基于ATmega328的體溫監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

趙貝爾，盧 晶

（1.呼和浩特市第二中學(xué)國際部，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010000；2.烏海市蒙醫(yī)中醫(yī)醫(yī)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏海 016000)

1 引言

體溫監(jiān)測是醫(yī)生判斷患者生理狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，對(duì)病患在臨床上的體溫監(jiān)測、病情診斷與后續(xù)治療有重大意義。2020年1月，新冠肺炎疫情爆發(fā)，在臨床中需要時(shí)刻監(jiān)測患者體溫以判斷病情。現(xiàn)病房體溫測量多為人工使用體溫計(jì)測量，醫(yī)護(hù)人員需在預(yù)定時(shí)間采集病人體溫，頻繁的測溫工作增加了醫(yī)護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)，尤其是夜間的體溫測量對(duì)醫(yī)護(hù)人員的休息造成影響。因此，一套自動(dòng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助醫(yī)護(hù)人員分擔(dān)部分工作。

該監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外測溫技術(shù)，患者佩戴測溫模塊后，測溫模塊在近距離下可以獲得較為準(zhǔn)確的體溫?cái)?shù)值；在預(yù)設(shè)測溫時(shí)間點(diǎn)后，可自動(dòng)采集佩戴測溫模塊患者的體溫；測得體溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng) ATmega328 處理后以藍(lán)牙局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心的主機(jī)上，向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出相應(yīng)的提醒并錄入數(shù)據(jù)庫。減少醫(yī)護(hù)人員工作量的同時(shí)保證監(jiān)測效果；將復(fù)雜的工作自動(dòng)化，可減少人工操作產(chǎn)生的近距離接觸，降低醫(yī)護(hù)人員被感染的概率；有助于工作效率的進(jìn)一步提升。

2 測量原理

當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生波段位于0.75～100 μm的紅外線。通過分析基于研究輻射的理想物體—黑體，得出黑體輻射定律：MB(T) = σT(σ為常數(shù))。可以得出推論：單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能和其本身的熱力學(xué)溫度的4次方成正比。利用這一推論，可以通過測量物體在0.75～100 μm的輻射能量來測得物體的溫度。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由若干佩戴式測溫模塊與一個(gè)監(jiān)測中心主機(jī)組成。測溫模塊由監(jiān)測對(duì)象貼身佩戴，完成對(duì)監(jiān)測對(duì)象體溫的采集與向監(jiān)測中心主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送，距監(jiān)測中心主機(jī)較遠(yuǎn)的測溫模塊可通過各模塊間組成的藍(lán)牙局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)間接傳輸至監(jiān)測中心主機(jī)，藍(lán)牙局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測中心主機(jī)處理后以多種媒體形式（如 Windows 窗口提示、聲音）發(fā)出提醒并顯示體溫與傳感器編號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測病患的體溫，并在高于閾值時(shí)及時(shí)提醒的功能。

圖 1 藍(lán)牙局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

測溫模塊主要實(shí)現(xiàn)體溫測量與數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。其監(jiān)測對(duì)象體溫采集由 MLX90614 完成，通過 I2C 協(xié)議將采得溫度傳輸至 ATmega328 處理器。經(jīng) ATmega328 處理器中預(yù)先寫入的程序進(jìn)行判斷，將溫度數(shù)據(jù)、傳感器編號(hào)通過HC-05 傳輸至監(jiān)控終端，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 測溫模塊示意圖

3.1 控制處理模塊

系統(tǒng)處理器核心是 ATmega328，開發(fā)階段采用搭載ATmega328 的 Arduino Nano 作為控制電路板，Arduino Nano 是 Arduino 的微型版本，具有14路數(shù)字輸入/輸出口，其中6路可作為PWM輸出端口，8路模擬輸入端口，支持通信接口（兼容I2C總線），能滿足與 mlx90614 紅外測溫傳感器、 HC-05 藍(lán)牙模塊的通信需求，可在占用較小空間的同時(shí)完成數(shù)據(jù)處理與發(fā)送。 Arduino 的編程與其他單片機(jī)相比更為便捷，可兼容多種模塊，并擁有大量的參考資料，便于開發(fā)階段的程序開發(fā)調(diào)試與后期的改進(jìn)。

