基于智慧城市醫(yī)療服務(wù)的可穿戴式無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的分析

劉嘯嵐，羅旭東

（1.衡水學(xué)院，河北 衡水 053000；2.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541000）

0 引 言

目前，國內(nèi)外對(duì)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的研究已取得了一定成果。國內(nèi)對(duì)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的研究起步相對(duì)較晚，張政波等人通過在彈性背心中嵌入傳感器，記錄體溫變化，實(shí)現(xiàn)了穿戴式、協(xié)同檢測系統(tǒng)。付大偉以新型的低功耗單片機(jī)MSP430F413為核心，設(shè)計(jì)了一款便攜式體溫監(jiān)測儀；通過溫度傳感器測量病患的體溫，并將測量數(shù)據(jù)傳輸給PC端進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與處理。趙曉偉設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)24 h實(shí)時(shí)體溫測量、智能報(bào)警及溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分享的智能體溫計(jì)，用戶體驗(yàn)良好。鄧遲在基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)體溫傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了精度測試，測試結(jié)果滿足醫(yī)用電子體溫計(jì)的精度要求，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，提出了一種體溫傳感器端的可穿戴組裝方法。

已有穿戴體溫監(jiān)測設(shè)備在功能上基本都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測。但是，產(chǎn)品形式以腕表和手環(huán)等居多，嬰兒佩戴容易誤食或者脫落。對(duì)于粘貼式可穿戴體溫計(jì)，無論是貼設(shè)備和取設(shè)備的方式都稍顯復(fù)雜，且因個(gè)體差異存在對(duì)膠布過敏的情況，黏在設(shè)備上的膠質(zhì)也不易于清潔。衣物植入式設(shè)備由于傳感器和顯示設(shè)備的加入，對(duì)佩戴舒適性有較大影響。目前，可穿戴式體溫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的總體趨勢有如下4個(gè)方面：（1）體積小，重量輕，柔性材料，便于用戶佩戴，增加舒適度；（2）低輻射，減小設(shè)備對(duì)人體的輻射傷害；（3）測量準(zhǔn)確度高，可穿戴天線在與人體共形的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定；（4）成本低，減少昂貴材料的使用，利用普通紡織品作為基板。

1 溫度測量顯示電路的設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，傳感器領(lǐng)域也正在朝著微型化、集成化、數(shù)字化方向迅速發(fā)展。例如，由DALLAS公司設(shè)計(jì)的新型溫度傳感器DS18B20集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換于一體，使整體電路變得簡單，使得系統(tǒng)朝著小型化、低功耗方面發(fā)展；由NS公司設(shè)計(jì)的LM35溫度傳感器以輸出電壓值作為攝氏溫標(biāo)，是電壓型集成溫度傳感器的典型代表。LM35溫度傳感器是近年來最受歡迎的溫度傳感器芯片之一。這是因?yàn)樵搨鞲衅饔兄芨叩臏y量精度，并且攝氏溫度線性成比例，無需外加校準(zhǔn)或微調(diào)電路。同傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，新型的集成溫度傳感器在各方面都有著一定的優(yōu)勢，所以通常在溫度測量、恒溫控制及溫度補(bǔ)償?shù)纫蠛芨攮h(huán)境中被廣泛應(yīng)用。

雖然在溫度傳感器中集成溫度傳感器被普遍使用，但NTC熱敏電阻器在汽車、家用電器等領(lǐng)域被廣泛使用。尤其是在-50～+300 ℃，在溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流及溫度檢測等方面，熱敏電阻有不可替代的作用。把熱敏電阻與單片機(jī)相結(jié)合，既能彌補(bǔ)傳統(tǒng)元件的一些缺陷，又能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測控制，具有很高的性價(jià)比。因此，基于單片機(jī)與熱敏電阻的溫度檢測技術(shù)有著廣闊應(yīng)用前景和巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

利用熱敏電阻作為溫度傳感器，人體溫度的變化會(huì)引起電壓的變化，再利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的每個(gè)固定溫度值對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行量化，輸出高或低電平，從而得到人體體溫?cái)?shù)據(jù)。

利用51單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)控制數(shù)碼管顯示溫度值。通過編寫程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行分段線性化處理，使得測量精度大大提高。該電路無須外接譯碼器，結(jié)構(gòu)簡單。

2 可穿戴天線的設(shè)計(jì)分析

作為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，天線傳輸信號(hào)的能力決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的工作性能。在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的今天，無論是民用通信還是軍事國防通信，都對(duì)天線的性能、體積及重量提出了更加嚴(yán)苛的要求。天線設(shè)計(jì)需要以小型化、低剖面、高性能為前提。在許多實(shí)際應(yīng)用的場合，需要天線貼合在載體表面，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成或者電磁隱身[2]。

