一种无线感知耳蜗测温系统的设计

王力申，许崇彩,2，欧阳思琪，李韬，于鑫麟，李东澍

（1.宿迁学院，江苏宿迁，223800；2.宿迁学院产业技术研究院，江苏宿迁，223800）

0 引言

体温是临床护理监测的最基本指标之一，是机体内在活动的一种客观反映。机体的产热和散热是受神经中枢调节的，很多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍，导致体温发生变化。传统测温以水银体温计为主，但由于测量时间长，需要患者配合，且是玻璃制品，容易打碎，存在不少风险。目前市场上的耳式测温计主要是欧姆龙、泰尔茂、安安、亿思特、博朗等几种耳式体温计[1]，到目前为止还没有对耳温的判断标准，加上使用成本和要求较高，市场还未成熟。最主要的问题是现在的测温计不具备蓝牙联网[2]功能，无法将数据实时传达给后端，无法实现数据传输和远程控制。

随着无线网络应用技术日趋成熟，由于无线应用具有传播范围广、普及率高等有线网络无法比拟的先天优势，许许多多组织或个人纷纷使用无线网络来加速信息的传播。考虑到上述种种因素，本设计在疫情和中国无线网络应用发展的现状和趋势的基础上，实现了在现有的疫情预警系统中加入无线应用[3]技术，以达到随时随地为医疗机构传递传染病疫情信息的目的。

1 总体方案

本设计系统的主控芯片为STM32F401，模块由热电堆传感器，低功耗微处理器，低功耗蓝牙模块，OLED显示屏等组成。

采用耳挂式设计。通过蓝牙连接上位机，热电堆可以在一定距离外通过检测物体的红外能来测量温度，利用低功耗处理器、STM32F401采集数据，设备测量体温并送至后端，进行智能筛选处理，操作简单，更具人性化。硬件通过与微信小程序相连接，仅需正确佩戴设备便可测温。设备采用锂电池供电，Type-c充电且功耗小。设备带有LCD显示屏，可直观查看测量时体温数据。本测温系统结构图如图1所示。

图1 一种无线感知耳蜗测温系统的设计系统结构图

2 硬件设计

2.1 (非接触式)耳蜗测温计

本耳蜗测温计运用热电堆传感器[4]测量耳蜗温度，内置锂电池和电源管理，可以达到理想的续航效果，配备OLED显示屏，用于实时显示体温值。其硬件装置小巧便携，便于时时佩戴时时测温。这样便达到了人与人之间非接触式的耳蜗测温效果。根据数据显示，人耳蜗的温度相比于额头的温度更加接近与人体的真实温度。关于这一点，本耳蜗测温深入耳蜗测温减小了外界温度对其测温系统的影响，大大降低错报误报的机率。

本耳蜗测温具备两种测温方式：

一是使用耳蜗测温计上的测温按钮，将测温头对准皮肤（建议距离小于1cm），轻按测温按钮，OLED屏幕将会显示测得的体温值。在20s之后屏幕会自动熄灭，进入待机状态。

二是使用手机微信小程序，用手机微信扫码获取小程序之后，搜索并配对MY-TEMP设备，即可使用微信小程序控制耳蜗测温计进行数据采集并在微信小程序上显示温度数值。

2.2 硬件系统

本硬件系统由STM32F401开发板，传感器MLX90614，一块低功耗蓝牙以及电源构成,电源给开发板、传感器和蓝牙供电，STM32F401开发板从传感器MLX90614处获得人体温度，并通过低功耗蓝牙传输给客户端。

2.2.1 STM32F401开发板

STM32F401是意法半导体基于ARM Cortex-M432位/DSP内核的STM32F4[5]系列高性能微控制器的入门级产品。其运行频率低于其它STM32F4微控制器，但在性能、功耗和集成度之间取得完美均衡，以105DMIPS（84MHz）、137μA/MHz工作电流、11μA典型停止电流、丰富的集成功能领先于同级产品。本设计STM32F401实现各个模块的整体控制，完成信息的通讯。

2.2.2 传感器模块

本设计传感器MLX90614[6]是无接触式的红外线温度感应芯片，由MLX81101红外热电堆传感器和包括含有稳压电路、低噪声放大器、A/D转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路的MLX90302信号处理芯片构成。 本模块通过红外热电堆传感器输出的温度信号经过内部低噪声、低失调的运算放大器(OPA)放大后经过A/D转换器(ADC)转换为17位数字信号通过可编程FIR及IIR低通数字滤波器(即DSP)处理后输出,输出结果存储在其内部RAM存储单元中。

MLX90614中有两个存储器，分别为EEPROM和RAM。MLX90614共有32个字长为16位的EEPROM存储单元，其地址为000H—01FH。EEPROM中所有的寄存器都是可以通过SMBus进行读取，但只有部分寄存器是可以进行改写的(地址为0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05*，0x0E, 0x0F, 0x09)。可改写部分如表1所示。

