智能基礎體溫計的設計與實現

上海電機學院 李 　 凡 莫然龍 姜　 猛 馬士杰 黎 　 明

探索與觀察

智能基礎體溫計的設計與實現

上海電機學院 李 凡 莫然龍 姜 猛 馬士杰 黎 明

為了解決傳統體溫計在數據響應和測溫簡便快捷方面的不足，設計了一款基于紅外溫度傳感技術的智能體溫計，能夠滿足備孕女性隨時掌握基礎體溫微小變化的需求。該體溫計采用MLX90614紅外傳感器、MSP430F4250單片機和低功耗藍牙模塊相結合來實現。單片機通過模擬UART串口方式與MLX90614進行通信，將采集的溫度數據處理后，由單片機驅動LED液晶模塊顯示當前體溫，最后通過低功耗藍牙模塊將體溫數據發送到手機APP上，實時顯示并記錄數據，形成體溫值記憶曲線。該智能體溫計可實現非接觸式測量，將體溫計置于額頭處一秒即可獲取體溫值，可精確到0．1℃。經過測試，該基礎體溫計測溫系統符合人體測溫需求。

MLX90614；備孕；體溫計；單片機

引言

體溫計與人們的日常生活息息相關，一個人的身體健康狀況可以通過測量體溫來判別，因此體溫計在醫學領域具有廣泛的應用價值。現有的體溫計主要有：水銀體溫計、電子體溫計及紅外電子體溫計等三種類型。

水銀體溫計是最為常見的類型，它是利用汞受熱膨脹的原理制成的。當體溫計中的水銀受到體溫加熱后，體積慢慢膨脹使玻璃管內的水銀柱高度發生變化。這種體溫計的優點是測量準確、穩定性高、價格便宜，缺點是體溫計玻璃易碎，水銀若揮發則具有毒性。

電子體溫計是專用傳感器制成的，通過將某些物質的物理參數與環境溫度之間進行一定的關系確定，將測得的體溫以數字的形式顯示出來。這種體溫計測溫反應迅速，在醫院中得到應用廣泛。它的不足之處在于溫度數據易受到環境溫度的影響，環境溫差大時測量精度會降低。

紅外測溫技術應用到體溫測量領域，使得體溫測量更快、更精確、更安全。這種體溫計采用傳感器能夠吸收人體輻射出的紅外線，通過非接觸的方式感應測得人體體溫，不會對人的身體產生傷害。日前，最新出爐的一款專為嬰幼兒設計的名為“寶護圈”的紅外接觸式體溫計應用的就是紅外測溫技術，通過接觸式測溫將數據傳輸到手機上，父母可實時監測到寶寶的體溫變化。

隨著社會的發展，各種各樣的體溫計浮現在社會的各個領域，每種體溫計總會有其不足之處。調查發現：很多女性覺得自己對備孕時機和備孕體溫把握不夠準確，認為傳統的體溫計很難準確的測出自己體溫的微小變化，而且測溫過程比較麻煩，需要花費太多時間。正是為了順應這一趨勢和需求，本文針對目前最常用的體溫計的不足，設計出一款針對備孕女性的高效、高精度、高安全性的體溫計。該非接觸式紅外傳感智能體溫計打開了傳統體溫測量的枷鎖，無需接觸也不再需要耗費太多時長來獲取體溫值，只需要短短1秒，就可以準確響應并顯示，再配合手機移動應用客戶端，可實現體溫實時監控和記錄，通過記憶曲線可查看近一周的體溫變化情況，方便備孕女性對隨時掌握特殊時期的基礎體溫變化。

1　 系統原理

本系統以MSP430F4250單片機為核心，利用紅外溫度傳感器MLX90614進行溫度數據采集[1]，數據送單片機處理后轉LED顯示，同時可通過實體按鍵觸發單片機將溫度數據發送至APP形成體溫記憶曲線。該設計主要由五大模塊組成：紅外溫度采集模塊、單片機模塊、藍牙模塊、LED顯示模塊、APP。系統框圖如圖1所示。

圖1　 系統框圖

2　 系統實現

2.1 硬件實現

基于單片機的非接觸式和從整體到局部再到整體的設計思想[2]，硬件電路設計原理：按下電源開關供以系統3V電源，LED液晶顯示屏亮，初始化顯示上一次體溫值。當MLX90614溫度傳感器將采集到的模擬信號經傳感器內部放大、A/D轉換后，把模擬信號轉換為數字信號送至單片機，單片機對數據再處理，通過設置一個觸發按鍵，當按下該鍵后，體溫數據會發送至LED液晶模塊顯示，同時藍牙模塊啟動并發送數據，等待APP接收。

