李卓東 何文劼

1. 清華大學(xué) 北京 100084；

2. 成都凡米科技有限公司 北京 100084

引言

體溫能反映身體健康狀況，包括體內(nèi)血液循環(huán)暢通，測量結(jié)果對(duì)個(gè)性化指導(dǎo)治療用藥具有重要參考價(jià)值。目前，醫(yī)院測溫采用電子體溫計(jì)，傳統(tǒng)水銀測溫計(jì)存在易破碎等缺陷。體溫計(jì)打碎外泄汞蒸發(fā)使15m2房間空氣汞濃度達(dá)22.2mg/m3。水銀腋溫測量方式耗時(shí)長增加工作量，手持式電子體溫計(jì)采集電路測溫器件采用熱敏電阻[1]。體溫連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測是智慧醫(yī)療平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)，醫(yī)務(wù)人員可根據(jù)平臺(tái)預(yù)測診斷病情，實(shí)現(xiàn)患者體溫連續(xù)監(jiān)測具有重要意義。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合傳感器通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域環(huán)境信息。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由嵌入式設(shè)備與傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，各傳感器節(jié)點(diǎn)無信息交匯必要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選用無線局域網(wǎng)，主機(jī)對(duì)應(yīng)多臺(tái)終端循環(huán)問答。傳統(tǒng)水銀體溫計(jì)存在測溫速度慢等不足，手持式電子體溫計(jì)受部件老化等因素影響需定期校準(zhǔn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)基于無線化穿戴式測量，干擾信號(hào)濾波算法，高精度體溫測量方法等方面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采用Sub-1G組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)微型感知節(jié)點(diǎn)為終端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)患者體溫實(shí)時(shí)測量，系統(tǒng)由溫感器列陣測量節(jié)點(diǎn)，Coordinator模塊等組成，醫(yī)院通過為ICU患者佩戴標(biāo)注溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)傳送到協(xié)調(diào)器，佩戴數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)鏈路向協(xié)調(diào)器模塊傳送數(shù)據(jù)，通過串口通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PC客戶端軟件，患者初次加入在數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)文檔。設(shè)計(jì)測溫系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集體溫?cái)?shù)據(jù)判斷，通過分析支持向量機(jī)分類算法，可以露營支持向量機(jī)分類特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)與合法數(shù)據(jù)二分類。為降低系統(tǒng)布線復(fù)雜度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新冠病毒感染傳染性強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)完成發(fā)熱病例信息報(bào)告等功能，測溫系統(tǒng)分為軟硬件部分，硬件部分包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備，軟件系統(tǒng)完成體溫?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等功能。系統(tǒng)平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集與服務(wù)平臺(tái)，傳感節(jié)點(diǎn)溫度采集模塊對(duì)病人體溫實(shí)時(shí)采集。業(yè)務(wù)平臺(tái)為系統(tǒng)核心，系統(tǒng)采用架構(gòu)包括業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)層，采用COM技術(shù)開發(fā)便于模塊重用。

溫度采集采用DS-18B20數(shù)字溫度傳感器，可編程分辨率為9-12位，具有獨(dú)特一線接口可與CPU數(shù)據(jù)交換。采用TI公司推出集合射頻收發(fā)一體化芯片，可工作在2400-2483.5MHz的ISM頻率波段，芯片包括數(shù)據(jù)緩沖等功能。主要工作參數(shù)通過狀態(tài)字由用戶定制，可通過SPI接口進(jìn)行控制。傳感器節(jié)點(diǎn)控制處理器為MSP430F2002芯片，休眠電流消耗為0.1mA，電流消耗最大為250mA，減少傳感器節(jié)點(diǎn)體積，MSP430Fx20系列芯片指令周期為62.5ns，內(nèi)部具有12位定時(shí)器，可通過串行端口在線編程。開啟系統(tǒng)需對(duì)DS-18B20芯片復(fù)位，DS-18B20接到復(fù)位信號(hào)在15-60uS回發(fā)存在脈沖[3]。

COM是說明建立動(dòng)態(tài)互變組件規(guī)范，通信可不考慮所處操作環(huán)境，COM規(guī)范下將復(fù)雜程序劃分為獨(dú)立模塊開發(fā)，構(gòu)成應(yīng)用程序各組件在不影響其他組件下升級(jí)。使用COM機(jī)制改變重用方法，實(shí)現(xiàn)高層次的重用。軟件設(shè)計(jì)使用分層方法對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，系統(tǒng)內(nèi)部組件無損替換提高組件可復(fù)用性。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)包括業(yè)務(wù)與技術(shù)支持層。表現(xiàn)層分為用戶界面與表現(xiàn)層邏輯，表現(xiàn)層邏輯是處理顯示數(shù)據(jù)邏輯，表現(xiàn)層將數(shù)據(jù)與表現(xiàn)分離，為用戶提供交互工具。設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫采集系統(tǒng)采用小體積芯片，業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)軟件采用四層架構(gòu)，系統(tǒng)預(yù)留與醫(yī)院系統(tǒng)連接接口[4]。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包括微處理器等，紅外體溫傳感器選用TS105-3，輸出電壓為3.3mV，主要用于人體溫度測量，TS105-3輸出信號(hào)電壓小，采用兩級(jí)運(yùn)放電路對(duì)輸出信號(hào)放大處理，溫感器TS105-3資料手冊(cè)曲線表明可進(jìn)線性測量范圍，計(jì)算數(shù)字化電壓對(duì)應(yīng)測量溫度值。

