基于温度传感器的婴幼儿体温监测服开发

张赛楠， 吴杨所依， 王鑫蕊， 王永进

(北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029)

伴随科学技术的发展，服装业智能化的进展不断加快。二胎政策开放以来，婴幼儿服装的需求量不断上涨[1]。同时，童装直接接触儿童，可视为监测儿童各项生理体征的载体，婴幼装的智能化发展，将成为必由之路[2]。然而，目前针对婴幼儿的智能化服装相对较少，并且相关研究主要针对儿童安全问题(如定位系统、防护系统等[3])的研究，通过智能化服装解决儿童舒适性和健康状况的研究并不充分[4]。

体温是人的基本生命体征之一，是判断人体健康情况的重要参考依据[5]。体温过高或过低均表示身体出现异常，在临床中有十分重要的参考价值[6]。婴幼儿抵抗力较弱，且不能及时反馈身体状况，因此对于婴幼儿的体温监测尤为重要。目前，国内临床常采用的体温测量设备主要有: 玻璃体温计、医用电子体温计、红外体温计、磁共振无创测温、胶囊式温度计等[5]。这些产品均可对体温进行测量，但具有一定的限制性，不能实现体温的实时监测。

为实现对婴幼儿体温的实时监测，文中将温度传感器和蓝牙技术与服装相结合，建立婴幼儿体温实时监测系统，实现实时测量、发送接收数据，客户端显示的功能。方便家长观察婴幼儿的冷热程度，及时为孩子添减衣物，以此提高婴幼儿着装的热湿舒适性，同时便于家长及时发现婴幼儿的体温异常状况并作出应对。

1 体温监测系统设计

体温监测系统主要由信息采集、信息传输与信息处理3部分组成。为实现每一部分功能的正常运转，系统又由硬件和软件2部分构成。

1.1 硬件系统设计

基于现有的硬件设备，结合电子信息技术，进行婴儿体温实时监测服的体温监测系统设计。系统层次如图1所示。

图1 体温监测系统层次设计

在婴幼儿体温实时监测服的硬件系统设计中，婴儿体温信息被温度传感器采集，随后转换装置将采集的温度信息转变为数字信号，再通过传输装置将数字信号发送到显示终端。

1.1.1温度传感器模块 温度传感器系统能感知、处理和传递人体温度信号，是婴幼儿体温实时监测服的核心器件[7]。传统的温度传感器有热电偶和热敏电阻两种，可穿戴的温度传感器通常采用热敏电阻[8]。由热敏电阻部件与转换部件构成的温度传感器，可以测定对象温度，并将温度信息转换为数字信号进行传输。婴幼儿体温监测对于温度传感器有较高要求，需满足体积小、灵敏度高、精确度高、符合设计要求等条件。

实验选用DFROBOT公司的防水DS18B20温度传感器，需要与Plugable Terminal转换器配合使用。Plugable Terminal转接器数字口增加了上拉电阻，跳线帽切换使用，可以直接将防水DS18B20温度传感器连接到Arduino上。

在传感器收集数据过程中，其对相关物理量输出与输入关系的转换性能至关重要，输入与输出过程中的误差分析与研究是测量技术的主要内容之一。温度传感器也不例外，温度传感器的内部结构参数决定了它的输出与输入特性，不同的外部特性由温度传感器不同的内部结构参数决定，所以传感器的特性与内部结构参数关系密切[9]。防水DS18B20温度传感器的相关参数见表1， 其需要一个外置的能量供应设备才能运行，防水DS18B20温度传感器外部能量供应方式如图2所示。

表1 防水DS18B20温度传感器相关参数

图2 DS18B20温度传感器外部能量供应方式

DS18B20温度传感器测量温度的过程为：程序进行初始化，检测传感器是否存在，之后将接收到的温度进行转换，传输数据到控制中心及蓝牙模块，从而实现温度的数字化过程。DS18B20温度传感器测量温度流程如图3所示。

图3 DS18B20温度传感器测量温度流程

1.1.2控制中心及蓝牙模块 控制中心将传感器收集的信息转换处理，形成数字信息，并利用蓝牙无线射频技术传送数据，通过手机软件终端进行信息反馈，实现信息交互。

文中选用了DFROBOT公司的Bluno Beetle主控器作为整体的控制中心和蓝牙模块。Bluno Beetle体积小，集成蓝牙4.0功能的Arduino主控器可兼容Bluno系列主控器，可以通过Micro USB接口直接下载、调试程序，无须编程器，并支持蓝牙远程更新。Bluno Beetle的技术参数见表2，结构组成及局部作用分布概况如图4所示。

表2 Bluno Beetle的技术参数

图4 Bluno Beetle结构

1.1.3能量供应模块 能量供应模块为系统整体提供能量，主要选用电压低、耗电小的微小型纽扣电池。传统的纽扣电池主要有锌锰纽扣电池、氧化银纽扣电池、空气锌纽扣电池，现又开发出锂二氧化锰纽扣电池[10]。文中监测系统所使用的电池为国产锂锰电池，标称电压为3 V，端点电压为2 V。能量供应装置最终要与服装相结合，因此需考虑可穿戴性，决定采用图5所示的自带开关的电池盒，不用时可以关闭电源。

图5 电池盒

1.1.4终端显示模块 本研究以手机软件系统作为终端显示模块。软件系统的界面设计分为两方面：①应用功能按键的部署，②实时温度显示界面。测温系统的软件终端如图6所示。

