人体体温实时在线监测系统及应用

程体阳+莫洋+黎睿

摘 要：体温数据是医院病人重要的体征参数之一，其对病人的身体状况及病情诊断具有重要意义。为实现体温数据的实时监测，提高医疗系统的工作效率，并将数据上传至中心计算机形成网络化存储，对一种基于单片机与无线数字传输模块的新式温度测量及通讯系统进行了研究，以此革新了传统的手工查测方式。进行了硬件与软件设计，其中单片机负责数据采集及上传，并通过nRF24L01实现通讯。运行表明，系统稳定、可靠，数据误差小，报警及时，实现了革新传统的人工体温查测方式，提高医疗系统的工作效率以及体温数据网络化的创新构想的目标。

关键词：单片机；温度测量；数字无线通讯模块；串口通讯模块；虚拟实验室软件

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-000-04

0 引 言

温度测量广泛地应用于机械制造、产品加工、医疗技术等各个领域。从以前最简单的温度计手工测量，到现在较为先进的电子温度测量技术，温度测量计经历了重大的“进化”。

在医疗领域，医护人员在了解病人健康状况、治疗以及监控管理的过程中，病人体温情况往往是最为基础和重要的一环。病人体温反应了病人当前病情的具体情况，需要定时地测量以便医护人员作出最准确地判断和采取相应医疗措施。

就中国医疗领域目前的情况而言，多数医院仍采用较为落后的人工水银温度计体温测量方法，这种方法不但耗费时间巨大，而且在数据保存方面也不可靠。由于人工测量难以实现精准的定时，病人在出现特殊情况的时候无法做到最为及时的反馈，从而容易造成延误治疗，使得病人的生命安全蒙受巨大的损失。另一方面，庞大的体温数据通过手工记录，汇总分析的工作较为冗杂，出现失误的情况屡见不鲜，这又增加了医疗的不确定性。所以，我国目前这种传统的体温人工测绘方式有待改进[1]。

在国外，相比于国内的情况，许多医院都已经将病人体温进行网络数据化处理，利用已有的网络通信能力实现体温的实时监护、管理。这一方法不但高效、可靠、实用，并从长远来看，节省了大量的劳动力。同时，从安全性上讲，水银温度计容易损坏，汞作为一种易挥发的剧毒物质，对人体造成的伤害是不可想象的；从精读上讲，水银温度计的精度是0.1 ℃，而电子温度计的精度可达0.01 ℃。

水银温度计由于其安全性等因素将从市场上消失，而代之以更安全、更专业的电子体温计。统计表明，2007年美国、日本、欧盟等国家和地区的电子体温计的需求量达1.84亿，较2006年增长了16%，2008年需求量2.28亿支，较2007年同比增长24%。随着水银体温计退出市场，电子体温计每年的需求量还在以20%以上的速度增长[2]。

在线实时监测在不久的将来将当之无愧地成为全世界的主流。

本系统的开发就是通过利用传感器测量体温，实现病人体温测量自动化，数据网络化处理，以提高医护人员工作的效率，同时消除水银温度计存在的隐患，使病人生命安全得到更多地保障。

本系统在能够准确获知病人体温数据的基础上，将获取过程实现自动化采集，解放出大量劳动力，并将大量体温数据网络化，作为重要参数与病人的特征信息相结合，使体温成为重要的体征参数之一；同时，本系统亦可将温度数据进行横向对比并以图表形式输出，使得数据更加直观，方便医护人员比对参考，使他们能够更加准确地作出处理。

总之，本系统对于革新我国传统的医疗系统及实现医疗网络的自动化具有十分广阔的应用前景和重大的研究意义。

1 人体体温实时监控系统方法原理

1.1 人体体温实时监控功能需求分析

据相关研究表明，健康人的标准平均体温为36.8 ℃，清晨7、8点时体温降为最低， 下午体温达到最高值。早晨体温大于等于37.2 ℃，下午体温大于等于37.8 ℃都是发烧的情况。因此，系统需实现体温数据的自动实时采集、超限报警、数据传输及下位显示、数据的上位传输及处理等功能。同时，该系统对体温数据的精度要求高，报警要求及时，数据的传输要求迅速、准确。