表1 可改写寄存器

2.2.3 低功耗蓝牙模块

设备通过TM32F401低功耗处理器[7]与微信平台建立通信，传输温度信息。成功建立连接后，改变环境变量，增加影响因素，通过硬件设备，不断向平台传送体温数据以及平台向低功耗设备写入数据测试连接稳定性。测试期间，设备与终端无断连现象发生，蓝牙与终端可以在较短时间内连接，且抗干扰能力较强。设备与终端成功建立连接后，不断测量温度并上传至平台。后续修改调试直至设备可以向平台写入提问数据，且无误差，无缺失。

2.2.4 电源模块

本耳蜗测温计供电需求小，如果提供的电压太大则容易导致通过电流较大，一方面容易烧坏芯片，一方面容易加快减少产品的使用寿命。一般只需要加5V电压即可正常工作。为了增加稳定性与安全性，本耳蜗测温计采用可稳压芯片LM393[8]，LM393是常见的三端稳压集成电路，使用它组成稳压电源所需要添加的外围元件很少。另外，此电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，不但价格便宜，使用寿命长，而且安全又稳定。

3 软件程序设计

本耳蜗测温系统的软件设计采用ARM Cortex-M系列汇编语言，以及Python[9]语言处理数据。单片机端设计的软件功能版块主要有：温度监测子模块、蓝牙子模块、显示屏子模块等。主程序首先对系统初始化，然后循调用传感器MLX90614测得温度，通过人体的温度测试，由于不同温度下所释放出红外光能的能量不同，利用热电堆对红外光能进行采集，通过电压算法转换成温度值。

3.1 移动微信端

本耳蜗测温计利用STM32F401低功耗处理器将采集的数据通过蓝牙发送到手机端，低功耗蓝牙提供可靠的数据传输和远程控制。小程序端采集到数据后，在小程序后端对采集到的数据采取进一步的优化，将优化后数据送到数据库中保存，当系统发现数据异常时会对用户发出隔离警告，进一步采取有效的防疫措施。随后，医院即可获取使用者的位置信息，将使用者最后一次检测的体温以及位置保存并显示在人员分布图上，一旦发现传染病或者疑似传染病病人，对其及时妥善处理，做到传染病病例的早发现、早报告、早隔离、早处置，切实有效的控制传染源。

3.2 开发者工具

微信开发者工具安装：微信提供了小程序的官方开发工具—微信开发者工具。下载需要的安装包后，双击安装包进行安装，然后点击“下一步”；许可证协议页面，点击“我接受”；选择目标安装位置，然后点击“安装”；直至安装结束，点击“完成”即可。

微信开发者工具使用：打开“微信开发者工具”，提示使用手机微信进行扫描登录；通过扫码登陆并绑定开发者微信账号；然后点击页面右上角的真机调试，通过扫码在开发者手机端进行调试，等待调试完成即可。

设备连接小程序：打开设备开关，等待微信小程序的连接，打开手机，扫码后，进入小程序，点击初始化蓝牙适配器，再点击搜索蓝牙，选择自己的设备，即可实现连接。

系统数据传输：处于工作状态下的设备按下测温按键即可获得当前体温并上传数据至小程序平台，另外可在小程序端开启硬件端的体温检测和数据传输。实现软硬件均可开启体温检测的功能。软件流程如图2所示，小程序如图3所示，蓝牙适配器如图4所示。

图2 软件流程图

图3 小程序

图4 蓝牙适配器

4 结论

本耳蜗测温系统在设计初期受到无接触时测温设备以及企业微信体温填报的启发，采用以热电堆为核心的硬件检测温设，将微信小程序服务端进行数据的接受处理。以实现最终一件测量体温且上报平台的功能，确保了数据的切实有效，为企业及高校复工复习提供有力的保障。设计过程中，通过硬件通信协议，采用蓝牙进行交互，不断地进行真机调试，调整代码，最终确保传输期间，数据的准确、安全且无丢失，有效避免误报、错报。采用低功耗蓝牙降低成本，只需要利用手机等固有的设备即可。与传统的无接触测温设备相比，该设计省去了排队测体温，人工填报等繁琐的过程。一键式的体温测量与填报，确保了数据的实时可靠性，合理有效的规避了虚假信息的填报。

与近年主流测温计相比，本耳蜗测温系统的主要优点：

（1）实时统计：实时将佩戴本装置的人员的体温记录、出入时间、所在地点等资料上传到平台，提供多维度数据分析报告。若有传染病发生或者出现传染病患者，可以及时采集数据，采取措施。

（2）蓝牙远程传输数据：本产品利用STM32-F401低功耗处理器将采集的数据通过蓝牙发送到手机端，低功耗蓝牙提供可靠的数据传输和远程控制。需求方可直接观测到体温数据，根据数据进行下一步的疫情调查，有针对性地通知有关人员开展疫情防控工作。

（3）非接触式测温：用于人体的温度测试，由于不同温度下所释放出红外光能的能量不同，利用热电堆对红外光能进行采集，通过电压算法转换成温度值。减少排队测温，避免了测温接触带来的风险。

（4）低功耗运行：可充电循环使用，达到理想的续航效果续航。