集成体温和皮肤水化传感的近场通信系统设计

贺子亮，张本金，张 劲，何 凌，马坤龙，肖正华，杨 刚*

（1.四川大学生物医学工程学院医学信息及仪器系，成都 610065；2.达州市中心医院儿科，四川达州 635099；3.重庆医科大学附属永川医院骨科，重庆 402160；4.四川大学华西医院心血管外科，成都 610041）

0 引言

近年来，测量人体生理信号的无源可穿戴设备受到了越来越多的关注。生理信号是人体固有的信号，该信号可以由生理信号采集设备记录，对生理信号进行分析可以探知人体的健康状态[1]。当皮肤出汗时，皮肤的导电性会增强，皮肤水化测量在皮肤科和美容学中被广泛应用于疾病（如湿疹、特应性皮炎等）的检测及相关治疗[2-3]。体温是人体的一项重要生理参数，皮肤温度与心血管健康、认知状态、呼吸道传染病相关[4-6]，临床上通过体温监测和观察体温曲线动态变化可发现人体存在的疾病，并可作为诊断疾病的参考依据。体温监测可以采用有线和无线的方式，应用近场通信（near field communication，NFC）进行无线体温监测是一种趋势。NFC是一种射频识别技术，可以在短距离内实现设备之间的快速通信而无需独立电源供电。另外，NFC对于开发低成本传感器和测量系统具有积极意义，因为它提供了一种快速、简便的方法来获取数据，即只需将阅读器接近标签，而无需配对设备。由于NFC的低功耗、无需电池等特点，其已在医疗保健和健康监测中成功应用[7]。

Kollegger等[8]设计了一种基于NFC技术的智能体温贴，体温数据可通过手机应用程序显示。还有一些研究者基于NFC技术设计了一种无线体温传感器，使用时只需将传感器与支持NFC的手机贴近即可实现体温数据采集[9-10]。Rahimi等[11]将柔性酸碱度传感器结合NFC用于伤口感染和皮肤汗液的实时监测。但上述研究都是单一参数的采集，未进行2种及以上参数的同时采集。Huang等[12]设计了用于皮肤水化监测的阻抗传感电极，但是对于皮肤水化的监测采用的是有线连接，而非无线通信方式，监测过程较为复杂。

鉴于以上研究现状，本文设计一种集成体温和皮肤水化传感的NFC系统。本系统设计的体温和皮肤水化监测终端（NFC标签端）可实现2种生理参数的采集，且无需电池供电，能量是由NFC读写器或支持NFC协议的手机通过电感耦合技术以无线方式传输给NFC标签端，而标签端收集的数据亦通过天线传输回NFC读写器或传输到支持NFC协议的手机端。本系统具有可穿戴、无电池和无线连接的特性，能够用于医疗保健和健康监测。

1 总体设计

集成体温和皮肤水化传感的NFC系统由3个部分组成：NFC标签端（体温和皮肤水化监测终端）、NFC协议读写器端（NFC读写器或支持NFC协议的手机）、上位机（PC或支持NFC协议的手机）。

NFC标签端包含NFC标签芯片、体温传感电路、皮肤水化传感电路。NFC标签端的功能就是完成体温、皮肤水化生理参数的采集，采集得到的数据经模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）处理后，将存储在内部铁电存储器（ferroelectric random access memory，FRAM）的数据通过无线传输到NFC读写器或支持NFC协议的手机端。NFC读写器或支持NFC协议的手机以无线方式传输能量并读取NFC标签端数据，之后将数据转发至PC上位机的LabVIEW程序或手机应用程序（Android程序）。LabVIEW程序或手机应用程序的主要功能是实现数据的处理分析和人机接口图形显示，包括NFC读写器的控制以及显示温度变化曲线和皮肤水化变化曲线。

集成体温和皮肤水化传感的NFC系统结构框图如图1所示。

图1 集成体温和皮肤水化传感的NFC系统的结构框图

2 系统各部分设计

2.1 NFC标签端硬件电路设计

NFC标签端需要对芯片和外围电路供电（从天线进入芯片内部后整流稳压），实现体温和皮肤水化信息的数据采集，并将数据传输到NFC读写器，因此NFC标签芯片必须集成度高、功耗低且性能好。本文选用德州仪器推出的RF430FRL152H芯片作为NFC标签芯片，其内部集成14 bit高精度ADC与MSP430内核，可以实现数据处理与NFC功能，电路原理图如图2所示。

半导体热敏电阻是一种常用的测温元件，它利用导体电阻随温度变化而变化的特性，将温度变化转换为阻值的变化，从而达到测量温度的目的，其还具有高稳定性、高精度的特点。本文采用负温度系数（negative temperature coefficient，NTC）热敏电阻作为测温元器件。体温传感电路原理图如图2（a）所示，热敏电阻R3连接到ADC2，而参考电阻R4连接到ADC1。参考引脚端（ADC1）用于提供准确的参考电压值，从而计算得到恒流源电流。热敏电阻端（ADC2）与参考引脚端的电流是相同的，可通过ADC2的热敏电压值得出此时的热敏电阻值，之后运用转换公式计算得到温度值。具体来说，参考引脚端与热敏电阻端得到的ADC转换值先存储在RF430FRL152H芯片的FRAM中，再由NFC读写器读出，然后在上位机中对原始数值进行电阻-温度的转换计算。