1.2 基于单片机控制技术的体温监测原理

由于本系统整体上的要求，本文设计了一种体温实时在线监测系统，如图1所示。本系统由病床温度数据采集模块、病房数据传输模块及总控室上位机模块组成。

图1 体温实时在线监测系统框图

该系统的功能为：病床上电子体温计模块通过置于病人身上的温度传感器，检测到体温数据并将其转换成数字信号，在单片机中进行处理，并在数码管上将体温数据显示，同时具有高温报警功能；通过无线通讯芯片与病区计算机通信，将体温数据传至病区下位总机，在下位总机上进行温度数据的处理、显示、报警、传输；之后通过下位总机将温度数据传至上位计算机，在计算机中进行体温数据的进一步处理、记忆、图表显示等功能。基于此，我们可得到体温数据的采集过程，如图2所示。

图2 体温数据采集处理过程

系统硬件：本系统主要使用的硬件芯片为：MSC51系列单片机、DS18B20单总线数字温度传感器、有源蜂鸣器、nRF24L01无线收发芯片、有线串口通讯等[3]。

2 人体体温监测系统硬件设计

2.1 监控系统硬件装置的元件设计

上文简要说明了系统需要主要用到的硬件芯片，系统主要的结构就是由这些硬件加上相应电路组成。下文根据硬件的特点配合本系统中使用的电路进行详细介绍。

2.1.1 温度传感器

本系统采用DS18B20单总线数字温度传感器。该温度计具有量程广，操作简单，测量精度高等特点：其量程为 -55℃～125℃，在人体体温一般波动范围内温度的测量精度可达±0.01 ℃；采用的通信协议具有单总线特点，具体为通过一条数据总线实现多个传感器的挂载和通讯；此外，DS18B20能够独立工作于外部电源之外，利用数据线获取电源。相应的接口电路如图3所示。

图3 DS18B20连接方法

2.1.2 NRF24L01无线收发器

无线通讯部分采用单片2.4 GHz无线收发一体芯片，其工作频段为2.4 GHz～2.5 GHz。nRF2401具有支持多点间通信的特点，传输速率快；基于System on Chip（SoC）设计，其射频收发电路组成结构简单且高效；nRF2401利用简单的通信协议，产品之间的兼容通信好；此外，nRF2401还具有体积小、功耗低、生产成本低的特点[4]。nRF24L01的设置如图4所示。

（a） （b）

图4 NRF24L01的设置流程[5]

2.1.3 STC89C52RC型单片机

系统核心处理部分采用STC89C52RC单片机，单一+5 V电源供电，片内振荡器和时钟产生电路可外接石英晶体和微调电容，最佳振荡频率为6 MHz～12 MHz等结构特点，可充分满足对温度的控制、运算、处理、传输等要求[6]。

2.2 监控系统硬件装置的功能模块设计

如图1所示，系统硬件由病床电子体温计部分及病房单片机体温监测系统两部分组成，下面将阐述各部分硬件组成。

2.2.1 病床电子体温计模块设计

病床区电子体温计由单片机最小系统、18b20温度传感器、数码管显示模组、nTF24L01无线传输模组、蜂鸣器报警模组等模块组成，该系统可实现体温计的实时测量，超限报警及无线通讯等功能。如图5所示。

2.2.2 护士站体温监测模块设计

下位机体温监测系统由单片机最小系统、nRF24L01无线通讯模组、蜂鸣器报警模组、RS-232串口通讯模组组成。该系统可实现体温数据的无线接收、超限报警及体温数据的串口通讯等功能。如图6所示。

2.3 系统监测数据传输通路设计

在病床电子温度计中，体温数据经温度传感器采集后，以数字信号的形式交予单片机进行处理，单片机识别数字信号，并判断，若超过37.5℃，将启动蜂鸣器进行报警，同时在数码管模组上显示测量的体温数据值并将采集到的体温数据以字符串的形式传递给2.4 G模块进行无线通讯。

在护士站体温监测系统中，2.4 G无线通讯模组将接收到的体温数据以二进制形式传递至单片机处理，单片机对数据进行判断，若超过37.5 ℃，则启动蜂鸣器报警，同时在LCD1602上显示病人体温数据及对应的病床号（地址值），并将体温数据以ASCII码形式通过串口传至上位机。如图7所示。

