基于NTC的无线可穿戴体温测量系统研制

【作 者】刘梓晨 ，李若薇 ，乐航宇 ，朱子孚，叶继伦,，张旭,

1 深圳市生物医学工程重点实验室，深圳市，518000

2 深圳大学 医学部 生物医学工程学院，深圳市，518000

3 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518000

0 引言

体温是人体一项基本的生理参数，在医学上，其主要用于反映患者的生理状态并定性定量辅助判断人体疾病类型以及严重程度[1]。目前，体温计根据测量原理主要分为三类，分别是红外体温计、水银体温计以及电子体温计；根据测量方式又可分为：接触式测量与非接触式测量。其中红外体温计属于非接触式测量，主要依据斯特藩-玻尔兹曼定律实现对温度的测量，水银体温计和电子体温计属于接触式测量[2]。红外体温计的优点在于非接触，但是需要与被测者保持一定的位置关系以使得所接受辐射能量有效率达到最高，缺点是稳定性较差，不便于可穿戴以及实时监测。水银温度计具有测量准确度高的优势，但是测量周期长，也不便于实时监测。市面上常用的电子体温计大多采用口含式体温测量，使用者体验感差，无法做到实时监测[3]。本研究介绍的体温测量系统属于电子体温计范畴，但又采用了一种新型的体温贴，结合无线传输功能以及APP数据管理，可实现体温的实时监测。

1 NTC测温原理与方案设计

1.1 NTC测温原理

负温度系数热敏电阻（negative temperature coefficient thermistor,NTC）是相对于正温度系数热敏电阻（positive temperature coefficient thermistor,PTC）而言的，NTC与PTC都属于热敏电阻，是对热敏感的半导体电阻，其阻值随温度的变化而产生非常显著的变化，NTC测温的基本原理是电阻值随温度上升而下降，从而实现对温度的测量[4,5]。

热敏电阻值R与绝对温度T之间存在如式(1)所示的近似关系。根据式(1)，可求得任意温度T时的热敏电阻值R。

式中：R1为绝对温度T1时的电阻值；R2为绝对温度T2时的电阻值；B为用于反映热敏电阻灵敏度的常数值。

1.2 系统整体设计

本测温系统的结构框架如图1所示：电源模块为整个硬件系统提供低噪声的稳定电源，NTC感知目标温度产生阻值变化并通过恒流源激励将电阻值转换成电压值，经过后级放大滤波输入至单片机内部AD，单片机（micro control unit,MCU）将电压数据通过查表算法转换成对应温度值，最后通过蓝牙发送至手机端APP。校零电路用于去除运放的输出失调电压以及偏置电流带来的零点漂移，校准电路采用高精度电阻用于与NTC热敏电阻做比例校正，实现对电阻值的精确计算。

图1 测温系统结构框架Fig.1 Structure of temperature measurement system

2 系统硬件设计

2.1 恒流源激励电路

本设计采用恒流源对NTC热敏电阻进行激励以获取单片机可以处理的电压信号，激励电路主要由基准电压、跟随器、采样电阻等部分组成。为了实现高精度的目的，通常使用高精度、低温度漂移的电阻作为采样电阻。恒流源激励电路，如图2所示[6]。

图2 恒流源激励电路Fig.2 Constant current source excitation circuit

2.2 温度信号放大滤波电路

温度信号属于低频弱信号，因此需要将信号进行放大以及低通滤波处理。温度信号的放大及滤波电路如图3所示，采用同相比例放大电路对温度电压信号进行放大，所选取的运算放大器为低功耗精密运算放大器，以保证信号输出的稳定性和精确性以及整个系统的低功耗以满足可穿戴的要求。

图3 放大及滤波电路Fig.3 Amplifying and filtering circuit

2.3 温度信号校零校准电路

为解决运放自身失调电压和偏置电流对系统测量精度的影响，系统设计中加入了校零电路以去除零点漂移带来的测量偏差[7]。同时由于恒流源电路会因为电路热噪声以及温度的变化产生热漂移，会使得温度电压信号产生漂移，系统使用高精度校准电阻与NTC热敏电阻进行比例计算，消除恒流源波动带来的影响，提高整个系统的精确性和稳定性。具体实现原理如下：S2、S3、S4是三个选通开关，当仅S3接通时，单片机AD采样值为仅校零电阻作用下的AD值，记为AD0，当仅S4接通时，采样AD值为校零电阻与校准电阻共同作用下的AD值，记为AD1，当仅S2接通时，采样AD值为校零电阻与NTC热敏电阻共同作用下的AD值记为AD_NTC（见图4）。校准电阻值为RC，则NTC热敏电阻对应电阻值为：

