可穿戴腕部体温监测装置设计*

余春艳, 齐子铭, 苏金池, 郑晓燕

(福州大学 数学与计算机科学学院,福建 福州 350108)

可穿戴腕部体温监测装置设计*

余春艳, 齐子铭, 苏金池, 郑晓燕

(福州大学 数学与计算机科学学院,福建 福州 350108)

为解决各式体温计测温时间长、精度不高及操作繁琐等问题，提出并实现了一种基于腕部测温的可穿戴体温监测装置的设计方案。通过对人体体表温度和深度温度的分析，确定了腕部体表温度与以腋下温度为基准的体温间的补偿方案；对测温装置进行了设计实现并对数据的处理进行了优化。实验结果证明:设计的体温监测装置稳定性好，精度高，且支持高频率、实时的体温采集。

可穿戴； 腕部测温； 温度补偿； 体温实时监测

0 引 言

常见的体温计主要有汞式体温计、插入式电子体温计与非接触式红外体温计[1]。近几年来，插入式电子体温计得到了越来越多的应用[2]，它利用电阻、电压等物理参数与温度间存在的对应关系，将温度的变化转换成物理量的变化，所采用的温度传感器不含汞，读数直观，测温准确，灵敏度高[3]，但操作繁琐，连续两次测温需间隔一定的时间。非接触式红外体温计用红外传感器测量物体辐射出红外线的波长进而计算出人体额头等部位的温度[3]。相比于接触式体温计，使用时无需接触人体，且测量方法有着迅速、准确的优势，应用场合更加广泛[4～8]，但也有诸多额外因素(如距离)会影响到测温效果[9]，测温稳定性不佳。

人体温度有深度温度(胸腹腔、脏器等)和体表温度之分。生理学上所说的体温是指机体深度温度的平均值[10]。人体深度温度不易测量，临床上常通过测量腋窝、口腔等的温度来代表人体体温。文献[10]研究表明，人体处于安静状态时，体表温度分布大致表现为额面部、腋窝、颈前和项部最高，其次为躯干部，到四肢逐渐下降，手掌手背最低。相比于深度温度，体表温度更易受外界环境因素的影响且更不稳定。腕部温度属于体表温度，具有易于观察和测量的优点，但在医学上也有采信度不高的缺陷。

近年来，健康监测类的可穿戴设备发展迅猛，可以监测血氧、脉搏等生理参数[11]，监测精度大幅提升，并可与移动设备通信，极大地满足了用户的交互需求[12]。因此，设计了一种可穿戴的、具有体温监测功能的装置，通过检测腕部体表温度，有效实现腕部体表温度与人体体温间的补偿，进而监测体温变化，在实现简单体温连续测量的同时，提高体温数据的置信度，具有较强的意义和价值。

1 腕部测温方案

如前所述，腕部温度属于体表温度。相对于深度温度而言，皮肤温度不稳定，一般在20～40 ℃间浮动[13]。文献[14]研究表明影响皮肤温度的因素主要有环境温度、风速、相对湿度等。因此，以腕部体表温度测量为基础，设计一种可穿戴的体温监测装置涉及以下几个问题：首先，从检测精度的角度着手，需重点考虑腕部体表温度与以腋下温度为基准的体温间的补偿方案；其次，从检测的易用性角度考虑，需设计既适合穿戴又适合温度补偿的测温方式；最后，从持续检测的计算效率及检测可视化的角度切入，设计高效的体温数据处理方案。

由文献[14]实验结果可知，环境温度对皮肤温度的影响最显著，其余依次为服装热阻、风速等因素。而具体到腕部体表温度时，由于一般情况下腕部裸露，可忽略服装热阻因素，又以室内检测情况居多，亦可忽略风速等因素。由此，以腕部体表温度为基础推导以腋下温度为基准的机体体温，简化情况下，建立腕部体表温度、环境温度、体温三者间的补偿关系即可。

令x为环境温度，y为腕部体表温度，z为补偿后的腋下体温，计量单位均为℃，三者间的补偿关系为

z=Ay2+By+Cx+Dxy+E

(1)

式中A，B，C，D，E为补偿系数。

考虑到装置的可穿戴性，用于非接触红外测温的热电堆传感器体积过大，不满足可穿戴需求，因此选用接触式测温方式。

2 硬件电路设计

依据上述方案，测温装置需同时检测腕部体表温度和环境温度。因此需要两个温度传感器。持续检测情况下，引入蓝牙模块，把数据通过蓝牙传输到手机端再进行补偿计算，从而降低测温装置的计算负荷，保证测温的实时性。由此，腕部体温监测装置整体框图如图1所示。

图1 腕部体温监测装置整体框图

2.1 硬件器件选型

测温装置以腕部体表温度为基础推导以腋下温度为基准的机体体温，因此要选用高精度的温度传感器。

LMT70是高精度、低功耗的温度传感器，适用于医疗温度计、人体温度监视器等设备，在20～42 ℃范围内测温精度为0.05 ℃，符合对腕部体表温度检测的精度需求。

LMT70是模拟温度传感器，它将采集到的温度信号转换成模拟电信号，模拟电信号要转换成数字信号再发送到微控制器，为保证转换精度，需外接一个16位的模/数转换芯片(型号为ADS1115)。

环境温度比体表温度稳定，短时间内较少出现剧烈跳变，因此需选用性能稳定的传感器。SHT20外表采用包覆成型，可有效减少外界因素对测温的影响，符合环境温度检测要求。

测温装置和手机间存在一定的传输距离，因此要选用连接距离长且功耗低的蓝牙芯片。CC2540支持超长有效连接距离的蓝牙4.0技术，且功耗低，符合测温装置对传输距离的需求。

