一種無線感知耳蝸測溫系統的設計

王力申，許崇彩,2，歐陽思琪，李韜，于鑫麟，李東澍

（1.宿遷學院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學院產業技術研究院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

體溫是臨床護理監測的最基本指標之一，是機體內在活動的一種客觀反映。機體的產熱和散熱是受神經中樞調節的，很多疾病都可使體溫正常調節機能發生障礙，導致體溫發生變化。傳統測溫以水銀體溫計為主，但由于測量時間長，需要患者配合，且是玻璃制品，容易打碎，存在不少風險。目前市場上的耳式測溫計主要是歐姆龍、泰爾茂、安安、億思特、博朗等幾種耳式體溫計[1]，到目前為止還沒有對耳溫的判斷標準，加上使用成本和要求較高，市場還未成熟。最主要的問題是現在的測溫計不具備藍牙聯網[2]功能，無法將數據實時傳達給后端，無法實現數據傳輸和遠程控制。

隨著無線網絡應用技術日趨成熟，由于無線應用具有傳播范圍廣、普及率高等有線網絡無法比擬的先天優勢，許許多多組織或個人紛紛使用無線網絡來加速信息的傳播。考慮到上述種種因素，本設計在疫情和中國無線網絡應用發展的現狀和趨勢的基礎上，實現了在現有的疫情預警系統中加入無線應用[3]技術，以達到隨時隨地為醫療機構傳遞傳染病疫情信息的目的。

1 總體方案

本設計系統的主控芯片為STM32F401，模塊由熱電堆傳感器，低功耗微處理器，低功耗藍牙模塊，OLED顯示屏等組成。

采用耳掛式設計。通過藍牙連接上位機，熱電堆可以在一定距離外通過檢測物體的紅外能來測量溫度，利用低功耗處理器、STM32F401采集數據，設備測量體溫并送至后端，進行智能篩選處理，操作簡單，更具人性化。硬件通過與微信小程序相連接，僅需正確佩戴設備便可測溫。設備采用鋰電池供電，Type-c充電且功耗小。設備帶有LCD顯示屏，可直觀查看測量時體溫數據。本測溫系統結構圖如圖1所示。

圖1 一種無線感知耳蝸測溫系統的設計系統結構圖

2 硬件設計

2.1 (非接觸式)耳蝸測溫計

本耳蝸測溫計運用熱電堆傳感器[4]測量耳蝸溫度，內置鋰電池和電源管理，可以達到理想的續航效果，配備OLED顯示屏，用于實時顯示體溫值。其硬件裝置小巧便攜，便于時時佩戴時時測溫。這樣便達到了人與人之間非接觸式的耳蝸測溫效果。根據數據顯示，人耳蝸的溫度相比于額頭的溫度更加接近與人體的真實溫度。關于這一點，本耳蝸測溫深入耳蝸測溫減小了外界溫度對其測溫系統的影響，大大降低錯報誤報的機率。

本耳蝸測溫具備兩種測溫方式：

一是使用耳蝸測溫計上的測溫按鈕，將測溫頭對準皮膚（建議距離小于1cm），輕按測溫按鈕，OLED屏幕將會顯示測得的體溫值。在20s之后屏幕會自動熄滅，進入待機狀態。

二是使用手機微信小程序，用手機微信掃碼獲取小程序之后，搜索并配對MY-TEMP設備，即可使用微信小程序控制耳蝸測溫計進行數據采集并在微信小程序上顯示溫度數值。

2.2 硬件系統

本硬件系統由STM32F401開發板，傳感器MLX90614，一塊低功耗藍牙以及電源構成,電源給開發板、傳感器和藍牙供電，STM32F401開發板從傳感器MLX90614處獲得人體溫度，并通過低功耗藍牙傳輸給客戶端。

2.2.1 STM32F401開發板

STM32F401是意法半導體基于ARM Cortex-M432位/DSP內核的STM32F4[5]系列高性能微控制器的入門級產品。其運行頻率低于其它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、豐富的集成功能領先于同級產品。本設計STM32F401實現各個模塊的整體控制，完成信息的通訊。

2.2.2 傳感器模塊

本設計傳感器MLX90614[6]是無接觸式的紅外線溫度感應芯片，由MLX81101紅外熱電堆傳感器和包括含有穩壓電路、低噪聲放大器、A/D轉換器、DSP單元、脈寬調制電路及邏輯控制電路的MLX90302信號處理芯片構成。 本模塊通過紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號經過內部低噪聲、低失調的運算放大器(OPA)放大后經過A/D轉換器(ADC)轉換為17位數字信號通過可編程FIR及IIR低通數字濾波器(即DSP)處理后輸出,輸出結果存儲在其內部RAM存儲單元中。

MLX90614中有兩個存儲器，分別為EEPROM和RAM。MLX90614共有32個字長為16位的EEPROM存儲單元，其地址為000H—01FH。EEPROM中所有的寄存器都是可以通過SMBus進行讀取，但只有部分寄存器是可以進行改寫的(地址為0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05*，0x0E, 0x0F, 0x09)。可改寫部分如表1所示。

