一種基于無線傳輸的體溫監測預警系統的設計*

胡紅波 徐 桓 方 鐵

對于部隊而言，訓練項目多、任務重且時間長，且需要在惡劣環境下進行各種高強度的訓練，因此在熱區執行駐防、參訓、演習及作戰等任務的官兵在高溫和高濕環境下會增加中暑的發病概率[1]。由于南部戰區地理位置及氣候環境的特殊性，國際救援、反恐、維和及護航等已經成為南部戰區部隊常態化任務，高強度的訓練和執勤使得南部戰區廣大官兵中暑的風險更高[2]。因此，預防中暑，提高官兵在濕熱環境下的生存和戰斗能力，是南部戰區聯勤保障的重要任務，也是本研究重點關注和擬解決的重大課題。

1 體溫監測預警系統的設計

對官兵的體溫進行監控，可以有效避免重度中暑的發生概率，也能為重癥中暑患者提供救治參考，為有效降低濕熱環境的干擾，提高熱區部隊的戰斗力和應急保障水平，有針對性地形成熱區部隊中暑防治保障預案，與南部戰區特定的作戰方向相適應。本研究根據當前實際，立足部隊需求，收集整理大量文獻，對熱區部隊中暑情況進行了初步調研，設計了一種體溫監測預警系統。該系統基于無線信號傳輸，用于濕熱環境下訓練及作戰時指戰員佩戴，開機后自動監測其體溫，通過體溫數據分析判定人員是否存在熱射病風險，及時預警，輔助指揮員或醫護人員下達休整、救護等決策，減少熱區部隊中暑的發生概率，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力較強等優點。

2 體溫監測預警系統的技術要點

以建立一套基于無線傳輸的體溫監測系統為目標，涵蓋系統運行的主要參數。體溫監測預警系統包括體溫報警閾值的確定、傳感器的選擇、人機交互性能評估、數據傳輸系統的設計等。基于無線傳輸的體溫監測系統的設計流程如圖1所示。

圖1 體溫監測系統設計流程圖

2.1 體溫報警閾值的確定

體溫是中暑癥狀最直觀及最易測量的體征[3-6]。本研究設計中體溫閾值的確定，采取文獻查閱和現場調研的形式進行。根據設計實際應用目標，確定資料檢索范圍，包括期刊、會議論文集、內部刊物、國家或行業標準等；對所收集的國內外和軍內外有關中暑防治方面的研究資料進行回顧性查閱和前瞻性追蹤，并進行登記、分類和標注，整理匯集相關數據，分析患者體溫與中暑危重程度的對應關系，確定體溫閾值設置的關鍵因素和大致范圍，選取部分熱區部隊進行實際調研，對閾值的設定進行修正。

2.2 無線傳輸穩定性的研究

本研究設計擬采用2.4 GHz頻段傳輸技術，該技術相比于其他無線通信技術具有傳輸距離遠、功耗低及通信協議可自定義等優點[7-10]。該頻段是全球通用的免許可證的頻段，因此有大量的無線通信設備工作在此頻段上，同時為實現體溫傳感器端和無線接收終端的多對一通信，防止無線傳輸中的數據丟失和干擾，需要對頻段進行編碼加密等操作，保證溫度傳感器端和無線接收終端之間的唯一性。

2.3 溫度傳感器電源使用的優化管理

本研究設計擬采用獨立電池為單兵體溫監測單元供電，由于熱區部隊訓練和執勤時間相對較長，電源使用的優化管理才能保證持續有效的體溫監測。對于采用電池供電的系統，為延長電池使用時間，微控制器大部分的時間(體溫正常時)應該處于空閑和掛起模式，當監測到人體持續大幅度運動時，微控制器具喚醒溫度傳感器，進行體溫監測。

2.4 人機交互性能的評估

協同熱區部隊對樣機展開評測，包括佩戴方式的舒適程度，對日常生活、訓練、執勤等的影響程度，體溫信號采集的穩定性等；測試預警信號的有效性，設置不同環境下的預警模式(日常環境聲光預警、勤務環境震動預警)；測試惡劣條件下監測系統的穩定性，電池的安全性能評估等。

按照設計流程，選取合適的電子溫度傳感器和無線傳輸發射與接收元件，對體溫監測系統進行硬件電路圖繪制與軟件服務界面的設計。在硬件設備的選取、定型及加工過程，綜合考慮產品的性能、價格及加工難度；軟件設計要考慮系統的可靠性、兼容性和魯棒性。

3 體溫監測預警系統的設計

3.1 系統硬件設計

系統硬件由單兵體溫監測單元和系統監控單元組成，其中單兵體溫監測單元的功能包括單兵體溫的監測、數據傳輸和中暑預警；系統監控單元對多個單兵體溫監測單元的數據進行統計分析，輔助指揮員或醫護人員下達休整及救護等決策。體溫監測系統示意如圖2所示。

