全天候便携式体温监测仪

高 健，穆平安，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



全天候便携式体温监测仪

高 健，穆平安，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

设计了一款可穿戴的基于MLX90614红外温度传感器的体温监测仪，用于监测体温状况。以低功耗单片机STC12LE5620AD为核心，采用MLX90614红外温度传感器测量人体体温，将测得的温度数据传送给单片机进行处理，并将处理过的数据通过蓝牙发送给手机终端，利用终端APP记录温度数据，绘制出温度曲线。该体温监测仪采用低功耗设计，大幅降低了仪器功耗，提高了待机时间，实现了可穿戴的全天候监测。试验测得精度为±0.2 ℃，待机时间约为500 h。

MLX90614；红外测温；全天候监测；及时预警；低功耗；可穿戴

本文研究的全天候便携式体温监测仪以具有超低功耗的STC12LE系列单片机为核心，充分利用单片机外围模块的特性，通过低功耗设计，大幅降低仪器功耗，实现全天候监测，并且通过终端APP记录温度数据，绘制温度曲线，及时预警异常温度。该监测仪体积小巧、结构简单、由电池供电，患者可随身携带，随时监测体温的变化情况[1-3]。

1 系统总体设计

该全天候便携式体温监测仪采用模块化的设计思想，其硬件结构由STC12LE5620AD单片机模块，红外测温模块MLX90614、电源模块，OLED显示模块和蓝牙模块组成。STC12LE5620AD单片机作为处理器，负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、控制显示等过程[4-8]；MLX90614红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC12LE5620AD单片机[9-10]；OLED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本腕部体温检测系统设计电源的供应；最后蓝牙模块将异常体温数据发送给终端[11-12]。

该全天候便携式体温监测仪系统的结构框图如图1所示。

图1 系统整体框架

2 低功耗设计

2.1 主要低功耗元器件

由于该体温监测仪佩戴于腕部，由电池供电，所以此仪器尺寸和功耗均不宜过大。所以在选择处理器时要优先考虑尺寸和功耗的问题。本文选用STC12LE系列单片机，其体积为9 mm×9 mm×1.5 mm,工作电流5 mA，功耗较低，适用于本监测仪[9-10]。

设计基于低功耗的原则，蓝牙部分采用深圳大夏龙雀科技有限公司的DX-BT05-A 4.0，其采用美国TI公司的CC2541芯片，配置 256 kB 空间，遵循V4.0 BLE蓝牙规范，低电压3.3 V工作，工作电流相对于蓝牙3.0降低幅度较大[7]。

2.2 低功耗电路设计

该体温监测仪系统硬件电路如图2所示。硬件电路主要由单片机处理电路、红外测温电路、电源电路、OLED显示电路、蓝牙无线通讯电路和晶振复位电路组成[4-6]。

为减少在降压过程中损失的功耗，所以选择了压降较低的XC6206P332MR芯片，并且为了能够稳定输出电压，设计的降压电路如图3所示。由于本体温监测仪多用于室内环境，噪声干扰较小，因此只需滤去电源的纹波即可。锂电池经过Cin1对输入电源进行滤纹波处理后，经过降压芯片XC6206P332MR转换且经过C4滤波后，得到稳定的3.3 V供电电压[8]。

图2 系统硬件电路图

图3 降压电路

2.3 低功耗软件设计

设计显示屏上的温度值每2 s刷新一次，因此温度值每两次刷新之间会空闲大量的时间，这样造成了能量浪费。所以设计程序时，如果为空闲时间，则使用定时器使单片机进入空闲模式，从而降低单片机功耗。经测试，使用软件使单片机进入空闲模式，仪器的功耗降低了约60%。

3 软件设计

该体温监测仪的软件设计采用模块化的设计思想，将一个复杂的软件设计分成几个相对简单的部分予以解决。

3.1 主程序模块设计

当体温监测仪接通电源时，STC12LE5620AD单片机自动复位，开始运行该程序。该程序首先对STC12LE5620AD初始化，然后判断是否是红外测温，若进行红外测温，则通过显示屏将计算的温度值显示，并等待结束测温命令，再判定是否结束测量。若没有进行测温，若收到结束命令则返回开机显示，重新判断[15]。

图4 主程序模块工作的流程图

3.2 SMBus协议

软件通过SMBus协议对MLX90614进行读/写，发送和接收数据是以字节为单位进行，发送流程为按位每次从高位到低位发送一个字节，然后判断对方是否有响应，如果有响应就接着按位发送下一个字节；如果没有响应，重发一定次数该字节，直到有响应，再按位发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有响应，就结束。具体读写流程如图5所示，软件正是按流程对MLX90614中的EPROM及RAM读取写人MLX90614属性和读取被测物体温度值。

