基于DS18B20體溫測量智能服裝的研究

高 旭,王進美,高曉丁

摘 要:針對人體體溫傳統測量方法的弊端,應用美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的DS18B20溫度傳感器進行人體體溫檢測智能服裝的研究,設計了基于DS18B20智能傳感器進行溫度檢測的測量系統,并且給出了人體體溫測量智能服裝的電子測溫系統以及與其結合的實現方案,包括溫度的測量系統的硬件與軟件的設計以及應用多傳感器數據融合技術進行數據處理。

關鍵詞:智能服裝;DS18B20;體溫測量;數據融合

中圖分類號:TP274.5文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-148-03

Study of Intelligent Apparel Based on DS18B20 Body Temperature Measurement

GAO Xu1,WANG Jinmei1,GAO Xiaoding2

(1.School of Textile & Materials,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China;

2.School of Mechanical & Electrical Engineering,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China)

Abstract:Because of traditional measurement methods of human body temperature have drawbacks,application of the United States semiconductor Company DALLAS,after following the latest DS1820 temperature sensor DS18B20 detecting human body temperature of smart clothing research,temperature measurement system based on intelligent sensor DS18B20 is designed and realization program of the human body temperature measurement of the electronic smart apparel with its combination of temperature measurement systems are given,including the temperature measurement system hardware and software design,as well as data processing with multi-sensor technology of data fusion.

Keywords:intelligent apparel;DS18B20;temperature measurement;data fusion

體溫在臨床醫學中是一個極其重要的人體體征參數。近年來國內外醫院對人體體溫測量仍然采用傳統的水銀溫度計進行手工的測量與記錄,這種測量方法存在著測量時間較長(5 min左右)以及測量的方式受限制等缺點[1];而隨著傳感技術、通信技術以及計算機技術的不斷發展,一些發達國家也已較多地運用了先進的數字式電子溫度計進行人體體溫測量,但是這種測量方法仍然受測量位置的影響以及生活方式的約束,給使用者帶來了極大的不便[2]。因此,有必要進行體溫測量的電子智能服裝的研究,使得使用者不再受生活方式的限制,并且可以通過網絡或家庭電話時刻的把具體信息傳遞給醫院和其家屬從而起到醫療監護作用,以實現生理檢測的無線化、實時化[3]。

1 系統組成

在人體的穿著服裝中通過插拔技術把溫度傳感器DS18B20以及微處理器放置其中,在家中或是病房里安裝藍牙探測設備(藍牙收發器),并與測溫系統之間采用藍牙通信協議來獲取測量信息[4]。同時通過 USB 總線連接至檢測室內的上位計算機端口,在相應的面向對象的軟件控制下實現對體溫信息獲取、處理、顯示等[5]。其系統組成如圖1所示。

圖1 系統的組成

2 測溫系統

2.1 傳感器

本測量系統的溫度測量采用半導體數字集成傳感器DS18B20,它適應的電壓范圍寬,并且可以在寄生電源方式下由數據線供電,那么與紡織服裝結合進行體溫測量就可以不用獨立供電,它本身的測量范圍為-55～+125 ℃,最小的分辨率可達0.062 5 ℃,而人的體溫在35～42 ℃,溫度浮動也非常微弱,應用此傳感器正好可實現高精度的溫度測量,溫度值轉換速度也特別快,同時具有極強的抗干擾糾錯能力,特別是它獨特的單線接口方式,并且可以單總線接多個傳感器,有利于人體多點的體溫測量以及與服裝結合減少處理器的I/O端口、連接導線[6]。本測量系統中4個溫度傳感器與單片機的單線連接電路如圖2所示。

圖2 4個DS18B20單線連接電路圖

2.2 處理器

本測量系統的數據中央處理器采用AT89C51單片機,處理器作為本測量系統研究的核心,為數據采集和信息處理、顯示、記錄起了一定的媒介作用,及時讀取采集信息并且發送給起監視作用的上位計算機。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器[7]。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術制造,與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,并且將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,所以將AT89C51這種高效微控制器應用在此人體體溫實時性檢測系統,可以為此系統提供一種靈活性高、價格低廉的設計方案。

2.3 與服裝產品的結合

在安全性能上,應該考慮使用者的正常使用以及使用不當都不能對其造成傷害,溫度傳感器可由柔性、易傳熱的材料套封裝,并易于進行消毒處理;在準確性上,考慮應用適當的誤差處理方法對測量結果要進行一定的誤差處理與修正確保測量結果的準確。

在舒適性能上,要考慮電子器件、柔韌導線的選取以及與服裝的結合技術問題,使得在穿著過程與人們平時普通的服裝無異;在方便性能上,整個系統應具有很好的穩定、簡易的可維護性能等,易于使用、操作以及服裝的洗滌等。

3 軟件設計

3.1 通信協議

微處理器與傳感器DS18B20之間的通信主要經過以下步驟:每一次讀寫前都要對其進行復位,復位成功后發送一條ROM指令,最后發送RAM指令,這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位成功后CPU將數據線下拉500 μs,然后釋放,DS18B20收到信號等待16～60 μs左右,然后發出60～240 μs的存在低脈沖,主CPU收到此信號表示復位成功,然后從單總線上讀取溫度信息經過數據讀取完畢驗證后發送出去,而對處理器與PC機之間數據通信的基本單元數據幀格式設計如表1所示。

表1 通信的數據幀格式

幀起始標志單片機地址控制碼數據幀長度數據校驗和幀結束標志

02H1 B1 B1 B8 B1 B03H

其中數據位的8個字節依次位前胸、后背、左右腋窩的4個部位的體溫采集值,因為DS18B20采集的每個溫度值用12位數字信號輸出,則每一個完整的溫度值要占用兩個字節,其中包含了溫度高8位和溫度低8位[8]。

3.2 程序流程

測溫系統溫度讀取的程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3.3 上位機監控設計

本測量系統應用工業標準的圖形化開發環境LabVIEW進行上位機監控界面的開發設計,在上位機的監控界面中可以看到通過多傳感器數據融合技術處理之后的總體溫度,同時也可以看到人體各個部位的局部溫度,其溫度值的顯示不但可以直觀顯示數字形式,而且可以顯示出實時性的數據變化曲線[9],其上位機的監控功能模塊設計如圖4所示。

圖4 監控功能模塊

4 數據處理

在數據處理方面采用多傳感器的數據融合技術,把在人體的溫度采集過程存在人體狀態、外界環境等因素影響使得信息采集含有的不確定、矛盾、或是錯誤成分綜合起來,使得這些信息互相補充、印證,即把多個數據經過處理融合為一個數據[10],以達到測量目的。對各個傳感器采集的人體體溫信息進行數據融合的全過程如圖5所示。

圖5 數據融合流程圖

圖5中傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4分別表示四個傳感器在整個數據融合系統的輸入信息,W1, W2,W3,W4分別為第1,第2、第3、第4個傳感器在整個數據融合中的融合權值。從圖5中可以明確地看出各個傳感器采集的數據經過加權求和∑,最后通過y(x)得出一個總的測量結果(即人體的體溫)。

5 結 語

綜合上述設計,本體溫測量服裝能夠在實現人體體溫的實時檢測的同時,如果再增加能感知濕度、血壓和心率等信息的傳感器,可用于對病人或是被監護人的濕度、血壓和心率等實施檢測監護與記錄處理,使其更進一步的修正和完善,以實現更多的功能。

參考文獻

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