一种无线可穿戴式动态体温监测系统的设计与实现*

栾强厚，黄鑫，何敏娜，林桂港，武剑辉

(广东睿超电子科技有限公司，东莞 523808)

1 引 言

体温测量和监控是临床诊治各类疾病的基础指标之一，是预防各类疾病的重要基础[1]。日常生活中体温的变化也是我们对自身身体状况判断的一个重点。水银体温计因其测量结果较为准确，成为行业标准基础，是目前我国临床最常见的体温测量工具[2]；但在我国签署了《水俣公约》的大环境下，明确指出：自2020年起禁止生产和进出口含汞产品[3]。

市面上常见的耳温体温计、额温体温计等均通过红外线测量，所采集数据为模拟数据，只能用于公众排查，不能用于临床诊治参考[4]。而另一类市面上常见的腋下电子体温计，虽然数据准确，但大多为一次性测量，对于病患的多次测量或实时监护，会增加医护人员较大的工作量[5]。由于医护人员与患者频繁接触，增大了疾病传播的风险。

随着智能手机的发展及普及，绝大部分人已经能够简单操作智能手机上的应用软件。本研究借由《水俣公约》下体温计的转型和智能手机的普及，设计了一款无线可穿戴式动态体温监测系统。

2 系统总体设计

本研究所设计监测系统均采用无线传输数据的方式。图1为系统整体设计框图，包括：体温监测终端、智能手机客户端和云服务平台3个部分。体温监测终端为可穿戴设备，佩戴在被测者上手臂，用于实时监测被测者体温变化情况。当终端与手机蓝牙匹配后，可实现与手机一对一数据交互，体温数据将实时传输到用户手机客户端上。手机客户端可实时接收并存储终端体温数据，并将数据上传到云服务平台，也可以从云服务平台获取相关数据，查看一段时间内体温变化情况；云服务平台可以接收并存储智能手机上传的实时数据，进行大数据分析。该系统适用于医院或家庭，患者在家里也可以自我监测自身体温变化情况，终端数据直接上传并保存在手机客户端内，并通过手机客户端实现数据分析和温度变化情况查询。

图1 系统整体设计框图

3 体温监测终端设计

体温监测终端主体为亲肤感较好的塑料材质，固定带为皮质或绒布材料，为了方便用户携带和使用，外观为可穿戴式设计，大致类似于手表形状，佩戴在手臂上部，探测腋下温度。终端设置有一个控制按键和一个实时温度显示屏幕，见图2，系统体温监测终端主要由核心控制模块、测温模块、稳压模块和显示模块构成。

图2 体温监测终端设计框图

Fig3Structurecompositionframeoftemperaturemonitoringterminal

3.1 核心控制模块

系统采用CC2640作为主控制芯片，由于主控制芯片集成度高，功能强大，因此，体温监测终端控制器电路设计相对简单，便于最大程度地优化系统电路。该芯片内部集成了ARM Cortex-M3内核、蓝牙控制器、8路12位AD转换器，以及多个可切换输入输出模式的GPIO端口。ARM Cortex-M3内核最高主频可达48 MHz，能满足较复杂的程序算法和大量的数据运算。芯片集成的蓝牙控制器运行功耗3 mA，待机功耗1.1 uA，而控制器在数据发射时的功耗只有9.1 mA，能实现较低功耗的蓝牙传输。终端每间隔2 s进行一次体温数据采集和发送，其他时间均处于待机状态，可实现低功耗监测。

3.2 测温模块

测温模块采用热敏电阻作为测温探头，热敏电阻主要分为正温度系数和负温度系数两个种类，正温度系数热敏电阻(PTC)采用的是以钛酸钡(BaTio3)为主要成分的半导体材料，会随着温度升高而增加电阻值；负温度系数热敏电阻(NTC)则采用的是金属氧化物材料，会随着温度升高而减小电阻值。热敏电阻是基于陶瓷或聚合物材料半导体的敏感元器件，体积小，稳定性高，其电阻值会随着温度的变化而变化。因为常见的热敏电阻测温范围为-20℃～200℃，精确度可达到0.1℃，完全符合本系统测温要求。又因为NTC传感器灵敏度高于PTC，所以,我们最终选用NTC热敏电阻作为系统测温探头。

测温模块主要采用分压电路，使用主控芯片ADC可采集到热敏电阻两端电压数值，热敏电阻两端电压与热敏电阻阻值之间的关系，有：

其中：R1是热敏电阻阻值；R2是分压电阻阻值；U是输出电压值；Ui是输入电压值。通过上述公式可计算出热敏电阻R1的电阻值。

又由NTC热敏电阻与温度之间的关系[6]，有：

其中：RT是热敏电阻在开尔文温度T下的电阻值；RN是热敏电阻在TN常温下的标准电阻值；B值是热敏电阻的重要参数；T和TN都是开尔文温度(K)，同时又有K=绝对温度(273.15)+摄氏温度。由此分析，实际摄氏温度(T0)为：

在已知RN、B、TN各项参数的情况下，终端只需通过采集热敏电阻RT的非线性变化曲线，代入上述公式可计算出摄氏温度T0，得出实际的摄氏温度值。

3.3 稳压模块

本系统终端使用3 V纽扣电池CR2032作为供电电源，但由于纽扣电池在使用过程中，电池电压会随电量的减少而下降，因此需要一个线性稳压电源，以保证设备在整个工作过程中供电电压的稳定。本设计选用XC6206作为线性稳压电源，将3 V的电池电压变为恒定的2.2 V工作电压，该芯片的最大负载电流为150 mA，静态功耗最大3 uA，满足设计需求。