图7 体温信号传递流程图

3 人体体温监测系统软件设计

前文已经详尽叙述了如何通过硬件将病人的体温数据采集以及通过串口通信将体温数据传送至上位机。在此部分需要对病人的体温数据进行进一步处理使得医院对病人的体温信息管理更加直观、便捷。为实现系统的数据库操作功能，本部分将病人基本信息，例如：姓名、性别等与病人实时温度信息一一对应起来；通过Labview接收及显示，创建数据库报表，使系统具有查询显示等基本功能；这就意味着工作人员可以通过在数据库窗口输入病人主要基本信息查询病人的实时温度。作为本部分特色的是，通过相关设计使得系统具有病人体温超标警示功能，并生成相关病人时间温度曲线图，对病人体温走势作出分析，方便医生更好地对病人病情作出判断。

根据本项目预期的目标，软件部分需要实现上位机对所接受的数据进行保存、绘制体温曲线等处理。

3.1 系统监控数据可视化界面设计

基于Labview平台简洁美观的特点，在上位机端，采用Labiew开发平台，编写vi程序，生成能够在大部分上位机上完美运行的exe程序，实现上位机对数据进行图形化呈现。在程序所绘制的折线图中，以采集次数为横坐标，病人具体体温为纵坐标，直观呈现病人短期内的体温情况，以便医护人员在面对紧急情况时能够及时采取正确的措施。该图像同时实现了以不同颜色折线对多位病人体温的同时再现，较为经济、便捷[7]。监测界面如图8所示。

在程序运行初始，需要端口地址及所需呈现图像数据的个数及时间，而在之后的运行中则无需再设置。当然如果医护人员需要，也可以自己进行修改。

3.2 系统监控数据存储子系统设计

为实现上述功能，我们采用Access数据库对病人体温信息进行管理。利用其能够完善地管理各种数据库对象，方便生成各种数据对象及建立窗体、报表的特点进行相应设计。

其操作简便，编程简单，可与SQL语言及VB语言实现完美连接，为数据建立集中化存取平台。本项目仅用到了Access数据库开发平台的基本报表生成、窗口建立、控件设置、数据查询以及简单VBA编程实现体温超标警示和曲线图绘制功能。

图8 Labview监测界面

呈现数据库数据处理部分的Access相关运行界面如图9所示。

图9 病人信息体温表

相关操作人员在Access运行界面的查询工作栏输入病人的主要基本信息，如：病人编号，可以查询到病人的实时体温，同时显示体温是否超标；还可以设置是否生成当前时间段的体温曲线图，进行进一步分析。上位机病人体温数据处理功能的实现就如上文所述。

4 体温监控系统运行测试

对系统进行性能测试，设计了2组病人体温数据，系统默认设定为每隔1秒钟循环轮询测量一次，测得的数据能实时显示和存储在数据库中，并对测得的数据进行分析，从而达到研究分析病人体温变化进而评估其健康状况的目的。

系统设置的精度为0.1 ℃，符合正常的体温观测标准。同时，上位计算机的强大处理能力完美地满足了系统数据的处理要求。温度传感器测量的数据，包括病床号、温度等信息（只精确和显示到小数点后一位）。

5 结 语

文章阐述了利用DS18B20、STC52RC和NRF2401等芯片设计的住院病人体温实时在线监测系统，并通过试验测试证明，系统很好地实现了体温数据信号的有效传输，由于传感器可以置于病人衣服内部，对病人的活动不受影响，同时病人的活动对数据测量亦不会产生影响。在数据处理方面，充分利用了计算机的处理能力，多路数据的同时测量与传输，使得测量广度达到了预期效果。体温传感器置于腋下，测量的是病人的腋温，使得测量的精度达到了预期效果。

本系统具有低成本，应用灵活，可裁剪等特点，如果能够在医院及临床中得以推广，则将解放护士的大量劳动力，且能够及时反映病人的体温状况；若能将体温数据纳入病人体征参数数据库中，则对补充及完善医院大数据网络具有重大意义。

参考文献

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