圖2 體溫監測系統示意圖

3.1.1 單兵體溫監測單元

(1)主控制器模塊。對系統進行控制，擬采用微電腦控制器實現控制功能，包括體溫的監測與記錄、報警信號的設置與觸發、電池的充放電管理、無線信號的傳輸等控制。設計中采用的微控制器是德州儀器公司(Texas Instruments)生產的MSP430F5528，該微控制器具有強大的16位精簡指令集CPU，16位寄存器和恒定發生器，有助于實現最高的代碼效率，具有功耗低、功能完備、易編程等特點；該架構結合廣泛的低功耗模式進行了優化，以延長便攜式測量應用的電池使用壽命，數字控制振蕩器(digitally controlled oscillator，DCO)允許器件在3.5 μs時從低功耗模式喚醒至主動模式。集成了4個16位定時器，高性能12位模數轉換器(analog-todigital converter，ADC)，2個通用串行通信接口，具有報警功能的實時時鐘(real-time clock，RTC)模塊以及63個I/O引腳。通過MSP430F5528控制體溫監測系統的電路原理如圖3所示。

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圖3 體溫監測系統電路原理圖

(2)體溫監測模塊。體溫監測系統擬采用電子溫度傳感器作為感溫元件，電子溫度傳感器是由專用集成電路和其他的電子元器件組成的溫度測量系統，具有數據讀取快速、操作簡便、便于與移動設備連接和數據傳輸等優點，同時便于高集成度設計，方便實現低功耗、可穿戴式的體溫監測產品[11]。電子溫度傳感器按制作材料類型的不同主要分為電阻式溫度檢測器、熱電偶式溫度檢測器、集成溫度傳感器和熱敏電阻式溫度檢測器。這些傳感器在測溫范圍、測量精度、線性度、靈敏度、穩定性、響應時間、元器件成本及體積等方面均有差異。本研究在測溫原理、校準技術、穩定性、集成性和經濟性等方面進行篩選，確保測量的準確、快速和穩定，同時滿足軍用要求，最后選定的傳感器型號為DS18B20，該傳感器屬于單線數字溫度傳感器，即“一線器件”，優點包括:采用單總線的接口方式，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件，支持多點組網功能，性價比高，抗干擾能力強，適合于惡劣環境的現場溫度測量，使用方便[12]。DS18B20的接線電路如圖4所示。

圖4 DS18B20接線電路圖

(3)預警模塊。集成微型馬達、蜂鳴器及led燈，實現震動、鳴叫、閃光燈動作、聲和光報警信號，可以設置不同環境下的預警模式(日常生活、訓練環境聲光預警；執勤、作戰環境震動預警)。

(4)無線通信模塊。單兵體溫監測單元與系統監控單元的傳輸是通過無線方式進行數據傳輸，由于官兵生活、訓練及執勤的環境相對復雜，藍牙模式和全球移動系統(global system for mobile，GSM)模式傳輸距離短、易受干擾、設置使用要求高等原因均無法滿足需要。故本研究設計擬采用2.4 GHz頻段傳輸技術，推出了一種物聯網芯片CC3200，該芯片具有一個Cortex-M4的ARM核和一個WiFi模塊，具有I2C和串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)通訊能力，體積僅為9 mm×9 mm，休眠電流120 μA，數據傳輸峰值電流229 mA，無論是體積還是功耗，均符合本研究的設計要求，因此采用CC3200作為主控芯片。

(5)電池控制模塊。采用獨立鋰電池為單兵體溫監測單元供電，由于熱區部隊訓練和執勤時間相對較長，電源使用的優化管理才能保證持續有效的體溫監測。對于采用電池供電的系統.為延長電池使用時間，微控制器大部分的時間(體溫正常時)應該處于空閑和掛起模式，當監測到人體持續大幅度運動時，微控制器具喚醒溫度傳感器，進行體溫監測。本研究設計采用的電池控制模塊由德州儀器的TIDA-00761管理解決方案(尺寸僅為2.5 mm×2.5 mm)，基于bq25120微控制芯片，適用于低功耗可穿戴設備，集成了用于可穿戴設備的最常用功能:線性充電器、穩壓輸出、負載開關、帶計時器的手動復位以及電池電壓監視器。該器件支持5～300 mA的充電電流。

(6)佩戴模塊。按照穿戴方式和位置的不同，可穿戴設備可分為頭戴式、腕戴式、攜帶式以及身穿式4種，而臨床的體溫測量部位有口腔、腋下、直腸、額頭、耳腔(鼓膜)等。綜合考慮，可供選擇的測溫系統佩戴方式為頭戴式、腕戴式及身穿式3種。

3.1.2 系統監控單元

可安裝在筆記本或平板電腦上，通過無線傳輸端接收多個監測單元傳來的溫度數據，從而監控多個單兵監測單元無線傳輸的溫度值，并實時記錄異常值，當異常值長時間持續或者發生大量單兵體溫異常時，輔助下達停止訓練或者緊急救治的決策。

