一种基于无线传输的体温监测预警系统的设计*

胡红波 徐 桓 方 铁

对于部队而言，训练项目多、任务重且时间长，且需要在恶劣环境下进行各种高强度的训练，因此在热区执行驻防、参训、演习及作战等任务的官兵在高温和高湿环境下会增加中暑的发病概率[1]。由于南部战区地理位置及气候环境的特殊性，国际救援、反恐、维和及护航等已经成为南部战区部队常态化任务，高强度的训练和执勤使得南部战区广大官兵中暑的风险更高[2]。因此，预防中暑，提高官兵在湿热环境下的生存和战斗能力，是南部战区联勤保障的重要任务，也是本研究重点关注和拟解决的重大课题。

1 体温监测预警系统的设计

对官兵的体温进行监控，可以有效避免重度中暑的发生概率，也能为重症中暑患者提供救治参考，为有效降低湿热环境的干扰，提高热区部队的战斗力和应急保障水平，有针对性地形成热区部队中暑防治保障预案，与南部战区特定的作战方向相适应。本研究根据当前实际，立足部队需求，收集整理大量文献，对热区部队中暑情况进行了初步调研，设计了一种体温监测预警系统。该系统基于无线信号传输，用于湿热环境下训练及作战时指战员佩戴，开机后自动监测其体温，通过体温数据分析判定人员是否存在热射病风险，及时预警，辅助指挥员或医护人员下达休整、救护等决策，减少热区部队中暑的发生概率，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力较强等优点。

2 体温监测预警系统的技术要点

以建立一套基于无线传输的体温监测系统为目标，涵盖系统运行的主要参数。体温监测预警系统包括体温报警阈值的确定、传感器的选择、人机交互性能评估、数据传输系统的设计等。基于无线传输的体温监测系统的设计流程如图1所示。

图1 体温监测系统设计流程图

2.1 体温报警阈值的确定

体温是中暑症状最直观及最易测量的体征[3-6]。本研究设计中体温阈值的确定，采取文献查阅和现场调研的形式进行。根据设计实际应用目标，确定资料检索范围，包括期刊、会议论文集、内部刊物、国家或行业标准等；对所收集的国内外和军内外有关中暑防治方面的研究资料进行回顾性查阅和前瞻性追踪，并进行登记、分类和标注，整理汇集相关数据，分析患者体温与中暑危重程度的对应关系，确定体温阈值设置的关键因素和大致范围，选取部分热区部队进行实际调研，对阈值的设定进行修正。

2.2 无线传输稳定性的研究

本研究设计拟采用2.4 GHz频段传输技术，该技术相比于其他无线通信技术具有传输距离远、功耗低及通信协议可自定义等优点[7-10]。该频段是全球通用的免许可证的频段，因此有大量的无线通信设备工作在此频段上，同时为实现体温传感器端和无线接收终端的多对一通信，防止无线传输中的数据丢失和干扰，需要对频段进行编码加密等操作，保证温度传感器端和无线接收终端之间的唯一性。

2.3 温度传感器电源使用的优化管理

本研究设计拟采用独立电池为单兵体温监测单元供电，由于热区部队训练和执勤时间相对较长，电源使用的优化管理才能保证持续有效的体温监测。对于采用电池供电的系统，为延长电池使用时间，微控制器大部分的时间(体温正常时)应该处于空闲和挂起模式，当监测到人体持续大幅度运动时，微控制器具唤醒温度传感器，进行体温监测。

2.4 人机交互性能的评估

协同热区部队对样机展开评测，包括佩戴方式的舒适程度，对日常生活、训练、执勤等的影响程度，体温信号采集的稳定性等；测试预警信号的有效性，设置不同环境下的预警模式(日常环境声光预警、勤务环境震动预警)；测试恶劣条件下监测系统的稳定性，电池的安全性能评估等。

按照设计流程，选取合适的电子温度传感器和无线传输发射与接收元件，对体温监测系统进行硬件电路图绘制与软件服务界面的设计。在硬件设备的选取、定型及加工过程，综合考虑产品的性能、价格及加工难度；软件设计要考虑系统的可靠性、兼容性和鲁棒性。

3 体温监测预警系统的设计

3.1 系统硬件设计

系统硬件由单兵体温监测单元和系统监控单元组成，其中单兵体温监测单元的功能包括单兵体温的监测、数据传输和中暑预警；系统监控单元对多个单兵体温监测单元的数据进行统计分析，辅助指挥员或医护人员下达休整及救护等决策。体温监测系统示意如图2所示。

