基于近场通信技术的无线无源体温传感器

【作 者】石波，张莉，张根选，曹阳，张赛，李雷

1 蚌埠医学院 医学影像学系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰数字医学技术有限公司，深圳市，518067

基于近场通信技术的无线无源体温传感器

【作 者】石波1，张莉1，张根选1，曹阳2，张赛1，李雷1

1 蚌埠医学院 医学影像学系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰数字医学技术有限公司，深圳市，518067

该文设计了一种无线体温传感器（WBTS），无需单独电源供电，使用时只需将WBTS与具有近场通信（NFC）功能的手机贴近即可在应用程序上实现体温数据的实时采集。WBTS主要由数字体温探头（d-BTP）、NFC模块和天线三部分组成。d-BTP采用单片芯片实现体温数据的采集和处理，NFC模块和天线实现NFC手机和WBTS之间的无线能量传输和数据通信。d-BTP和NFC模块之间采用通用异步传输收发器通信协议，并采用数据压缩技术提高传输效率和降低功耗。经过测试，在(32～42) ℃范围内，WBTS的误差为±0.1 ℃。WBTS具有精度高、功耗低、抗干扰能力强、无需独立电源供电等特点，可以集成到可穿戴设备中用于体温监护和健康管理。

体温传感器；近场通信；可穿戴设备；无源

0 引言

体温是人体的一项重要生理参数，许多疾病都可能使体温调节发生障碍从而改变体温，因此，测量体温并观察其变化对生理状态评估、疾病诊断或预后判断都有重要意义。目前，体温测量已经广泛应用于日常生活和临床。体域网（Body Sensor Networks，BSN）[1]是一种可以进行人体生理参数监测和个人健康管理的网络，主要由传感器节点、中心节点、远程服务器等组成。其中，传感器节点可以附着或穿戴在人体身上或植入人体内部，主要负责人体各种生理参数的采集。体温传感器同样可以作为传感器节点集成到可穿戴式设备中，利用无线传输技术与智能设备进行通信，通过BSN实现个人体温数据的监测和管理。无线传输技术主要采用蓝牙进行，比如低功耗蓝牙（Bluetooth Low-energy，BLE），可以很好地与IOS系统和Android系统的智能设备进行通信。利用蓝牙进行体温测量，传感器需要独立的电源供电，不仅增加了产品的体积，也很难做到很高的防水等级，不适合集成到可穿戴式设备中。Opasjumruskit等[2]设计了一种基于（Radio Frequency Identification，RFID）技术的无线体温传感器，无需独立电源供电，但是由于智能设备不支持RFID，需要采用专用的装置进行体温数据读取，较难推广应用。近场通信(Near Field Communication，NFC)技术及在智能设备中的广泛应用使得体温监测多了一种新的形式。Kollegger等[3]设计了一种基于NFC技术的智能体温贴，体温数据可在手机应用程序（Application，APP）上显示，但是在设计中并没有做到真正的无源，而且测量误差较大。本文基于NFC技术设计了一种无线体温传感器（Wireless Body Temperature Sensor，WBTS），无需单独电源供电，使用时只需将WBTS与NFC手机贴近即可在APP上实现体温数据的采集。

1 方法

1.1 总体设计

WBTS采用无源的设计理念。在使用时，将WBTS的天线贴近NFC设备（如NFC手机）的天线部位，NFC设备通过天线发出的射频场为WBTS提供工作能量，WBTS上电启动后开始采集体温数据通过天线和NFC模块传输给NFC设备，并启动APP进行体温数据的显示。设计中，WBTS摒弃了传统的热敏电阻加测温电桥的模拟方案，而是采用数字方法。基于上述思路，WBTS主要由数字体温探头（Digital Body Temperature Probe，d-BTP）、NFC模块和天线三部分组成。d-BTP采用单片芯片完成体温数据的采集和处理，NFC模块和天线与NFC手机配合实现无线能量传输和数据通信，原理框图如图1所示。

1.2 数字体温探头

目前，市场上很多商业化的芯片都内置温度传感器、模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)和微处理器(Microcontroller Unit，MCU)，单片芯片即可实现温度的采集、运算和数字信号输出，如Microchip公司PIC12系列和PIC16系列的部分器件。本文选用PIC12LF1822作为传感器进行体温测量[4]。

1.3 NFC模块

如今，许多无线通信技术已经广泛应用于移动医疗和数字健康领域，如Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee、ANT、NFC、RFID等。考虑到能同时进行数据和能量的无线传输，我们选择NFC技术。目前，市场上针对个人销售的NFC芯片主要来自恩智浦(NXP)、意法半导体(ST)、德州仪器(TI)等商家。这些商家的NFC芯片大多采用I2C和SPI接口进行数据传输。由于d-BTP采用通用异步传输收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口，因此选用带有UART接口的NFC芯片可以简化设计。SIC4310是Silicon Craft公司推出的一款带UART接口的NFC芯片，可通过NFC智能手机进行读写操作。SIC4310内置RFID模拟前端电路、UART控制器、3.3 V低压差线性稳压器、228字节EEPROM等。SIC4310 RFID模拟前端电路支持ISO14443A标准，通过外接天线可以收集来自射频场的能量，可为外部电路(如传感器、MCU)提供高达10 mA的电源输入。SIC4310采用QFN封装，共16引脚，体积仅3 mm×3 mm，与d-BTP连接应用电路如图2所示。

图2 应用电路Fig.2 Application circuit

1.4 天线

天线是无线通信系统中的一个重要组成部分，它是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置，是自由空间和传输线的接口。NFC模块工作于13.56 MHz频率范围，其天线是通过近场电磁耦合来传递能量和交换信息的，因此可采用绕线线圈作为NFC模块的天线。