图6 软件终端示意

1.2 软件系统设计

智能可穿戴系统不仅对硬件设备有要求，而且需要软件的支撑。Bluno Beetle 控制板配开源的手机开发端，对源代码进行修改即可满足体温检测系统的需求。由于人体腋下温度比核心温度低0.7 ℃，并且控制器芯片会产生0.6 ℃热量损耗，故将源代码中的温度增加1.3 ℃。手机终端软件为APK文件形式，是安卓系统常见的一款安装文件，通过下载使用免费的APK安装包，轻松地对存储在SD卡上的温度测控软件进行点击安装。

体温监测系统是通过Android进行移动终端软件的设计，建立蓝牙与智能服装的通信连接，利用Bluno Beetle完成下机位与上机位的联系与数据转换，解决了温度采集的相关软件编程，对整个软件系统进行搭建。

1.3 系统组装

婴幼儿体温实时监测服的软硬件包括：DS18B20防水温度传感器模块、Bluno Beetle 主控器、能量供应模块、Bluno Basic Demo app。将各模块焊接组装，完成体温实时监测系统的构建。软硬件电路连接如图7所示。

图7 软硬件电路图

2 婴幼儿体温监测服设计

在进行服装款式、面料的选择时，不仅要充分考虑着装的舒适性和穿脱便捷性， 还需考虑体温监测装置的安放和可拆卸性，因此，在设计时也要预留出硬件装置的安放位置。

2.1 面料选取

婴儿的肌肤娇嫩脆弱，婴儿服的面料要求较高，目前市场上婴儿服大多采用针织棉织物，因为针织面料柔软舒适、弹性好、穿脱方便，不会影响婴儿的活动。由于体温监测服需要放置具有一定重量的电子硬件，为保证硬件不脱落，综合考虑各种因素，最终选用了具有一定承重能力的夹棉面料，面料具体参数见表3。

表3 面料参数

2.2 服装温度监测点位的确定

对婴幼儿进行体温测量，通常选用肛温、腋温、口腔温、额头温。静态下人体体温处于恒定状态，但是当人体处于动态时，体温是波动的。智能服装的体温监测系统需要对人体体温进行持续性测量和数据分析，腋下温度相对而言更适合智能服装监测[11]，本系统最终选定对腋温进行测量。

2.3 服装款式设计

考虑到穿着的舒适性，婴儿服装大多结构宽松简洁，在设计时少用或不用分割线和省道，避免缝份对婴儿肌肤产生摩擦损伤，因此婴幼儿体温监测服设计为宽松的O型连体衣，款式如图8所示。为了测量婴幼儿的腋下温度，在服装的腋下位置设计了一个从侧缝开口的暗袋，用来放置温度传感器，如图8中①所示；为了在不加大领口的同时便于穿脱，在右肩部设计开口并安装纽扣，为了保护宝宝身体不受外界细菌侵害，裆部采用前端扣合的方式，如图8中②所示；考虑到硬件电路的连接，控制中心、蓝牙模块与能量供应装置需顺应温度传感器的摆放方向，故将其放在左胸部带有暗扣的侧开口袋内，如图8中③所示。

图8 款式

2.4 成衣制版与制作

确定服装款式后，以身高52～80 cm的婴儿为参考标准，按照66/44的号型进行结构制图，并按照成衣工艺制作成衣。在裁剪面料时，需减小缝份宽度至0.7 cm；完成裁片缝合后，用3.5 cm宽的纯棉包边条对领口、袖口和裤口等包边；肩部和裆部开口采用暗扣的方式扣合，为减少异物感，选用直径0.8 cm的塑料暗扣；放置硬件的口袋采用贴袋的方式缝制。 婴儿体温实时监测服成品如图9所示。

图9 婴儿体温实时监测服成品

2.5 体温监测系统与服装结合

电路连接后处于裸露状态，为保证产品的安全性，在与服装进行结合时需先将连接好的硬件固定在5.3 cm×5.3 cm×2 cm的塑料外壳内，然后将整个电路装置与完成后的婴儿服装成品进行组装，温度传感器放置在图9中①所示的暗袋内，装有电路主板的塑料盒和电源盒放在图9中②所示的贴袋内。

3 产品测评

为检验体温实时监测系统能否达到预设目的，对成品的精确度和连续测温性能进行测评。

3.1 精确度实验

采用对比实验的方法检验体温检测系统的精确度。在温度25±1 ℃，相对湿度50%±5%的实验环境下，被测者左右腋下分别放置水银温度计和DS18B20温度传感器，水银温度计在使用时需放置在腋下3～5 min，稳定后才能读数，因此，每隔5 min进行一次数据记录，为减小实验误差，共记录10组数据，实验结果如图10所示。由图10可以看出，该体温监测系统的精度能达到预设要求。

图10 对比实验数据

3.2 连续测温实验

为检验体温检测系统的连续测温性能，在温度25±1 ℃，相对湿度50%±5%的实验环境下，对体温监测系统进行1 h连续测温实验，通过手机端进行数据监测，每间隔30 s进行一次数据记录，结果如图11所示。由图11可知，该系统能达到预设的实时体温监测目标。

图11 连续测温数据

4 结语

基于DS18B20温度传感器和蓝牙技术建立了婴幼儿体温监测系统，并将其与服装有机结合。经实验表明最终完成的成品可基本满足监测婴幼儿体温的需求，让婴幼儿更加舒适，为家长带来方便。此外该系统还具有一定的优点：温度传感器防水；与服装的结合采用可拆卸式，洗涤服装时可将传感装置拆卸下来；该系统的精确度较高。