3.3 手机终端APP设计

当监测仪测得当前体温后，便将所测温度数据通过蓝牙传输到手机终端，手机终端将收到的数据存储。为了能直观的观察体温变化情况，以及当用户体温发生异常时，能及时的提醒用户，设计了一个能绘制温度曲线并具备预警功能的手机APP。该APP是基于Java的Android APP，其设计思路是将手机收到的温度数据按时间点绘制成一条温度曲线，并预设报警温度为37.2 ℃，当体温超过预设值时，手机会发生震动，并且APP会推送一条通知消息在手机上，起到预警的作用。

图5 Android上位机程序

4 实验数据分析

采用高精度水银温度计与本测温系统，对随机的6个人在同一天的3个时间点进行体温测量，同时在室内环境下进行测量，尽量降低外界环境对体温的影响，从而得到准确的对比结果。从表1和表2的数据可以看出，MLX90614DCC的测量精度能达到±0.1℃，需要注意的是，在测量时需将探头前端尽量靠近人体，不超过2 cm，以保证精度。

表1 水银温度计测温结果 /℃

表2 红外温度传感器测温结果 /℃

实验时，接入万用表，可测得系统工作时电流大小。表3为程序优化前仪器工作时电流大小及待机时间，表4为程序优化后仪器工作时电流大小及待机时间。分别接入5块满电量锂电池，对系统电流进行测量，由表3和表4的数据可以看出，处理前，系统工作电流约为5 ，处理后，系统工作电流约为2 ，经过处理，仪器的功耗降低约60%，待机时间提高了170%，降低了电池的更换频率或充电频率。

表3 程序优化前系统工作电流及待机时间

表4 程序优化后系统工作电流及待机时间

当体温超过预设值时，手机终端APP便会推送一条通知消息到用户的手机上，起到预警作用。

图6 APP预警信息

5 结束语

采用非接触测温的红外温度传感器MLX90614，设计了一种全天候体温监测仪。由实验数据可得：该监测仪的软硬件设计稳定可靠，测量范围在30～50 ℃，相对误差不超过0.2 ℃；本监测仪可实现24 h对人体的体温进行监测，并且绘制温度曲线，可直观的观察体温变化情况，一旦体温发生异常，便会报警且通知用户。该监测仪的功耗低，提高了待机时间，另外，通过蓝牙通讯方式，传输速度快、抗干扰能力强，保证了通讯的准确度。

[1] 姚泰.生理学[M].北京:人民卫生出版社,2003.

[2] 邵荣雅,姚蕴伍.60例外科病人不同时问体温测量结果[J].浙江预防医学,2000,12(11):55-57.

[3] 胡荣.体温测量法之比较[J].国外医学护理学分册,1999,18(7):342-345.

[4] 宋文,杨帆.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 莫力.Protel电路设计[M].北京:国防工业出版社,2005.

[7] 蔡惟铮.常用电子元器件手册[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

[8] 王武江,陈树凯.常用集成电路速查手册[M].北京:冶金工业出版社,2004.

[9] 胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.

[10] 魏泽鼎.单片机应用技术与实例[M].北京:电子工业出版社,2005.

[11] 戴义保.高精密温度测量的研究与实现[J].自动化仪表,2003,24(3):24-27.

[12] 谢光忠,蒋亚东.温湿度智能数据采集控制系统的研制[J].传感器技术,2000,19(4):29-33.

[13] 周晓,张春生,张希文,等.便携式低功耗温度检测仪设计[J].电子科技,2012,25(9):121-123.

[14] 谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,1999.

[15] 张稀,王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.

The Design of Temperature Detection System

GAO Jian，MU Pingan，DAI Shuguang

(School of Optical-Electronic Information and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The design of a temperature monitor MLX90614 infrared temperature sensor based on wearable, for monitoring the temperature condition. The new low-power microcontroller STC12LE5620AD as the core, using MLX90614 infrared temperature sensor for measuring body temperature, the measured temperature data sent to the microcontroller for processing, then the processed data through Bluetooth wireless communication will be sent to the mobile phone terminal temperature data, using the APP terminal to record the temperature data, drawing temperature curve. This body temperature monitor uses the low power consumption design, greatly reduces the instrument power consumption, enhances the standby time, realizes the all-weather monitoring. By experiment, the measured accuracy is + 0.2 C, standby time is about 500 hours. Compared with other electronic body temperature measuring instrument, the design has the characteristics of all-weather monitoring, timely warning, low power consumption, wearable and so on.

MLX90614;infrared temperature measurement;all-weather monitoring;timely warning;low power consumption;wearable

2016- 10- 09

高健(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：精密仪器及机械。穆平安(1968-)，男，博士，教授。研究方向：测试计量技术及仪器。戴曙光(1957-)，男，博士，教授。研究方向：虚拟仪器技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.028

TN219;TP274+.52

A

1007-7820(2017)08-102-04