MLX90614是Melexis公司新近生產的一種高精度的測溫芯片，由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉換器、DSP單元、脈寬調制電路及邏輯控制電路構成[3]。利用物體的熱輻射特性，將多個熱電偶串聯起來，將其工作端排列在很小的面積上，參考端分布在外圍，使入射紅外線照射在工作端，參考端處于掩蔽場所，這樣由熱電偶輸出的溫度信號經過內部運算放大器后送給A/D轉換器，其輸出的16位數字量經過低通濾波器處理后輸出，該輸出作為測量結果保存內部RAM單元中，可以通過模擬UART串口方式讀取;同時測量結果送到后級數字式脈沖寬度調制電路，將測試結果以PWM方式輸出[4]。該傳感器是輻射測溫中最精確的一種，并且感應迅速，在溫度范圍為+32℃～+42℃時，測量絕對精度為±0.1℃，適合用于人體體溫測量。

單片機主要是要解決微控和低功耗兩個問題。參閱資料后發現，TI公司生產的16位超低功耗混合信號處理器MSP430F4250單片機在低功耗上效果顯著，它在存儲和運行上也具有獨特的優勢，可以完美地配合MLX90614傳感器獲取體溫數據。MSP430F4250單片機，其電源電壓采用1.8～3.6V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅0.1μA，活動模式耗電 250μA/MIPS，I/O輸入端口漏電流最大僅50nA。由于該單片機沒有集成UART串口通信，所以在單片機設計的主程序中需采用中斷法模擬出一個串口，在中斷服務程序中，先設置中斷的初始化（包括數據發送的波特率，發送和接收引腳），利用捕獲/比較器來接收和發送數據[5]。當捕獲/比較器在捕獲模式(CCTL0 & CCIS0)時，單片機進入接收模式；當捕獲/比較器處于比較模式時，單片機進入發送模式。利用單片機的超低功耗特性，設定處在接收模式時，使CPU進入休眠狀態，只有當有串口中斷觸發時，才會啟動接收模式，這樣大大降低了系統的功耗。與此同時，LED顯示器也進行初始化，等待接收顯示體溫數據。

體溫數據采集到并經單片機處理后。接下來的任務就是將體溫值顯示出來，經過實際測試，為適應系統設計，采用由3V電壓起電的OLED液晶顯示屏，它具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快等特性，加載進單片機模塊后可方便快捷的實現將溫度傳感器獲取的體溫數據顯示出來，并且可以達到節能的效果[6]。加上顯示區域只需適應溫度數據的字符，采用LED將極大的縮小硬件空間。

為達到數據無線傳輸效果，藍牙模塊是必不可少的，藍牙BLE--CC41--A （藍牙4.0）芯片是一種新型的超低功耗模塊（自動休眠模式下，待機電流 400uA～1.5mA傳輸時8.5mA），該模塊采用美國TI公司CC2541芯片，配置256KB空間，遵循V4.0 BLE藍牙規范。支持AT指令，用戶可根據需要更改串口波特率、設備名稱、 配對密碼等參數，使用靈活。在系統中使用“AT+SLEEP ”指令使藍牙模塊進入休眠狀態，既可精準傳輸溫度數據又可降低整體硬件電路的功耗[7]。

2.2 軟件實現

為了將體溫計測得的數據實時顯示和記錄下來，利用Eclipse軟件設計出適應于android系統的APP。該APP主要實現連接藍牙信號，接收并處理顯示體溫值和形成數據記憶曲線三大功能。備孕女性可以通過APP實時查看自己近一周的體溫變化，準確把握備孕時機，

利用Eclipse軟件開發出APP界面，利用JAVA數據連接方法將單片機傳輸過來的數據信息進行處理和打包在APP前端界面顯示出來[8]。實時溫度與記憶曲線通過方法繼承，將數據保存和顯示在內存中。

為了實現android客戶端與體溫計的藍牙連接，通過代碼判斷android設備是否支持藍牙功能，若支持，則打開藍牙，并開始掃描周邊藍牙設備，選擇需要連接的體溫計設備信號，待連接成功后，即可接收并顯示體溫計發送過來的溫度數據，同時將接收到的數據繪成曲線圖。

