]。測試過程中，在APP上點(diǎn)擊“開始/清零”按鍵時(shí)，溫度值可正確顯示或清零；點(diǎn)擊“前”按鍵、“后”按鍵時(shí)，可查看歷史數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 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(yuǎn)程監(jiān)測體溫等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過測試，該體溫監(jiān)測系統(tǒng)輸出響應(yīng)良好，誤差小，可應(yīng)用于臨床治療、科學(xué)研究等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

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