3.2 測溫模塊

測溫模塊采用 mlx90614 作為測溫傳感器， mlx90614具有極低噪聲放大器和17位ADC，可以提供高精度和高分辨率的溫度測量，提供0.02 ℃的高分辨率輸出。通過光電探測器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)匯聚后的物體自身紅外輻射能量的測量，可在－20～120 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)精準(zhǔn)測量。該傳感器具有 I2C 通信線路，可以與 ATmega 328 直接連接。

3.3 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信模塊采用 HC-05 藍(lán)牙模塊，以藍(lán)牙連接取代串口線連接，實(shí)現(xiàn)與帶藍(lán)牙的電腦、手機(jī)或藍(lán)牙主機(jī)無線遠(yuǎn)程通信。 HC-05 模塊之間可以組成局域網(wǎng)，用于多個(gè)監(jiān)測目標(biāo)的體溫?cái)?shù)據(jù)傳輸。

3.4 電源模塊

使用能量高、小型化和輕量化的聚合物鋰電池，不用局限于標(biāo)準(zhǔn)外形，使其相較與其他種類的電池更節(jié)省空間。聚合物鋰電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10%～15%，較鋁殼電池高5%～10%，允許測溫模塊進(jìn)行更長時(shí)間的工作，同時(shí)可輸出處理器所需的5 V輸入電壓，出現(xiàn)安全隱患時(shí)，聚合物電芯會(huì)發(fā)生氣鼓現(xiàn)象而非爆燃、爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象，適合用于對(duì)貼身傳感器的供電。

4 測量結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)材料見下表。

表 實(shí)驗(yàn)材料清單

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實(shí)驗(yàn)流程如圖3～6所示，首先在面包板上組裝測溫模塊，并為 Arduino 燒錄自動(dòng)測溫程序，如圖3所示；其次使用配重塊將 mlx90614 固定在加熱平臺(tái)之上，同時(shí)使傳感器最低點(diǎn)與加熱平臺(tái)保持 7 mm 的距離，如圖4～5所示；最后開啟加熱平臺(tái)逐步改變平臺(tái)表面溫度，以測溫槍測得數(shù)據(jù)為參考，測得20組溫度數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖 3 組裝測溫模塊

圖 4 與加熱平臺(tái)保持7 mm距離

圖 5 固定 mlx90614 傳感器

圖 6 使用測溫槍測得數(shù)據(jù)為參考

4.2 測量結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～8所示，結(jié)果表明，在第一次模擬非接觸測溫的情況下，平均誤差值為 0.62 ℃，如圖7所示;在修正溫度補(bǔ)償算法后，平均誤差值為 0.22 ℃，如圖8所示。優(yōu)化后的誤差值較小，具有明顯優(yōu)勢。但在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)中，后十組數(shù)據(jù)與前十組相比誤差較大，造成該現(xiàn)象的原因是傳感器在加熱平臺(tái)附近長時(shí)間工作后表面封裝被加熱，從而對(duì)溫度的測量產(chǎn)生干擾。建議在實(shí)際應(yīng)用的過程中，應(yīng)避免傳感器與監(jiān)測物體直接接觸。

圖 7 算法修正前測得溫度數(shù)據(jù)

圖 8 算法修正后測得溫度數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

提出一種體溫監(jiān)測自動(dòng)化的解決方案。該方案基于已有的無線通信技術(shù)與電子元件解決了臨床體溫監(jiān)測復(fù)雜、煩瑣的問題。達(dá)到了體溫監(jiān)測自動(dòng)化、數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可分享數(shù)據(jù)至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，有利于疫情大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。設(shè)想通過選用耗能更低的處理器與通信模塊，在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的前提下降低能耗，進(jìn)一步減小電池的體積，凸顯輕量化、低能耗的優(yōu)勢。為了提供更好的醫(yī)療條件，可通過利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，將較復(fù)雜機(jī)械的操作進(jìn)行自動(dòng)化，為醫(yī)護(hù)人員提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和更便捷的數(shù)據(jù)獲取途經(jīng)。