3.2 系統軟件設計

體溫是中暑癥狀最直觀和最易測量的體征，本研究設計在單兵體溫監測單元設置了報警功能，當監測到單兵體溫實時測量結果超出設定閾值或短時間內體溫快速升高時，監測單元發出報警信號(聲、光信號或震動信號)，提示單兵體溫異常，需要進行降溫或休整，且向系統監控單元傳輸數據，系統監控單元將記錄異常值，當異常值長時間持續或者發生大量單兵體溫異常時，輔助下達停止訓練或者緊急救治的決策。

本研究于2016年6月，在對南海艦隊醫療裝備巡檢巡修時，對部分部隊近年來的中暑情況進行了統計分析，相關中心醫院和總醫院，提供了歷年來收治熱射病的相關數據。基于臨床數據研究，除將單監測端體溫超過38.5 ℃作為觸發報警的閾值之外，還將單監測端體溫上升過快(5 min內體溫升高2 ℃)和多個監測端體溫異常(超出20%監測端體溫偏離正常值)作為判定依據，使得中暑預警更為靈敏、準確和真實。

3.2.2 軟件流程設計

在設計中系統啟動后，單兵監測單元初始化，監測單兵端的體溫值，當體溫值出現異常(超預警值或者上升過快)時，控制單元根據預設場景(靜默狀態或者常規狀態)按照特定模式進行報警(震動或聲光報警)，對單兵進行警示，提示降低訓練強度、自我降溫和及時上報就醫等，同時監控單元啟動無線傳輸，向系統監控單元上報異常數據，包括被檢測單兵的姓名(或編號)、異常體溫值和異常發生的時間信息等。軟件流程設計如圖5所示。

圖5 系統軟件設計流程圖

3.2.3 監控端界面設計

為了便于操作，監控端使用Matlab軟件進行編程，便于將程序移植到移動筆記本電腦及平板電腦等平臺，以滿足系統野戰便攜的需要。控制軟件利用分時復用的方式，采用用戶數據報協議(user datagram protocol，UDP)協議與各個單兵體溫傳感器節點通訊，分別采集各節點上傳的數據，并實現各單兵傳感器的同步功能。同時，控制軟件設計了一些安全驗證，需要對頻段進行編碼加密等操作，保證溫度傳感器端和無線接收終端之間的唯一性，滿足系統保密性的需要。客戶端界面如圖6所示。

圖6 系統監控界面圖

4 體溫監測預警系統的測試結果

4.1 系統測試

體溫監測預警系統目前已完成了原型版的搭建，由于采用分離元件，系統尚未開展體溫監測實驗，主要通過測試軟件對系統傳輸的穩定性進行了實驗，穩定性主要通過模擬數據的傳輸，測試監控端的反應時間及丟包情況。測試系統穩定工作是確保單兵狀態準確評估的前提，每次測試均設置監控單元連接5個單兵體溫監測單元，且每個人相距10 m，采樣時為1 ms(即采樣頻率為1000 Hz)，所有的單兵體溫監測單元均穩定工作至其電量完全耗盡，數據傳輸丟包率為0.2%，表明系統穩定性良好。

4.2 系統創新點

體溫監測預警系統基于無線信號傳輸，用于濕熱環境下執勤和作戰時佩戴，開機后自動監測指戰員的體溫，通過體溫數據分析判定人員是否存在熱射病風險，填補我軍在單兵無線體溫監測及群體中暑精確預警方面的空白，能夠有效降低熱區部隊中暑的發生概率，其創新點如下。

(1)采用2.4 GHz頻段傳輸技術。該技術相比于其他無線通信技術(藍牙、GSM模式等)具有傳輸距離遠、功耗低以及通信協議可自定義等優點。

(2)多預警閾值的選擇。基于臨床數據研究，除將單監測端體溫超過38.5 ℃作為觸發報警的閾值之外，還將單監測端體溫上升過快和多個監測端體溫異常作為判定依據，使得中暑預警更為靈敏、準確和真實。

(3)實用性。創造性的采用單兵體溫監測單元和系統監控單元組合的模式，由單兵監測單元監控個體的體溫，兼具預警功能，系統監控單元對群體進行監測，既滿足重點單元的監測需求，又適應群體的監測需要。

5 結語

近年來，為了維護國家戰略利益，國際救援、反恐、維和、護航等已成南部戰區部隊擔負的常態化軍事任務，由此在熱帶地區特殊環境執行作戰或其他非戰爭軍事行動明顯增加，形成的人工熱環境導致官兵發生中暑的風險較高，需要建立與之相適應的熱區衛勤保障體系。對部隊官兵的體溫進行精確監測及中暑預警，與南部戰區特定的作戰方式和急需的快速衛勤保障相適應，可以有效降低重度中暑的發生概率，也能為重癥中暑患者提供救治參考，提高南部戰區部隊的科學訓練水平，增強官兵在濕熱環境下的生存和戰斗能力。