表1 可改寫寄存器

2.2.3 低功耗藍牙模塊

設備通過TM32F401低功耗處理器[7]與微信平臺建立通信，傳輸溫度信息。成功建立連接后，改變環境變量，增加影響因素，通過硬件設備，不斷向平臺傳送體溫數據以及平臺向低功耗設備寫入數據測試連接穩定性。測試期間，設備與終端無斷連現象發生，藍牙與終端可以在較短時間內連接，且抗干擾能力較強。設備與終端成功建立連接后，不斷測量溫度并上傳至平臺。后續修改調試直至設備可以向平臺寫入提問數據，且無誤差，無缺失。

2.2.4 電源模塊

本耳蝸測溫計供電需求小，如果提供的電壓太大則容易導致通過電流較大，一方面容易燒壞芯片，一方面容易加快減少產品的使用壽命。一般只需要加5V電壓即可正常工作。為了增加穩定性與安全性，本耳蝸測溫計采用可穩壓芯片LM393[8]，LM393是常見的三端穩壓集成電路，使用它組成穩壓電源所需要添加的外圍元件很少。另外，此電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，不但價格便宜，使用壽命長，而且安全又穩定。

3 軟件程序設計

本耳蝸測溫系統的軟件設計采用ARM Cortex-M系列匯編語言，以及Python[9]語言處理數據。單片機端設計的軟件功能版塊主要有：溫度監測子模塊、藍牙子模塊、顯示屏子模塊等。主程序首先對系統初始化，然后循調用傳感器MLX90614測得溫度，通過人體的溫度測試，由于不同溫度下所釋放出紅外光能的能量不同，利用熱電堆對紅外光能進行采集，通過電壓算法轉換成溫度值。

3.1 移動微信端

本耳蝸測溫計利用STM32F401低功耗處理器將采集的數據通過藍牙發送到手機端，低功耗藍牙提供可靠的數據傳輸和遠程控制。小程序端采集到數據后，在小程序后端對采集到的數據采取進一步的優化，將優化后數據送到數據庫中保存，當系統發現數據異常時會對用戶發出隔離警告，進一步采取有效的防疫措施。隨后，醫院即可獲取使用者的位置信息，將使用者最后一次檢測的體溫以及位置保存并顯示在人員分布圖上，一旦發現傳染病或者疑似傳染病病人，對其及時妥善處理，做到傳染病病例的早發現、早報告、早隔離、早處置，切實有效的控制傳染源。

3.2 開發者工具

微信開發者工具安裝：微信提供了小程序的官方開發工具—微信開發者工具。下載需要的安裝包后，雙擊安裝包進行安裝，然后點擊“下一步”；許可證協議頁面，點擊“我接受”；選擇目標安裝位置，然后點擊“安裝”；直至安裝結束，點擊“完成”即可。

微信開發者工具使用：打開“微信開發者工具”，提示使用手機微信進行掃描登錄；通過掃碼登陸并綁定開發者微信賬號；然后點擊頁面右上角的真機調試，通過掃碼在開發者手機端進行調試，等待調試完成即可。

設備連接小程序：打開設備開關，等待微信小程序的連接，打開手機，掃碼后，進入小程序，點擊初始化藍牙適配器，再點擊搜索藍牙，選擇自己的設備，即可實現連接。

系統數據傳輸：處于工作狀態下的設備按下測溫按鍵即可獲得當前體溫并上傳數據至小程序平臺，另外可在小程序端開啟硬件端的體溫檢測和數據傳輸。實現軟硬件均可開啟體溫檢測的功能。軟件流程如圖2所示，小程序如圖3所示，藍牙適配器如圖4所示。

圖2 軟件流程圖

圖3 小程序

圖4 藍牙適配器

4 結論

本耳蝸測溫系統在設計初期受到無接觸時測溫設備以及企業微信體溫填報的啟發，采用以熱電堆為核心的硬件檢測溫設，將微信小程序服務端進行數據的接受處理。以實現最終一件測量體溫且上報平臺的功能，確保了數據的切實有效，為企業及高校復工復習提供有力的保障。設計過程中，通過硬件通信協議，采用藍牙進行交互，不斷地進行真機調試，調整代碼，最終確保傳輸期間，數據的準確、安全且無丟失，有效避免誤報、錯報。采用低功耗藍牙降低成本，只需要利用手機等固有的設備即可。與傳統的無接觸測溫設備相比，該設計省去了排隊測體溫，人工填報等繁瑣的過程。一鍵式的體溫測量與填報，確保了數據的實時可靠性，合理有效的規避了虛假信息的填報。

與近年主流測溫計相比，本耳蝸測溫系統的主要優點：

（1）實時統計：實時將佩戴本裝置的人員的體溫記錄、出入時間、所在地點等資料上傳到平臺，提供多維度數據分析報告。若有傳染病發生或者出現傳染病患者，可以及時采集數據，采取措施。

（2）藍牙遠程傳輸數據：本產品利用STM32-F401低功耗處理器將采集的數據通過藍牙發送到手機端，低功耗藍牙提供可靠的數據傳輸和遠程控制。需求方可直接觀測到體溫數據，根據數據進行下一步的疫情調查，有針對性地通知有關人員開展疫情防控工作。

（3）非接觸式測溫：用于人體的溫度測試，由于不同溫度下所釋放出紅外光能的能量不同，利用熱電堆對紅外光能進行采集，通過電壓算法轉換成溫度值。減少排隊測溫，避免了測溫接觸帶來的風險。

（4）低功耗運行：可充電循環使用，達到理想的續航效果續航。