图2 NFC标签端硬件电路原理图

热敏电阻值计算公式如下：

式中，A1为ADC1的存储值；A2为ADC2的存储值；P为内部可调增益；214-1为14 bit ADC采集的最大电压对应的二进制值；0.9（V）为ADC内部基准电压。计算出热敏电阻值以后，再参照NTC热敏电阻的电阻-温度曲线即可获得此时的温度。

NTC热敏电阻的电阻-温度（R-T）关系特性可由以下数学模型表示：

式中，R为当前绝对温度T下的NTC热敏电阻值；t为T对应的摄氏温度；R0为额定温度T0（通常取25℃）时的NTC热敏电阻值；B为NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数[13]。

本文采用的NTC热敏电阻为SDNT2012X104F 4250FTF，其在25℃时的热敏电阻值R0为100 kΩ，B值为4 250，测量误差为±1%，因此可以保持较高的精确度。

由公式（5）、（6）代入具体数值可得温度计算公式如下：

皮肤水化情况通常由皮肤电阻抗来表现[14]，因此皮肤水化值可以由电阻测量结果计算得到。人的皮肤电阻与人体自身的出汗水平直接相关，当皮肤干燥时，皮肤电阻较大，约百万欧姆量级；当皮肤开始出汗时，皮肤电阻迅速下降。测量电路将这种电阻变化转换为电压值变化，如果电阻接近零，则输出电压最高，随着电阻增大，输出电压逐渐下降。

RF430FRL152H的射频前端在无线通信时接收天线感应的射频信号，并将射频信号整流成芯片工作所需要的电压，由芯片数据表[15]可知VDDSW引脚输出的电压为1.5 V，电流为450μA，可以驱动皮肤水化传感电路。皮肤水化传感电路包括皮肤阻抗测量电路和电压放大电路，电路原理图如图2（b）所示。经过详细的放大电路设计，测量电路的输出电压摆幅为177 mV~1.06 V，电路输出电压经过后续调理电路处理后，输出电压小于0.9 V，且在RF430FRL152H内部ADC的电压输入范围内（0~0.9 V），之后由引脚ADC0采集此电压数据，然后在上位机中按公式（8）处理，得到皮肤水化指数值（范围为0~100）：

式中，A0为ADC0的存储值。

为了减少所有电气元件中固有的寄生噪声，提高信噪比，电路的元件都采用高精度器件，公差为0.5%或更低。NFC标签端印刷电路板（printed circuit board，PCB）实物图如图3所示，NFC标签芯片近似位于PCB中央，周围圆形走线为天线，用于通信与无线能量传输。NFC标签芯片是通过天线进行器件编程的（即空中编程），其直径为3.2 cm，厚度为3.5 mm，质量仅为1.7 g，尺寸比王纪彬等[10]研究中的NFC芯片小，且集成度更高，具有无电池、体积和质量小的优点。

图3 NFC标签端PCB实物图

2.2 NFC读写器

NFC读写器需要方便、快速地读取NFC标签端的数据，并通过串口传输至上位机。与此同时，NFC读写器需通过耦合天线给NFC标签提供能量，必须确保其性能好、兼容性强。本文选用德州仪器的TRF7970A评估板，该评估板集成了MSP430F2370单片机、TRF7970A芯片和天线，可以满足以上要求。

2.3 天线设计

对于NFC系统而言，天线具有无线能量转换和无线数据通信的作用。若天线设计合理且制作严谨，就能增大通信距离、提高通信质量，还能提高NFC两端通信过程的安全性与稳定性[16]。

天线是外部信号和NFC标签芯片RF430FRL152H的中继，其射频通信接口如图4所示，它是基于NFC的ISO 15693协议，用于读写器端到标签端之间的通信。为了实现高效的无线能量和数据传输，天线电路需要达到谐振状态。

图4 RF430FRL152H芯片射频通信接口

利用外部天线（电感L）、片内谐振电容器产生谐振，必要时还需要一个外部电容器，以便于天线电感较低时进行调整。根据天线的特征模理论，天线及其匹配电路元件的等效电路可采用由电阻、电感和电容组成的电路表示[17]，谐振频率采用公式（9）进行计算：

