基于智慧城市医疗服务的可穿戴式无线体温监测系统的分析

刘啸岚，罗旭东

（1.衡水学院，河北 衡水 053000；2.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林 541000）

0 引 言

目前，国内外对可穿戴医疗设备的研究已取得了一定成果。国内对可穿戴医疗设备的研究起步相对较晚，张政波等人通过在弹性背心中嵌入传感器，记录体温变化，实现了穿戴式、协同检测系统。付大伟以新型的低功耗单片机MSP430F413为核心，设计了一款便携式体温监测仪；通过温度传感器测量病患的体温，并将测量数据传输给PC端进行进一步的数据分析与处理。赵晓伟设计了一款能够实现24 h实时体温测量、智能报警及温度数据远程分享的智能体温计，用户体验良好。邓迟在基于互补金属氧化物半导体工艺的基础上，对体温传感器进行了设计，并进行了精度测试，测试结果满足医用电子体温计的精度要求，同时在此基础上，提出了一种体温传感器端的可穿戴组装方法。

已有穿戴体温监测设备在功能上基本都可以实现对用户体温的实时监测。但是，产品形式以腕表和手环等居多，婴儿佩戴容易误食或者脱落。对于粘贴式可穿戴体温计，无论是贴设备和取设备的方式都稍显复杂，且因个体差异存在对胶布过敏的情况，黏在设备上的胶质也不易于清洁。衣物植入式设备由于传感器和显示设备的加入，对佩戴舒适性有较大影响。目前，可穿戴式体温监测系统设计发展的总体趋势有如下4个方面：（1）体积小，重量轻，柔性材料，便于用户佩戴，增加舒适度；（2）低辐射，减小设备对人体的辐射伤害；（3）测量准确度高，可穿戴天线在与人体共形的基础上，保证系统性能的稳定；（4）成本低，减少昂贵材料的使用，利用普通纺织品作为基板。

1 温度测量显示电路的设计分析

现阶段，科学技术飞速发展，传感器领域也正在朝着微型化、集成化、数字化方向迅速发展。例如，由DALLAS公司设计的新型温度传感器DS18B20集温度测量、A/D转换于一体，使整体电路变得简单，使得系统朝着小型化、低功耗方面发展；由NS公司设计的LM35温度传感器以输出电压值作为摄氏温标，是电压型集成温度传感器的典型代表。LM35温度传感器是近年来最受欢迎的温度传感器芯片之一。这是因为该传感器有着很高的测量精度，并且摄氏温度线性成比例，无需外加校准或微调电路。同传统的温度传感器相比，新型的集成温度传感器在各方面都有着一定的优势，所以通常在温度测量、恒温控制及温度补偿等要求很高环境中被广泛应用。

虽然在温度传感器中集成温度传感器被普遍使用，但NTC热敏电阻器在汽车、家用电器等领域被广泛使用。尤其是在-50～+300 ℃，在温度补偿、抑制浪涌电流及温度检测等方面，热敏电阻有不可替代的作用。把热敏电阻与单片机相结合，既能弥补传统元件的一些缺陷，又能实现智能监测控制，具有很高的性价比。因此，基于单片机与热敏电阻的温度检测技术有着广阔应用前景和巨大经济价值。

利用热敏电阻作为温度传感器，人体温度的变化会引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的每个固定温度值对应的电压进行量化，输出高或低电平，从而得到人体体温数据。

利用51单片机对输入信号进行模数转换，输出数字信号控制数码管显示温度值。通过编写程序对输入信号进行分段线性化处理，使得测量精度大大提高。该电路无须外接译码器，结构简单。

2 可穿戴天线的设计分析

作为无线通信系统的关键组成部分，天线传输信号的能力决定了整个通信系统的工作性能。在无线通信技术快速发展的今天，无论是民用通信还是军事国防通信，都对天线的性能、体积及重量提出了更加严苛的要求。天线设计需要以小型化、低剖面、高性能为前提。在许多实际应用的场合，需要天线贴合在载体表面，以实现系统集成或者电磁隐身[2]。