NFC芯片一般呈电容性，假如CC表示芯片的电容，LANT表示线圈天线的电感，RANT表示线圈天线的电阻，则天线线圈可等效为如图3所示电路模型（不考虑天线的寄生电容）。

图3 天线等效电路Fig.3 Equivalent circuit of the antenna coil

图3所示天线线圈等效电路的阻抗可以表示为

其中，XL为感抗，XC为容抗，可分别表示为

当线圈的感抗XL与电容的容抗XC相等时，该电路具有最小阻抗，电路达到谐振状态，此时天线可将大部分能量传输至NFC设备，完成能量和数据传输。谐振频率可以根据汤姆逊公式进行计算：

NFC天线工作在13.56 MHz频段，所以，这里f0应该等于13.56 MHz。

在设计中， CC可由NFC芯片手册查得，根据式（4）可以求得LANT，但是根据LANT很难设计出对应的线圈，因为LANT取决于线圈的形状、尺寸、宽度、间距、匝数、厚度等因素[5]。因此，设计时往往是先确定线圈的形状，然后根据对应的估算公式计算出LANT的数值，再根据式（4）求出CC。如果求得的CC与手册提供的不一致，则需外接一个电容CEXT作为匹配，其值大小可用公式表示为

1.5 数据压缩

数据压缩是指在不丢失信息的前提下，通过对原始数据编码，减少分配给该指定信息集合或数据样值集合的空间，以提高数据传输和存储效率的一种技术方法。在心电采集领域，通常对心电数据进行压缩，以提高传输和存储效率[6]。传统的体温采集，大多采用模拟探头，而且由于体温数据采样率不高，一般不需要采用数据压缩技术。本文采用数字探头进行体温采集，为了提高传输效率，降低探头的功耗，在体温数据传输中也采用了数据压缩技术。根据多国医疗器械标准，医用体温计测量精度要求为0.1oC，体温数值需要用浮点数来表示，一个数值需要占用4个字节的存储空间。如果按照浮点数据类型来传输体温数据则会造成传输带宽资源的极大浪费，降低传输效率，同时也会增加探头的功耗，增大工作电流，从而影响测量的精度。由于医用体温测量范围要求至少为（25～45）oC，而且在此范围应该是连续的。按照测量精度要求，在此范围共有201个数据集合。而单个字节可表示无符号类型整数的范围为0～255，因此可以利用压缩算法将4个字节的浮点型体温数据压缩到单个字节传输而精度不受影响。假设原始体温数值为Temp1，经过压缩后的体温数值为Temp2，则可采用下列算式实现压缩转换。

显然的，经过式（6）转换后，在(25～45)oC范围内所有可能的体温数据均落在0～255之间，可以用单个字节通过传输导线实现远距离传输至外部设备，在接收端可采用相应的解码算法进行解码识别，得到分辨率为0.1oC的体温数据。

1.6 校准

校准是决定测量精度的关键因素之一。考虑到生产成本等因素，在实际生产过程中，通常采用单点校准和双点校准两种方法。执行单点校准可以更精确地检测邻近该点的温度。人体的体温是否正常，临界温度为37.0oC，因此我们选择37.0oC为校准点。我们选用上海平轩科学仪器有限公司生产的CH1006型超级恒温槽，温度波动为±0.05oC，显示分辨率为0.01oC，将体温探头置入37.00oC的恒温槽中，以37.00oC为中心校正温度，达到稳定温度后，校正输出值。

2 结果

基于上述原理设计了WBTS，其中d-BTP大小为4 mm × 10 mm，NFC模块大小为20 mm × 34 mm，实物如图4所示。

图4 WBTS实物图Fig.4 The picture of WBTS

为了验证其性能，基于Android系统开发了手机APP进行体温数据读取。图5为手机APP的界面，使用的手机为HTC M8d。

图5 WBTS手机APP界面Fig.5 UI of mobile APP of the WBTS

根据中华人民共和国医药行业标准YY 0785—2010：临床体温计—连续测量的电子体温计性能要求，使用恒温水浴槽作为参考水槽进行体温探头准确度测试。同样使用CH1006型超级恒温槽分别对设计的5个WBTS进行三点(32.00oC、37.00oC、42.00oC)实际水温测量，测试结果如表1所示，单位为oC。在(32～42)oC范围内，误差为±0.1oC。

Wireless Passive Body Sensor for Temperature Monitoring Using Near Field Communication Technology

【Writers】SHI Bo1, ZHANG Li1, ZHANG Genxuan1, TSAU Young2, ZHANG Sai1, LI Lei1

1 Department of Medical Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu, 233030

2 Dimetek Digital Medical Technologies Co. Ltd., Shenzhen, 518067

In this study, we designed a wireless body temperature sensor (WBTS) based on near field communication (NFC) technology. Just attaching the WBTS to a mobile phone with NFC function, the real-time body temperature of human subjects can be acquired by an application program without seperate power supply. The WBTS is mainly composed of a digital body temperature probe (d-BTP), a NFC unit and an antenna. The d-BTP acquires and processes body temperature data through a micro controller, and the NFC unit and antenna are used for wireless energy transmission and data communication between the mobile phone and WBTS. UART communication protocol is used in the communication between the d-BTP and NFC unit, and data compression technique is adopted for improving transmission efficiency and decreasing power loss. In tests, the error of WBTS is ±0.1oC, in range of 32oC to 42oC. The WBTS has advantages of high accuracy, low power loss, strong anti-interference ability, dispensation with independent power supply etc., and it can be integrated into wearable apparatuses for temperature monitoring and health management.

body temperature sensor, near filed communication (NFC), wearable device, passive

R318.6

A

1671-7104(2017)01-0017-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.005

2016-11-01

安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2016A470)

石波，E-mail: healink@foxmail.com