图2 体温监测系统示意图

3.1.1 单兵体温监测单元

(1)主控制器模块。对系统进行控制，拟采用微电脑控制器实现控制功能，包括体温的监测与记录、报警信号的设置与触发、电池的充放电管理、无线信号的传输等控制。设计中采用的微控制器是德州仪器公司(Texas Instruments)生产的MSP430F5528，该微控制器具有强大的16位精简指令集CPU，16位寄存器和恒定发生器，有助于实现最高的代码效率，具有功耗低、功能完备、易编程等特点；该架构结合广泛的低功耗模式进行了优化，以延长便携式测量应用的电池使用寿命，数字控制振荡器(digitally controlled oscillator，DCO)允许器件在3.5 μs时从低功耗模式唤醒至主动模式。集成了4个16位定时器，高性能12位模数转换器(analog-todigital converter，ADC)，2个通用串行通信接口，具有报警功能的实时时钟(real-time clock，RTC)模块以及63个I/O引脚。通过MSP430F5528控制体温监测系统的电路原理如图3所示。

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图3 体温监测系统电路原理图

(2)体温监测模块。体温监测系统拟采用电子温度传感器作为感温元件，电子温度传感器是由专用集成电路和其他的电子元器件组成的温度测量系统，具有数据读取快速、操作简便、便于与移动设备连接和数据传输等优点，同时便于高集成度设计，方便实现低功耗、可穿戴式的体温监测产品[11]。电子温度传感器按制作材料类型的不同主要分为电阻式温度检测器、热电偶式温度检测器、集成温度传感器和热敏电阻式温度检测器。这些传感器在测温范围、测量精度、线性度、灵敏度、稳定性、响应时间、元器件成本及体积等方面均有差异。本研究在测温原理、校准技术、稳定性、集成性和经济性等方面进行筛选，确保测量的准确、快速和稳定，同时满足军用要求，最后选定的传感器型号为DS18B20，该传感器属于单线数字温度传感器，即“一线器件”，优点包括:采用单总线的接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件，支持多点组网功能，性价比高，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便[12]。DS18B20的接线电路如图4所示。

图4 DS18B20接线电路图

(3)预警模块。集成微型马达、蜂鸣器及led灯，实现震动、鸣叫、闪光灯动作、声和光报警信号，可以设置不同环境下的预警模式(日常生活、训练环境声光预警；执勤、作战环境震动预警)。

(4)无线通信模块。单兵体温监测单元与系统监控单元的传输是通过无线方式进行数据传输，由于官兵生活、训练及执勤的环境相对复杂，蓝牙模式和全球移动系统(global system for mobile，GSM)模式传输距离短、易受干扰、设置使用要求高等原因均无法满足需要。故本研究设计拟采用2.4 GHz频段传输技术，推出了一种物联网芯片CC3200，该芯片具有一个Cortex-M4的ARM核和一个WiFi模块，具有I2C和串行外围设备接口(serial peripheral interface，SPI)通讯能力，体积仅为9 mm×9 mm，休眠电流120 μA，数据传输峰值电流229 mA，无论是体积还是功耗，均符合本研究的设计要求，因此采用CC3200作为主控芯片。

(5)电池控制模块。采用独立锂电池为单兵体温监测单元供电，由于热区部队训练和执勤时间相对较长，电源使用的优化管理才能保证持续有效的体温监测。对于采用电池供电的系统.为延长电池使用时间，微控制器大部分的时间(体温正常时)应该处于空闲和挂起模式，当监测到人体持续大幅度运动时，微控制器具唤醒温度传感器，进行体温监测。本研究设计采用的电池控制模块由德州仪器的TIDA-00761管理解决方案(尺寸仅为2.5 mm×2.5 mm)，基于bq25120微控制芯片，适用于低功耗可穿戴设备，集成了用于可穿戴设备的最常用功能:线性充电器、稳压输出、负载开关、带计时器的手动复位以及电池电压监视器。该器件支持5～300 mA的充电电流。

(6)佩戴模块。按照穿戴方式和位置的不同，可穿戴设备可分为头戴式、腕戴式、携带式以及身穿式4种，而临床的体温测量部位有口腔、腋下、直肠、额头、耳腔(鼓膜)等。综合考虑，可供选择的测温系统佩戴方式为头戴式、腕戴式及身穿式3种。

3.1.2 系统监控单元

可安装在笔记本或平板电脑上，通过无线传输端接收多个监测单元传来的温度数据，从而监控多个单兵监测单元无线传输的温度值，并实时记录异常值，当异常值长时间持续或者发生大量单兵体温异常时，辅助下达停止训练或者紧急救治的决策。