可穿戴天线大多数与人体紧密贴合，需要和人体保持共形，因此可穿戴天线的设计不仅需要考虑到人体对天线的影响，如弯曲、形变等，还要考虑到天线对人体的辐射危害。针对可穿戴天线设计中的难点问题和分析方法，目前研究工作主要分为如下5个方面。

2.1 天线小型化，尺寸尽量小，低剖面结构

为增加佩戴者的舒适度，天线尺寸和厚度都应尽量减小。早期提出的可穿戴天线尺寸、剖面厚度比较大，影响穿戴者的舒适感。在同样的弯曲半径下，小型天线受性能影响相对较低。2017年，D.Wen提出了紧凑型低剖面MIMO可穿戴天线，天线由4个扇形组成，半径26 mm；印刷在FR4介质板上，厚度为1.6 mm；利用一对环形结构，在不增加天线尺寸的情况下，实现隔离度大于15 dB，覆盖2.45 GHz的无线网络。实验证明，这种结构具有更低的后向辐射。

2.2 对可穿戴天线抗弯折性的研究

为满足佩戴者舒适性的要求，可穿戴天线介质大多采用柔性纺织材料。纺织材料与人体保持共形，所以可穿戴天线需要在适当弯曲变形的情况下，仍保证天线稳定工作。A.Aziz等人提出了一款可弯折紧凑型单极子天线。该天线为共面波导天线，由两个对称单元构成，介质材料选用可弯折的Kapton材料，尺寸为160.5 mm×43 mm。通过分析天线的表面电流得到天线两单元尺寸、缝隙大小和天线谐振频率之间的关系。将天线固定在三角泡沫板上进行弯曲性测试，结果表明天线阻抗匹配基本不受弯折影响，当弯折呈45°角时，增益降低至5.32 dB。

2.3 多频多信道发展

多输入多输出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术是一种在无线通信系统中能够有效提高天线可靠性以及信道容量的方法。该方法通过对多天线在其收发两端进行的多径传输进行充分的利用，使其开发空间变得更大，在发射功率与频谱资源不变的前提下，可以将通信系统的容量进行极大的提升，并具有较好的可靠性[1]。现代移动通信设备要求尺寸小，集成度高，并要求降低MIMO各天线单元之间的互耦，以保证各路信号之间的低相关性。

为适应高集成度、高传输速度、高性能通信设备的要求，可穿戴天线要求实现多频、多信道传输方式来丰富天线功能。

2.4 保证低后向辐射

考虑电磁辐射对人体的危害，可穿戴天线必须满足低后向辐射要求，所以电磁超表面结构被加入到天线和人体之间来降低天线对人的辐射。在论述天线对人体的危害时，可以通过测量人体吸收电磁功率SAR值来定量的界定。

2.5 可穿戴天线的多应用途径发展

除服装外，天线可以集成在腰带、纽扣及帽子上，某些特殊应用中，天线材料还应具有不易燃、防水及透气等性质[3]。

3 创建体温监测APP

经过可穿戴天线的传输，智能终端（手机、平板电脑）接收到用户体温数据，通过体温监测APP得到体温波动曲线，达到及时对异常体温进行报警、远程监测测量结果以及测量数据共享等目的。

在可穿戴式无线体温监测系统中，急需解决的问题是提高温度测量的精度、缩短测量时间、增大分辨率及降低成本；可穿戴天线的设计中，还有很多技术难题亟待解决。需实现多功能体温监测APP。通过用户设置，APP进行功能分类，如婴幼儿体温监护、女性排卵期监测、病患者术后分析以及老年人健康监测。根据不同用户需求，绘制24 h温度测量曲线，对过高、过低体温进行报警，并分析健康状态[4]。

4 结 论

本文建立基于智慧城市医疗服务的可穿戴式无线体温监测系统模型，该系统研究在国内起步较晚，具有创新性。