一种新型可穿戴式体温计设计

引 言

体温是反映人体健康状况的重要参数，体温的变化往往可反映出人体的诸多问题。医院里，护士会定时对病人的体温进行测量，若家中有婴儿或行动不便的老人，监护人能随时了解他们的体温状况，发现问题可及时送医，避免病情恶化尤其是婴儿，发热对生长发育有极大的影响。故市场需要一款能实时测量并实时显示温度信息的设备

1 硬件设计

由于该设备需长期佩戴于被测人员身体上，对功耗及设备体积的要求较高，而体温测量相对于工业温度测量，精度要求较低，故硬件设计将主要考虑体积与功耗两方面，系统结构如图 1 所示

1.1 采集

考虑到用热电阻或热电偶搭建测温电路需信号调整电路放大电路，A/D 转换电路，将占用较大的 PCB 板空间，与设计思想不符，故该设备采用集成温度传感器 DS18B20，该温度传感器体积小，价格低，符合设计要求。DS18B20 与芯片通过单总线协议通信 [1] ：写时序 ：拉低总线 60 μs，再抬高总线 5 μs，完成写 0 操作 ；拉低总线 5 μs，抬高总线 60 μs，完成写 1 操作。读时序：拉低总线 5 μs，再释放总线，读取总线若为 0，则读入0 ；若为1，则读入1

1.2 数据处理及传输

1.2.1 核心处理器

核心处理器用于控制整个设备工作， 包括网络连接数据发送及模拟 DS18B20 通信时序，读取温度传感器温度信息。该设备所采用的芯片为 ESP8266，该芯片尺寸为5 mm×5 mm，集成了 32 位 Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需少量的外围电路，可将所占PCB 空间降到最低，符合设计要求。ESP8266 是一个完整且自成体系的 WiFi 网络解决方案，能够独立运行，也可作为从机搭载于其他主机 [2]。为降低硬件空间，以 ESP8266 为主控芯片进行开发。该处理器内部结构如图 2 所示 [3]。

1.2.2 数据传输

由于该设备核心处理器集成了 WiFi 模块，故仅需将设备连接WiFi 网络，即可通过TCP 协议或UDP 协议进行数据发送分别考虑两种传输方式 [4]：TCP 是一种面向广域网的通信协议目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条基于流，面向连接的通信方式 ；UDP 是ISO 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向操作的简单非可靠信息传送服务。两种传输方式各有优劣，故该设备按实际情况分为两种应用场景，分别为作为医疗设备及家庭使用。作为医疗设备使用时，主要用于医院中病人体温的实时监测，该情况下接入设备量大且集中，上位机与测量设备处于同一局域网中，通信无需连接广域网，局域网内通信即可。局域网通信不经过云服务器，数据传输快速，安全。考虑到需接收信息的上位机较多故相对于面向连接的 TCP 通信协议，UDP 广播通信更合适可保证不同上位机能接收到局域网内测量设备发送的信息

家庭使用时，多数情况下上位机设备与测量设备不处于同一局域网中，如父母上班，老人孩子在家中，故为了数据传输的可靠性，测量设备与上位机均需连接广域网，测量设备将温度信息传输至云服务器，云服务器再将信息传输给目标接收设备，在户主外出情况下依然可实时了解到家中老人与小孩的体温状况

1.3 电源部分及 PCB板设计

电源采用两颗 1.55V纽扣电池供电，可满足芯片 2.5～3.3V的工作电压要求。PCB板实物如图 3所示，具体尺寸为27 mm×18 mm，该 PCB 板体积小，器件加上外壳封装后较小的体积可保证佩戴人员的舒适感，仅需用医用胶带粘贴于被测人员腋下即可，对被测人员正常生活无影响。