3.2 系统软件设计

体温是中暑症状最直观和最易测量的体征，本研究设计在单兵体温监测单元设置了报警功能，当监测到单兵体温实时测量结果超出设定阈值或短时间内体温快速升高时，监测单元发出报警信号(声、光信号或震动信号)，提示单兵体温异常，需要进行降温或休整，且向系统监控单元传输数据，系统监控单元将记录异常值，当异常值长时间持续或者发生大量单兵体温异常时，辅助下达停止训练或者紧急救治的决策。

本研究于2016年6月，在对南海舰队医疗装备巡检巡修时，对部分部队近年来的中暑情况进行了统计分析，相关中心医院和总医院，提供了历年来收治热射病的相关数据。基于临床数据研究，除将单监测端体温超过38.5 ℃作为触发报警的阈值之外，还将单监测端体温上升过快(5 min内体温升高2 ℃)和多个监测端体温异常(超出20%监测端体温偏离正常值)作为判定依据，使得中暑预警更为灵敏、准确和真实。

3.2.2 软件流程设计

在设计中系统启动后，单兵监测单元初始化，监测单兵端的体温值，当体温值出现异常(超预警值或者上升过快)时，控制单元根据预设场景(静默状态或者常规状态)按照特定模式进行报警(震动或声光报警)，对单兵进行警示，提示降低训练强度、自我降温和及时上报就医等，同时监控单元启动无线传输，向系统监控单元上报异常数据，包括被检测单兵的姓名(或编号)、异常体温值和异常发生的时间信息等。软件流程设计如图5所示。

图5 系统软件设计流程图

3.2.3 监控端界面设计

为了便于操作，监控端使用Matlab软件进行编程，便于将程序移植到移动笔记本电脑及平板电脑等平台，以满足系统野战便携的需要。控制软件利用分时复用的方式，采用用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)协议与各个单兵体温传感器节点通讯，分别采集各节点上传的数据，并实现各单兵传感器的同步功能。同时，控制软件设计了一些安全验证，需要对频段进行编码加密等操作，保证温度传感器端和无线接收终端之间的唯一性，满足系统保密性的需要。客户端界面如图6所示。

图6 系统监控界面图

4 体温监测预警系统的测试结果

4.1 系统测试

体温监测预警系统目前已完成了原型版的搭建，由于采用分离元件，系统尚未开展体温监测实验，主要通过测试软件对系统传输的稳定性进行了实验，稳定性主要通过模拟数据的传输，测试监控端的反应时间及丢包情况。测试系统稳定工作是确保单兵状态准确评估的前提，每次测试均设置监控单元连接5个单兵体温监测单元，且每个人相距10 m，采样时为1 ms(即采样频率为1000 Hz)，所有的单兵体温监测单元均稳定工作至其电量完全耗尽，数据传输丢包率为0.2%，表明系统稳定性良好。

4.2 系统创新点

体温监测预警系统基于无线信号传输，用于湿热环境下执勤和作战时佩戴，开机后自动监测指战员的体温，通过体温数据分析判定人员是否存在热射病风险，填补我军在单兵无线体温监测及群体中暑精确预警方面的空白，能够有效降低热区部队中暑的发生概率，其创新点如下。

(1)采用2.4 GHz频段传输技术。该技术相比于其他无线通信技术(蓝牙、GSM模式等)具有传输距离远、功耗低以及通信协议可自定义等优点。

(2)多预警阈值的选择。基于临床数据研究，除将单监测端体温超过38.5 ℃作为触发报警的阈值之外，还将单监测端体温上升过快和多个监测端体温异常作为判定依据，使得中暑预警更为灵敏、准确和真实。

(3)实用性。创造性的采用单兵体温监测单元和系统监控单元组合的模式，由单兵监测单元监控个体的体温，兼具预警功能，系统监控单元对群体进行监测，既满足重点单元的监测需求，又适应群体的监测需要。

5 结语

近年来，为了维护国家战略利益，国际救援、反恐、维和、护航等已成南部战区部队担负的常态化军事任务，由此在热带地区特殊环境执行作战或其他非战争军事行动明显增加，形成的人工热环境导致官兵发生中暑的风险较高，需要建立与之相适应的热区卫勤保障体系。对部队官兵的体温进行精确监测及中暑预警，与南部战区特定的作战方式和急需的快速卫勤保障相适应，可以有效降低重度中暑的发生概率，也能为重症中暑患者提供救治参考，提高南部战区部队的科学训练水平，增强官兵在湿热环境下的生存和战斗能力。