基于无线传感器网络的体温测量系统的设计

李卓东 何文劼

1. 清华大学 北京 100084；

2. 成都凡米科技有限公司 北京 100084

引言

体温能反映身体健康状况，包括体内血液循环畅通，测量结果对个性化指导治疗用药具有重要参考价值。目前，医院测温采用电子体温计，传统水银测温计存在易破碎等缺陷。体温计打碎外泄汞蒸发使15m2房间空气汞浓度达22.2mg/m³。水银腋温测量方式耗时长增加工作量，手持式电子体温计采集电路测温器件采用热敏电阻[1]。体温连续实时监测是智慧医疗平台的重要环节，医务人员可根据平台预测诊断病情，实现患者体温连续监测具有重要意义。无线传感器网络综合传感器通信技术，可实时监测采集网络分布区域环境信息。

1 无线传感器网络体温测量系统分析

无线传感器网络由嵌入式设备与传感器网络构成，各传感器节点无信息交汇必要，无线传感器网络结构选用无线局域网，主机对应多台终端循环问答。传统水银体温计存在测温速度慢等不足，手持式电子体温计受部件老化等因素影响需定期校准，无线传感器网络体温测量系统基于无线化穿戴式测量，干扰信号滤波算法，高精度体温测量方法等方面设计。系统无线传感器网络实现采用Sub-1G组网技术，设计微型感知节点为终端网络架构。

图1 无线局域网结构图

无线传感器网络体温测量系统设计对患者体温实时测量，系统由温感器列阵测量节点，Coordinator模块等组成，医院通过为ICU患者佩戴标注温度数据采集节点实现体温数据采集，采集数据通过路由节点传送到协调器，佩戴数据采集节点建立数据链路向协调器模块传送数据，通过串口通信协议将数据传送给PC客户端软件，患者初次加入在数据库建立数据文档。设计测温系统需要实时采集体温数据判断，通过分析支持向量机分类算法，可以露营支持向量机分类特点实现干扰信号与合法数据二分类。为降低系统布线复杂度，数据采集系统采用无线通信技术实现数据传输[2]。

2 无线传感器网络体温测量系统设计

新冠病毒感染传染性强，应及时完成发热病例信息报告等功能，测温系统分为软硬件部分，硬件部分包括计算机系统等设备，软件系统完成体温数据存储分析等功能。系统平台包括数据采集与服务平台，传感节点温度采集模块对病人体温实时采集。业务平台为系统核心，系统采用架构包括业务层与数据层，采用COM技术开发便于模块重用。

温度采集采用DS-18B20数字温度传感器，可编程分辨率为9-12位，具有独特一线接口可与CPU数据交换。采用TI公司推出集合射频收发一体化芯片，可工作在2400-2483.5MHz的ISM频率波段，芯片包括数据缓冲等功能。主要工作参数通过状态字由用户定制，可通过SPI接口进行控制。传感器节点控制处理器为MSP430F2002芯片，休眠电流消耗为0.1mA，电流消耗最大为250mA，减少传感器节点体积，MSP430Fx20系列芯片指令周期为62.5ns，内部具有12位定时器，可通过串行端口在线编程。开启系统需对DS-18B20芯片复位，DS-18B20接到复位信号在15-60uS回发存在脉冲[3]。

COM是说明建立动态互变组件规范，通信可不考虑所处操作环境，COM规范下将复杂程序划分为独立模块开发，构成应用程序各组件在不影响其他组件下升级。使用COM机制改变重用方法，实现高层次的重用。软件设计使用分层方法对系统结构划分，系统内部组件无损替换提高组件可复用性。系统采用分层架构包括业务与技术支持层。表现层分为用户界面与表现层逻辑，表现层逻辑是处理显示数据逻辑，表现层将数据与表现分离，为用户提供交互工具。设计传感器网络体温采集系统采用小体积芯片，业务服务平台软件采用四层架构，系统预留与医院系统连接接口[4]。

3 无线传感器网络体温测量系统实现

传感器监测节点包括微处理器等，红外体温传感器选用TS105-3，输出电压为3.3mV，主要用于人体温度测量，TS105-3输出信号电压小，采用两级运放电路对输出信号放大处理，温感器TS105-3资料手册曲线表明可进线性测量范围，计算数字化电压对应测量温度值。