2 软件设计

该设备软件流程如图 4 所示。设备上电后，先初始化芯片配置，其中包括波特率设定，芯片工作模式设定，I/O 初始化网络初始化等

初始化完成后，芯片会根据 FLASH 中存储网络 SSID 以及PASSWORD 信息自动连接上指定无线网络 ；网络连接成功后，根据不同应用场景，芯片会通过 UDP 协议向局域网内所有地址广播信息或通过 TCP 协议向云服务器发送信息 ；发送的信息中包含芯片MAC 地址及从温度传感器中读取的温度信息，其中 MAC 地址用于区分不同设备数据，以分别显示所选控制芯片有 3 种工作模式见表 1 所 列。 其中Modem-Sleep 用于 CPU 一直处于工作状态的应用；LightSleep 用于 CPU 可暂停的应用；Deep-Sleep 用于不需一直保持WiFi 连接，较长时间发送一次数据包的应用。为降低功耗，完成一次数据读取及发送后，CPU 进入 Deep-Sleep 模式，每300 s 唤醒一次，唤醒时间间隔可根据实际情况进行调整，唤醒后 CPU 在 1 s 内重新连接 WiFi，再次读取传感器数据并进行发送，为增强数据发送的容错性，发送数据后会启动定时器， 以 1 s 的间隔连续发送 3 次数据，发送结束后 CPU 再次进入Deep-Sleep 模式，等待唤醒进行下一次发送。

3 上位机程序设计

3.1 演示程序

实现基本功能的演示程序，分为应用于 Windows 操作系统下的程序及移动设备 Android 程序，此处仅用于功能演示功能单一，Windows 客户端需建立一个 UDP 连接，设定好和设备对应的端口即可接收数据，一部分接收数据如图 5 所示可见与温度信息一同传输过来的还有设备 MAC 地址，MAC 地址的唯一性可作为区分设备的较好手段，图中温度显示1 956 即 19.56℃

由于本设备用手机查看数据时应处于家庭应用模式，故需要手机连接云平台[5]，由于对数据实时性要求低，云平台的选择没有苛刻要求，选择好云平台后根据平台提供的开发文档将手机及设备接入云平台即可，手机接收程序在模拟器上的演示如图 6 所示

图5 电脑客户端程序演示图6 手机程序演示

3.2 上位机软件功能扩展

鉴于演示用上位机程序功能单一，达不到商用化要求，若要应用于商业推广，可对程序进行以下改进，以增强用户体验 [6]

(1) 美化界面，提高用户兴趣

(2) 多设备信息同时显示，可根据设备发送的 MAC地址信息用以区分

(3) 数据存储，便于随时查找被测人员的温度信息

(4) 绘 图，根据测量信息绘制温度变化曲线图，使用户更直观地了解被测人员体温变化情况

(5) 温度超限报警

(6) 针对手机 APP可提供一些健康常识等

4 产品优势

该产品相对于现阶段市场上的产品有诸多优势，目前穿在身上的智能医疗服较厚重，该产品体积小，被测人员舒适感较强。除此之外，该产品成本较低，商用后价格会更低该产品采用 WiFi 进行数据传输，由于 WiFi 使用的频段较广不受使用许可权的限制，因此它的使用面积极广，真正成为了方便快捷、价格低廉、国际通用的无线接口 [7]

而对比于目前市场上用蓝牙传输信息的同类产品，WiFi 传输的优势更显得无可替代 [8]。蓝牙接入设备数量有极大地限制，因此限制了其应用场合——无法用于大量设备检测的情况，典型的应用场景就是医院对病人的体温检测。除了接入设备限制外，蓝牙的传输距离也极大限制了其应用范围。本产品采用WiFi 进行数据传输，完美地解决了上述问题，WiFi 可接入设备数量大。当设备通过 WiFi 接入广域网，连接云平台后通信距离的问题也随之解决，可让用户外出的同时了解在家中老人或未成年人的体温状况

5 结 语

本文设计了一种新型可穿戴式体温计的设计方案及具体实现方案，该产品可用于医院，减小医护工作量，获得更多的体温数据，对病人的治疗有着积极意义 ；亦可用于家庭，对老人及未成年人的体温进行远程实时监测。该产品体积小功耗低，成本低，相对于市场上的同类产品有极大竞争优势具有十分良好的应用前景