图4 校零及校准电路Fig.4 Zero calibration and calibration circuit

2.4 蓝牙单片机外围电路

温度电压信号需经过单片机进行AD转换得到对应数字量然后进行算法处理，最后将温度数据通过蓝牙单片机上发至手机端APP，本系统的MCU采用NORDIC公司的蓝牙单片机NRF51822，该MCU集成了蓝牙功能（见图5），不需要外置蓝牙模块，减小了整个系统的体积，为用户穿戴提供了便利。

图5 MCU外围电路Fig.5 MCU peripheral circuit

3 系统软件设计

我们研制的测温系统的软件部分主要由系统初始化、温度数据采样、过限报警等部分组成。系统通过比例校准电阻实现NTC电阻值的测量，由于热敏电阻值与温度之间的关系为非线性关系，不同于常用的拟合算法[8]，本系统主要依据传感器厂商提供的R-T表，利用查表算法实现电阻-温度转换，以保证NTC阻值与对应温度之间的转换误差最小，同时进行多点采样取平均值以达到测量结果的平稳性，最后得出被测物体的实际温度，流程如图6所示。

图6 温度测量子程序流程Fig.6 Temperature measurement subroutine flowchart

4 系统实现与测试

4.1 系统实现

测温系统硬件部分如图7所示，板卡整体长度为35 mm，宽度为22 mm，厚度为3 mm。电源接口给板卡供电后接上体温探头即可实现温度测量功能，温度数据会实时上传至APP。温度误差分析如图8所示。

图7 硬件板卡及体温探头实物Fig.7 Physical image of hardware board and temperature probe

图8 温度误差分析Fig.8 Temperature error analysis

经测试整个系统上电自检时间为3～4 s，经测量，系统整体工作电流为10.9 mA，工作电压为3.3 V，系统总功耗为35.97 mW，能够满足可穿戴、快速响应、实时持续测量的需求。

4.2 准确性测试及误差分析

为了验证本系统的测温精度，根据GB/T 21416—2008《医用电子体温计》要求，电子体温计在35～42oC之间的测温精度需满足±0.1oC，选取5个测温样品与欧姆龙标准红外体温枪在相同环境下采用标准恒温油槽产生35.0oC、36.0oC、38.0oC、40.0oC、42.0oC五个温度点做对比测试。测试结果如表1所示。

表1 测温对比（oC）Tab.1 Temperature measurement comparison table (oC)

由于本测温系统采用的是表贴式温度探头，与人体不同部位的贴合程度不同，会使得NTC热敏电阻的热接触程度不一致，这就带来了一定的测量误差；对于同一型号或批号的NTC热敏电阻，因生产工艺和材料的原因会导致材料常数B值以及标称电阻值的差异，这也在一定程度上影响了整个系统的精确度。要解决这一类问题，测温时应选取贴合程度较好的人体部位，NTC热敏电阻测温一致性要好。本系统5个测温样品在所选5个温度点下的测温一致性采用标准方差进行验证，经实际测试，35.0oC、36.0oC、38.0oC、40.0oC、42.0oC五个温度点对应的样品标准方差为0.006 97、0.002 83、0.005 55、0.006 83、0.001 92；系统测温准确性由样品实测温度、欧姆龙红外体温枪实测温度以及实际设定温度进行对比以及对测温准确度误差分析，由表1和图8可知，5个测温样品测温一致性误差以及测温误差均在±0.1oC之间，满足国家标准GB/T 21416—2008《医用电子体温计》的要求[9]。

5 总结与展望

我们介绍了一种新型可穿戴式无线体温测量系统，采用低功耗蓝牙MCU以及低功耗精密运放降低整个系统的功耗，通过校准电阻与校零电阻消除了恒流源波动带来的系统测量误差，进一步提高了整个系统的稳定性和精确性，采用表贴式体温探头与被测者精密贴合，实时测量体表温度，系统电路板的尺寸仅为35 mm×22 mm，为用户穿戴提供了极大的便利。经测试，系统测量精度在±0.1oC，满足国家标准要求。

目前还需要进行耐汗性问题的研究，下一步将采用一些特殊材料作为体温贴，提高用户使用的舒适感，后续改进系统的性能与功能，如增加抗运动干扰功能、生物兼容性，提升系统的整体可应用性。