传感器节点MCU采用HT46RU32，是1928数据存储器8位高性能精简指令集单片机。红外体温传感器采集信号放大送给传感器进行A/D转换，依据温度传感器TS105-3的T-V对应特性得到T-V关系式，传感器节点具有个人信息输入功能，无线传感器网络系统模块选用SA68D21DL传输模块，捷迈通信器材公司SA68D21DL采用透明式数据传输，内装E2ROM及看门电子狗，采用CRC检验传输中99%的错误，具有便于点对点通信，可方便灵活通过串口设置频点特点。

图2 红外体温传感器节点程序流程图

系统以Serial App例程为基础进行体温测量系统开发。协议栈提供安全协议实现方法，采用分层软件结构便与设计调试，OSAL层采用多任务事件轮循机制，不断查询执行任务是否有事件发生，进入中断处理事件完成转入低功耗模块，无限循环查询通过任务调度过程osal_start_system实现。系统软件分为红外体温传感器节点系统与计算机数据处理部分，中心计算机采用单工通信模式，无线传输模块有唯一身份地址，通过发送数据格式提取个人信息，节点须等待上级节点传送数据后向计算机通信模块传送数据。

节点MCU芯片A/D输入端引脚与I/O口P0口复用，系统A/D引脚用P0.0口，采集体温数据运用10次测量平均值，0-3V电压值对应35~42℃体温值，测量AD值转换为实际体温值公式为dt[26]=((TT/10)/2047)×(7/3)+35=TT/264+35。网关接收感知节点发送体温数据后触发SYS_EVENT_MSG事件，调用Serial APP_ProcessMSGCmd函数，利用函数Hal UARTWrite将数据发送到串口。网关接收感知节点采集数据后将接收状态参数打包为数据响应信息，发送失败产生重发数据响应事件SERIALAPP_RSP_RTRY_EVT，判断信息包中接收状态数。接收状态为OTA_DUP_MSG表示数据重发。

4 无线传感器网络体温测量系统测试

传感器网络体温测量系统测试包括体温数据采集终端入网，将实验室模拟为医院病房，芯片出厂写入64位物理地址，组建传感器得到网络地质，PAN协调器是网络主要控制者，路由器负责建立数据传输链路完成数据转发。采用SmartRF Packet抓包工具进行无线传感器组建测试，测试表明设计系统具备自组网功能。

协调器在断电时终端节点不停搜寻周围网络，通过OSAL接口设置MAG低功耗模式。为验证支持向量机分类滤波算法对干扰信号抑制能力测试，节点2数据采用支持向量机分类滤波算法未发现干扰信号。通过复位协调器产生干扰信号，未进行滤波节点1产生负尖峰脉冲。穿戴体温监测节点测试者高抬手臂等大幅度动作，系统采集志愿者穿戴体温数据采集节点，在节点维护管理界面节点监测指令编辑框输入get_data指令检修等待，通过反馈信息解析得到节点电压信息，节点211电压下降到2.9V节点正常。

系统可准确获取加入网络数据采集节点电压信息，传感器阵列测温响应时间测试调出数据表test_0410_4查找提问数据，计算常温下佩戴体温测量节点得到稳定体温数据需12min，采用4X1温感器整列腋下测温到36.5℃需13min。分析通过鼠标框选温度下降时段波形放大温度下降过程，计算稳定体温下降到常温需14min，采用4X1温感器整列腋下测温下降到25℃需15min。采用水银温度计测量时间为5-8min，系统节省体温测量等待耗时。

图3 不同休眠时间与网络切换频率对应节点寿命关系图

5 结束语

体温是人体重要的生命特征，随着物联网的发展，智慧医疗进入人们的生活，传统手持式电子体温计测量存在烦琐等缺陷。本文设计无线传感器网络体温测量系统，设计系统分为数据采集与服务平台，数据采集平台保证传感器节点工作周明，业务服务平台对各层功能模块划分。通过支持向量机分类滤波算法对干扰信号识别精度达98%，对软硬件测试组网测试，数据采集节点低功耗测试等，系统可实现多节点提问高精度功能。