式中，L为天线电感；C为总谐振电容值（C=CINT+CEXT）；f为谐振频率。

在RF430FRL152H芯片内部已经有一个片内谐振电容，片内谐振电容与连接在ANT1、ANT2引脚上的天线组成一个谐振电路。片内谐振电容值的误差范围为10%，为了获得最佳性能，片内电容和外部电容与天线电感谐振之后工作谐振频率应约为13.7 MHz，超出该范围的谐振频率会导致通信性能下降。NFC标签端所设计的PCB天线的典型电感值为1.8μH，为了保证天线的匹配，获得良好的性能，经过计算并且去除片内谐振电容值后，需要在片外放置32 pF的谐振电容。

2.4 上位机设计

对于支持NFC协议的手机而言，手机既作为读写器，也作为上位机，手机端上位机应用程序是由德州仪器开发的适用于Android手机的应用程序[18]。由于该软件用户无法修改，不利于调试，本研究选择图形化编程的LabVIEW语言开发PC上位机程序。

LabVIEW程序实现体温和皮肤水化数据的处理分析及人机接口图形界面显示，通过串口方式读取TRF7970A中的ISO 15693主机口令，以直接写入寄存器的方式控制NFC标签端，之后数据按照采样的顺序存储到FRAM中。因此，如果一个热敏电阻和ADC0被选中进行采样，内存中的数据将从内存存储开始的位置进行读取，数据帧首先包含参考电阻采样值，接着是热敏电阻采样值和ADC0采样值，不断重复，直到读取结束。体温传感电路与皮肤水化传感电路所测量的结果完全按照ADC返回的结果进行存储，因此在上位机中要对返回结果根据公式（1）~（8）进行处理。

本文的上位机是采用状态机的方法进行编程，状态机是程序系统的一种设计模型，其包括了有限个程序状态，各个状态之间能够通过一定的条件进行有序的转换[19]。使用该模式开发可以和使用过程中的设备连接、读取数据、处理数据等状态贴合。

3 实验验证

3.1 NFC系统模拟实验

使用支持NFC的SONY XZ2手机进行温度测量实验，测量结果如图5所示，验证了支持NFC的手机可以无线读取NFC标签端数据。由于上位机软件不利于调试，且所得数据有失真现象，因此使用TRF7970A评估板和PC上位机进行实验。

图5 支持NFC的手机温度测量结果

为了验证NFC标签端的体温传感能力，使用商用红外测温枪（康平公司AETR1F1）作为参考装置进行实验。NFC标签端测量的温度是由TRF7970A评估板线圈无线采集的，测量反应时间在1 s之内。根据体温测量需要，对NTC热敏电阻在25~42℃范围进行校验，使用NFC标签端测量人体体温，测得的温度值为36.3℃，而使用红外测温枪测得的温度值为36.2℃。实验结果表明，温度测量精度在0.1℃，与石波等[9]研究结果一致。

为了检测体温传感监测的可行性与数据精准度，在室内对人体（健康男性）手臂处进行测温实验。将NFC标签端佩戴在相应的位置，一段时间后在测量处施加冰块，使用NFC标签端测量体温变化情况[如图6（a）所示]，同时与AET-R1F1红外测温枪的测量结果进行比对[（如图6（b）所示）]，比对结果如图6（c）所示。从图6（c）中可以看出，在施加冰块一段时间后，NFC标签端测量的温度下降情况和恢复过程与红外测温枪的测量结果吻合度很高，表明了NFC标签端体温测量的有效性。

采用与上述类似的操作，于室内对人体（健康男性）手臂处进行皮肤水化测量实验。在初始时间对皮肤施加水分，使用NFC标签端测量皮肤水化指数[（如图6（d）所示）]，并采用皮肤水化测试仪（IMATE公司M-6002）进行数据的参考校准[如图6（e）所示]，测量结果如图6（f）所示。从图6（f）中可以看出，在初始时间施加水分后，皮肤水化指数迅速上升，之后随着水的挥发，皮肤水化指数逐渐下降，NFC标签端测量结果与皮肤水化测试仪测量结果近似，说明NFC标签端可以明显感知皮肤水化变化。

图6 NFC标签端体温和皮肤水化测量实验及结果比较

3.2 NFC系统无线能量传输距离测量实验

为了检测NFC系统在无线通信时的传输距离，本文开展了无线能量传输距离的测量实验。使用TRF7970A评估板和支持NFC协议的手机作为读写器端，将读写器端和标签端平行放置，以获得最佳性能，并测量读写器端和标签端的通信距离的最大范围。当将本文设计的体温和皮肤水化监测终端作为标签端，使用TRF7970A评估板作为读写器端时，测得最大传输距离为3.6 cm；当使用支持NFC协议的手机作为读写器端时，测得最大传输距离为1.0 cm。传输距离测量结果与同类研究[9-10]接近。

4 结语

本文设计了能够测量体温和皮肤水化指数的NFC系统，利用NFC的无线能量传输与无线通信实现了无电池、小型化设计，实验测试表明本系统可以实时获取当前体温和皮肤水化指数，符合使用需求。下一步的改进中，需要实现测量更多生理参数和提升测量精度的目标，以为后续集成各种生理参数监测的NFC系统的研究奠定基础。