傳感器節(jié)點(diǎn)MCU采用HT46RU32，是1928數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8位高性能精簡指令集單片機(jī)。紅外體溫傳感器采集信號(hào)放大送給傳感器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，依據(jù)溫度傳感器TS105-3的T-V對(duì)應(yīng)特性得到T-V關(guān)系式，傳感器節(jié)點(diǎn)具有個(gè)人信息輸入功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊選用SA68D21DL傳輸模塊，捷邁通信器材公司SA68D21DL采用透明式數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)裝E2ROM及看門電子狗，采用CRC檢驗(yàn)傳輸中99%的錯(cuò)誤，具有便于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可方便靈活通過串口設(shè)置頻點(diǎn)特點(diǎn)。

圖2 紅外體溫傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

系統(tǒng)以Serial App例程為基礎(chǔ)進(jìn)行體溫測量系統(tǒng)開發(fā)。協(xié)議棧提供安全協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，采用分層軟件結(jié)構(gòu)便與設(shè)計(jì)調(diào)試，OSAL層采用多任務(wù)事件輪循機(jī)制，不斷查詢執(zhí)行任務(wù)是否有事件發(fā)生，進(jìn)入中斷處理事件完成轉(zhuǎn)入低功耗模塊，無限循環(huán)查詢通過任務(wù)調(diào)度過程osal_start_system實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件分為紅外體溫傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分，中心計(jì)算機(jī)采用單工通信模式，無線傳輸模塊有唯一身份地址，通過發(fā)送數(shù)據(jù)格式提取個(gè)人信息，節(jié)點(diǎn)須等待上級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)后向計(jì)算機(jī)通信模塊傳送數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)MCU芯片A/D輸入端引腳與I/O口P0口復(fù)用，系統(tǒng)A/D引腳用P0.0口，采集體溫?cái)?shù)據(jù)運(yùn)用10次測量平均值，0-3V電壓值對(duì)應(yīng)35~42℃體溫值，測量AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際體溫值公式為dt[26]=((TT/10)/2047)×(7/3)+35=TT/264+35。網(wǎng)關(guān)接收感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送體溫?cái)?shù)據(jù)后觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件，調(diào)用Serial APP_ProcessMSGCmd函數(shù)，利用函數(shù)Hal UARTWrite將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。網(wǎng)關(guān)接收感知節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后將接收狀態(tài)參數(shù)打包為數(shù)據(jù)響應(yīng)信息，發(fā)送失敗產(chǎn)生重發(fā)數(shù)據(jù)響應(yīng)事件SERIALAPP_RSP_RTRY_EVT，判斷信息包中接收狀態(tài)數(shù)。接收狀態(tài)為OTA_DUP_MSG表示數(shù)據(jù)重發(fā)。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)測試

傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)測試包括體溫?cái)?shù)據(jù)采集終端入網(wǎng)，將實(shí)驗(yàn)室模擬為醫(yī)院病房，芯片出廠寫入64位物理地址，組建傳感器得到網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)，PAN協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)主要控制者，路由器負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。采用SmartRF Packet抓包工具進(jìn)行無線傳感器組建測試，測試表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備自組網(wǎng)功能。

協(xié)調(diào)器在斷電時(shí)終端節(jié)點(diǎn)不停搜尋周圍網(wǎng)絡(luò)，通過OSAL接口設(shè)置MAG低功耗模式。為驗(yàn)證支持向量機(jī)分類濾波算法對(duì)干擾信號(hào)抑制能力測試，節(jié)點(diǎn)2數(shù)據(jù)采用支持向量機(jī)分類濾波算法未發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)。通過復(fù)位協(xié)調(diào)器產(chǎn)生干擾信號(hào)，未進(jìn)行濾波節(jié)點(diǎn)1產(chǎn)生負(fù)尖峰脈沖。穿戴體溫監(jiān)測節(jié)點(diǎn)測試者高抬手臂等大幅度動(dòng)作，系統(tǒng)采集志愿者穿戴體溫?cái)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)維護(hù)管理界面節(jié)點(diǎn)監(jiān)測指令編輯框輸入get_data指令檢修等待，通過反饋信息解析得到節(jié)點(diǎn)電壓信息，節(jié)點(diǎn)211電壓下降到2.9V節(jié)點(diǎn)正常。

系統(tǒng)可準(zhǔn)確獲取加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電壓信息，傳感器陣列測溫響應(yīng)時(shí)間測試調(diào)出數(shù)據(jù)表test_0410_4查找提問數(shù)據(jù)，計(jì)算常溫下佩戴體溫測量節(jié)點(diǎn)得到穩(wěn)定體溫?cái)?shù)據(jù)需12min，采用4X1溫感器整列腋下測溫到36.5℃需13min。分析通過鼠標(biāo)框選溫度下降時(shí)段波形放大溫度下降過程，計(jì)算穩(wěn)定體溫下降到常溫需14min，采用4X1溫感器整列腋下測溫下降到25℃需15min。采用水銀溫度計(jì)測量時(shí)間為5-8min，系統(tǒng)節(jié)省體溫測量等待耗時(shí)。

圖3 不同休眠時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)切換頻率對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)壽命關(guān)系圖

5 結(jié)束語

體溫是人體重要的生命特征，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智慧醫(yī)療進(jìn)入人們的生活，傳統(tǒng)手持式電子體溫計(jì)測量存在煩瑣等缺陷。本文設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體溫測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集與服務(wù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)保證傳感器節(jié)點(diǎn)工作周明，業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)對(duì)各層功能模塊劃分。通過支持向量機(jī)分類濾波算法對(duì)干擾信號(hào)識(shí)別精度達(dá)98%，對(duì)軟硬件測試組網(wǎng)測試，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)低功耗測試等，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)提問高精度功能。