3.4 显示模块

本系统终端使用LCD段码屏用于显示体温值，屏幕功耗极低，可以忽略不计。屏幕显示内容包括数字、小数点和摄氏度符号，其中数字均为7段显示，小数点和摄氏度符号可分别独立显示。体温显示样式为：37.0℃。

4 智能手机客户端设计

Android智能手机应用程序的开发环境由Android插件(ADT)、Android软件开发包(SDK)和Eclipse三个开发工具构成，利用Java面向对象程序设计语言进行编程。该语言继承了C语言的很多优点，但是相较于C语言比较简单，适用性广，效率高[7]。智能手机客户端功能设计包括：用户登录，手机蓝牙开启、搜索、配对，客户端后台运行，温度异常预警，历史数据查询等。

(1)用户登录：病患在使用客户端前需登录或注册个人账户，以区分不同体温数据具体归属，避免多用户访问相互干扰。

(2)手机蓝牙开启、搜索、配对：手机客户端具有开启手机蓝牙功能、搜索蓝牙设备和蓝牙配对的功能权限，否则无法在客户端内完成蓝牙连接功能，若每次使用客户端时都需要首先在后台开启蓝牙功能方可使用，不利于用户体验。

(3)客户端后台运行：在终端与手机配对成功并开始测温时，客户端可在手机后台长期运行，不受手机锁屏或其他应用软件的影响，确保完整接收终端发送的所有体温数据，及时对异常体温作响应处理。蓝牙协议经过长期优化，功耗很低；而手机客户端只需每间隔2 s接收一次体温数据并上传至后台，无其他复杂繁琐的操作，不会过多消耗系统资源，使得手机客户端整体耗电量低于其它常用应用软件，并远远低于手机自身系统和硬件的耗电量。

(4)温度异常预警：人体腋下温度正常为36℃～37.4℃，高于或低于此区间时体温都属于异常，需要引起注意。温度异常预警功能就是在被测者体温处于异常时，及时发出警报，使被测者或医护人员能在第一时间得知并作相应的检查及处理。

(5)体温数据上传：客户端可与云服务平台进行数据交互，客户端除了对接收到的最新体温数据实时上传到云服务平台外，还会上传不同手机的识别码，确保病患体温数据一一对应。在云服务平台上能对体温数据进行查询和分析。

(6)历史数据查询：查询过去一段时间内的体温变化情况，可以直观反映被测者的治疗效果或药物作用效果，方便医护人员或被测者作进一步的分析病情和预测此后一段时间内可能出现的情况，可作相应预防措施。

针对以上客户端功能的实现，手机客户端软件流程设计见图3。

5 云服务平台设计

本系统使用的Tomcat服务器技术先进、性能稳定，是一个开源的Web应用服务器，属于轻量级应用服务器，在中小型系统和并发访问用户量不大的场合普遍使用[8]。系统服务器设计功能较为简单，主要记录用户基本信息、体温数据及对应的时间等信息。因为服务器所存储的数据简单，所以，每个用户所占的数据总和并不大，在医院病床有限的前提下，同时访问服务器的用户量仍然属于一个相对较小的数量级，Tomcat服务器完全适用。

(1)用户基本信息：记录用户基本信息，用于匹配和区别云服务平台中存储的数据所属，保证多用户访问时互不干扰。可以记录用户在多次非连续治疗期间的体温变化情况，大量的数据更有利于对患者作数据分析及预测。

图3 手机客户端软件流程

(2)体温数据及对应时间：每次记录体温数据会同时记录当前时间，以细分区别体温数据采集时间。

该云服务平台为可接入医院服务器设计，只需对应不同医院数据库具体数据格式作相应调整即可与医院服务器进行数据交互。

6 系统功能分析

体温计相关国家标准规定：当体温低于35.3℃或高于41.0℃情况下，测量结果误差应在±0.3℃范围内；当体温处于35.4℃～36.9℃或39.1℃～41.0℃范围内时，测量结果误差应在±0.2℃范围内；当体温处于37.0℃～39.0℃范围内时，测量结果误差应在±0.1℃范围内；多次测量重复性测量误差不能大于0.2℃。重复性误差(S)计算公式：

将系统终端置于恒温水槽连续测试21 h，测试结果在云服务平台上显示如图4。当恒温水槽温度分别设置为37.8、40.5、42.5℃情况下，样机持续测试结果与恒温水槽设定值对比波动范围在0.1℃以内，测量误差不大于0.1℃，重复性误差不大于0.1℃，测试结果均符合相关标准。

综合分析恒温环境测试结果，系统运行稳定，监测结果准确，又进行了为期10个月的临床试验，体温监测终端和手机客户端在临床试验过程中运行良好。每间隔一段时间用水银体温计对病患进行常规体温测量，间隔时间随机确定，最长间隔不大于2 h。水银体温计测量结果与本系统监测结果对比误差均小于0.1℃，测量结果均符合体温计国家标准。

图4 恒温环境测试结果

7 结论

该系统终端实测能连续监测3个月以上，运行功耗低；能准确地采集被测者的体温数据，测温结果符合体温计国家标准(GB-T21416)，并将体温数据实时传输到手机客户端。手机客户端能完整准确地接收终端发送的所有体温数据，能通过网络将数据上传至云服务平台。云服务平台能与手机实现无损数据交互，能对体温数据进行大数据分析。

临床试验证明该系统安全性及准确度符合国家标准。该系统能实时监测患者体温变化情况，及时发现异常，不错过最佳治疗时机。同时，该系统能减少医护人员与传染性疾病患者接触的次数，降低医护人员感染疾病的风险。在医院监护方面，可实现大规模的监测，节省了大量的人力，提高了医护人员的工作效率。该系统适合医院及家庭使用。