通過調用Google提供的Bluetooth4.0的API中的BluetoothGatt方法連接設備，發現服務，并把相應的屬性返回到BluetoothGattCallback。顯示曲線圖時，導入Google提供的開源圖表庫中AchartEngine方法，通過調用AchartEngine方法即可將從體溫計接收到的數據繪制成記憶曲線圖。

3　 實驗結果與分析

系統整體測試將通過三個指標來實現：

（1）將設計完成的紅外智能體溫計與熱電偶高精度體溫計同時測量水溫和額頭的溫度，測試智能體溫計的靈敏度和精度。

（2）紅外智能體溫計設計了手動發送溫度數據的按鈕，在測溫區域觸發按鈕，將實現溫度計顯示體溫值，同時發送數據至APP上顯示并記錄。

（3）體溫計在未工作狀態將智能進入低功耗休眠狀態。

針對以上指標，紅外體溫計以水溫和額頭溫度為檢測目標，進行了測試，與熱電偶測得的結果進行對比，結果如表1、表2所示。

表1　 水溫測試結果

表2　 女性正常情況額頭表面測試結果

從上表中可以看出：采用MLX90614設計的智能體溫計的測溫精度和穩定性比熱電偶高，并且實際的響應速度也具有很大優勢。

將紅外智能體溫計置于額頭處以按鍵的形式測溫，實際測試效果符合設計要求。實物圖見圖2、圖3、圖4。

圖2　 女性額頭正常測溫實物圖一

圖3　 女性額頭正常測溫實物圖二

圖4　 APP體溫記憶曲線

通過手動操作，可以實現將體溫數據發送到APP上立即顯示，并自動生成體溫記憶曲線。按照備孕女性排卵前，孕激素少，體溫呈低溫趨勢，一般為36.2℃。排卵后，體溫急劇上升，一般增高幅度為0.3℃～0.6℃，使基礎體溫達到36.7℃，呈高溫趨勢的規律，對紅外傳感器算法進行了修改，適應于女性體溫的變化參數。整體來說，本次設計的智能體溫計已達到預期設計目的，實現了非接觸、響應快、實時傳輸、記錄數據的效果。相比于傳統的接觸式溫度計，這款智能體溫計彌補和加強了測溫的效果，預計將滿足備孕女性體溫監控的需求。

4　 結論

這款智能體溫計采用低功耗設計，通過程序算法設定，達到了針對備孕女性特殊時期體溫變化的測量要求，實現了體溫數據的實時測量和顯示。很多上班的女性都煩于繁瑣的體溫測量，該體溫計可以完美地彌補傳統體溫測量設備的弊端，只需一秒，就可以實時測量和記錄體溫，而且精度達到0.1℃。有助于備孕女性更加精準地把握自己體溫的變化情況。

智能體溫計設計分為硬件實現和軟件系統兩部分。硬件部分通過采用紅外傳感器技術來采集體溫數據，經低功耗單片機處理后送LED液晶顯示體溫值，同時利用藍牙模塊發送體溫數據，整個過程比傳統溫度計更加快捷、方便、準確。軟件部分通過接收藍牙傳輸的數據并在APP上顯示，多次測量的結果可形成數據記憶曲線，通過曲線走勢圖可以很清楚的查看近一周的體溫變化。

對于該體溫計的設計，尚需完善體溫數據采集精度算法，有必要時可以加入語音模塊。APP的數據記錄部分有待改進，目前只能顯示和記錄短時間內的數據，在日后技術成熟了，將會一步步精確實現各個細節。

[1]宋念龍,李琦,張新雨,李倩,王靜．基于紅外傳感器陣列的智能溫度傳感器研究[J]．2010,12．

[2]蘇波,黃新．基于多紅外傳感器的智能溫度測試裝置設計[J]．2012．

[3]沈國彥,宋平．紅外溫度計測量體溫方法探討[J]．儀表技術,2003,3．

[4]楊波,陳憂先．熱釋電紅外傳感器的原理和應用[J]．激光雜志,2008,6．

[5]肖金球．單片機原理與接口技術[M]．清華大學出版社,2002．

[6]李良成,張永順,張瑕．基于MSP430單片機的液晶顯示[J]．2006,12．

[7]錢志鴻,劉丹．藍牙技術數據傳輸綜述[M]．2012,4．

[8]Kathy Sierra,Bert Bates．Head First Java[M]．Paw Prints出版,2008,5．29．