可穿戴天線大多數(shù)與人體緊密貼合，需要和人體保持共形，因此可穿戴天線的設(shè)計(jì)不僅需要考慮到人體對(duì)天線的影響，如彎曲、形變等，還要考慮到天線對(duì)人體的輻射危害。針對(duì)可穿戴天線設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題和分析方法，目前研究工作主要分為如下5個(gè)方面。

2.1 天線小型化，尺寸盡量小，低剖面結(jié)構(gòu)

為增加佩戴者的舒適度，天線尺寸和厚度都應(yīng)盡量減小。早期提出的可穿戴天線尺寸、剖面厚度比較大，影響穿戴者的舒適感。在同樣的彎曲半徑下，小型天線受性能影響相對(duì)較低。2017年，D.Wen提出了緊湊型低剖面MIMO可穿戴天線，天線由4個(gè)扇形組成，半徑26 mm；印刷在FR4介質(zhì)板上，厚度為1.6 mm；利用一對(duì)環(huán)形結(jié)構(gòu)，在不增加天線尺寸的情況下，實(shí)現(xiàn)隔離度大于15 dB，覆蓋2.45 GHz的無線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)具有更低的后向輻射。

2.2 對(duì)可穿戴天線抗彎折性的研究

為滿足佩戴者舒適性的要求，可穿戴天線介質(zhì)大多采用柔性紡織材料。紡織材料與人體保持共形，所以可穿戴天線需要在適當(dāng)彎曲變形的情況下，仍保證天線穩(wěn)定工作。A.Aziz等人提出了一款可彎折緊湊型單極子天線。該天線為共面波導(dǎo)天線，由兩個(gè)對(duì)稱單元構(gòu)成，介質(zhì)材料選用可彎折的Kapton材料，尺寸為160.5 mm×43 mm。通過分析天線的表面電流得到天線兩單元尺寸、縫隙大小和天線諧振頻率之間的關(guān)系。將天線固定在三角泡沫板上進(jìn)行彎曲性測試，結(jié)果表明天線阻抗匹配基本不受彎折影響，當(dāng)彎折呈45°角時(shí)，增益降低至5.32 dB。

2.3 多頻多信道發(fā)展

多輸入多輸出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)是一種在無線通信系統(tǒng)中能夠有效提高天線可靠性以及信道容量的方法。該方法通過對(duì)多天線在其收發(fā)兩端進(jìn)行的多徑傳輸進(jìn)行充分的利用，使其開發(fā)空間變得更大，在發(fā)射功率與頻譜資源不變的前提下，可以將通信系統(tǒng)的容量進(jìn)行極大的提升，并具有較好的可靠性[1]。現(xiàn)代移動(dòng)通信設(shè)備要求尺寸小，集成度高，并要求降低MIMO各天線單元之間的互耦，以保證各路信號(hào)之間的低相關(guān)性。

為適應(yīng)高集成度、高傳輸速度、高性能通信設(shè)備的要求，可穿戴天線要求實(shí)現(xiàn)多頻、多信道傳輸方式來豐富天線功能。

2.4 保證低后向輻射

考慮電磁輻射對(duì)人體的危害，可穿戴天線必須滿足低后向輻射要求，所以電磁超表面結(jié)構(gòu)被加入到天線和人體之間來降低天線對(duì)人的輻射。在論述天線對(duì)人體的危害時(shí)，可以通過測量人體吸收電磁功率SAR值來定量的界定。

2.5 可穿戴天線的多應(yīng)用途徑發(fā)展

除服裝外，天線可以集成在腰帶、紐扣及帽子上，某些特殊應(yīng)用中，天線材料還應(yīng)具有不易燃、防水及透氣等性質(zhì)[3]。

3 創(chuàng)建體溫監(jiān)測APP

經(jīng)過可穿戴天線的傳輸，智能終端（手機(jī)、平板電腦）接收到用戶體溫?cái)?shù)據(jù)，通過體溫監(jiān)測APP得到體溫波動(dòng)曲線，達(dá)到及時(shí)對(duì)異常體溫進(jìn)行報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測測量結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)共享等目的。

在可穿戴式無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)中，急需解決的問題是提高溫度測量的精度、縮短測量時(shí)間、增大分辨率及降低成本；可穿戴天線的設(shè)計(jì)中，還有很多技術(shù)難題亟待解決。需實(shí)現(xiàn)多功能體溫監(jiān)測APP。通過用戶設(shè)置，APP進(jìn)行功能分類，如嬰幼兒體溫監(jiān)護(hù)、女性排卵期監(jiān)測、病患者術(shù)后分析以及老年人健康監(jiān)測。根據(jù)不同用戶需求，繪制24 h溫度測量曲線，對(duì)過高、過低體溫進(jìn)行報(bào)警，并分析健康狀態(tài)[4]。

4 結(jié) 論

本文建立基于智慧城市醫(yī)療服務(wù)的可穿戴式無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)研究在國內(nèi)起步較晚，具有創(chuàng)新性。