温度数据由微控制器通过蓝牙传到手机端，为保证装置的续航时间，要选用性能高且功耗低的微控制器。ATMega328P可靠性高、功耗低符合测温装置对功耗及数据传输的要求。

2.2 温度传感器模块设计

LMT70采集腕部体表温度后输出模拟电信号，该信号经过ADS1115模/数转换后，通过I2C总线将数字信号交由Atmega328P处理。

SHT20采集环境温度后输出数字信号，可直接通过I2C总线输出到微控制器。模/数转换芯片和SHT20在总线上的地址不同，因此，微控制器可实时接收到腕部体表温度数据和同一时刻的环境温度数据。模/数转换芯片的电路设计如图2(a)所示。

2.3 蓝牙模块设计

温度采集后，需进行温度补偿计算，拟合得到更接近于体温的腋下温度。为避免数据实时计算消耗过多的资源而影响体温数据的实时采集，引入蓝牙模块，通过蓝牙把两种数据发送到手机端进行补偿计算，既能提高计算效率，又能降低微控制器能耗，还能保证数据采集的实时性。蓝牙模块的电路设计如图2(b)所示。

图2 电路设计图

3 软件设计

3.1 微控制器配置设计

蓝牙芯片通过串口与微控制器通信，方案选用的硬件串口在实施中用于微控制器程序烧录。为实现蓝牙串口通信，需配置两个普通的I/O口为软件模拟串口。此外为保证时刻t测得的腕部体表温度和同时刻测得的环境温度严格匹配。采用数组存储相匹配的两个数据，再通过蓝牙把匹配的数据发送到手机端。微控制器的配置流程图如图3所示。

图3 微控制器的配置设计流程图

3.2 温度数据补偿计算

1)体温补偿系数的确定

为确定式(1)中各项系数，需进行数据采集。腕部体表温度受环境温度影响最大，需采集在不同环境温度下腕部体表温度和腋下体温数据。

为减少额外因素对测温效果的影响，测温环境选为常温、无风的室内，被测者在测温前静坐10～15 min。选取男女被测者各10名，在早、中、晚3个时间点(环境温度变化的范围大致为25～32 ℃)分别对其进行腕部体表温度和腋下体温的采集，腕部体表温度用LMT70检测，腋下体温用医用电子体温计检测。先滤除明显的噪声数据点，再基于最小二乘法对数据拟合，确定各项系数，最后得到温度补偿

z=0.033 6y2-0.546 0y+1.708 2x-0.051 4xy+

17.626 0

(2)

式中x为环境温度，y为腕部体表温度，℃。

2)体温补偿优化

温度传感器检测到的数据存在微小偏差，若直接使用每一次传感器采集到的数据，则会把误差带入到后续的温度补偿计算中。为提高温度检测精度，对数据进行如下处理：每接收到100组数据，对它们分别进行升序排序，舍去前后各25组数据，再对剩余数据取均值。随后的温度补偿计算中，温度数据均采用前述均值。上述方法可在一定程度上减少因数据抖动引入的误差。

温度数据处理的流程如图4所示。

图4 温度数据处理流程图

4 实验方案与结果

实现的腕部测温装置如图5所示。装置的尺寸为3 cm×2 cm，质量为10 g，实现了测温装置的可穿戴性。进一步地，可将装置封装为手环，为保证腕部皮肤热量充分传递，可将LMT70封装在导热性好的空心金属帽中，置于手环内侧，佩戴时紧贴腕部皮肤；将SHT20置于手环外侧，佩戴时暴露在空气中。初步佩戴测温及APP运行界面如图6所示。

图5 腕部测温的可穿戴体温监测装置

图6 佩戴测温与APP运行界面

为测试装置的测温精度，本文随后对该装置和医用电子体温计实施了测温结果的对照实验。

实验中，选取3组被测对象，每组男女各3名，测试前无剧烈运动，在室内无风的环境下分别体温检测。选用的医用电子体温计为OMRON MC—341，测量腋下体温，精确到0.1 ℃。使用本装置测温时，将本装置佩戴在被测者腕部，使LTM70紧贴腕部皮肤，检测腕部体表温度；使SHT20充分暴露在空气中，检测的环境温度，并通过蓝牙相连手机，在手机上读取被测者的体温。

对实验得到的3组数据进行统计分析，以OMRON MC—341的结果为基准，本装置误差的平均值为0.07 ℃，在合理范围内。实验结果表明，本装置比OMRON MC—341的测温精度更高，为0.05 ℃；而且可以在手机终端实时读取体温数据。其中一组被测对象的测试数据如表1所示。

5 结 论

体温是判断人体是否健康的重要指标之一，本文通过对人体体表和深度温度的分析，确定了腕部体表温度与以腋下温度为基准的体温间的补偿方案；并从可穿戴的角度出发，设计了一种基于腕部测温的可穿戴体温监测装置，实现了腕部测体温。实验结果表明：在室内无风的环境中，本装置的精度比医用电子体温计的精度更高，且平均测温误差仅为0.07 ℃。此外，本装置通过蓝牙与手机相连，在实现检测体温的同时，还对检测到的体温数据进行记录，支持高频率的、实时的体温采集。

表1 6名被测者的测试结果对比 ℃

[1] 邬俏璇,周 婵,郭凤娣,等.3种体温计测量体温效果分析[J].现代临床护理,2011，10(1):9-11.

[2] 刘兆萍.医用电子体温测量记录系统的研制与开发[D].济南：山东师范大学,2004.

[3] 李松林.非接触人体表面温度测量方法的研究[D].天津：天津大学,2005.

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[7] 刘继忠,贺清云.智能轮椅床的多方位红外体温检测系统设计[J].传感器与微系统,2012,31(1):130-132.

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[13] 周 浩.人体皮肤温度影响因素实验研究[D].西安：西安建筑科技大学,2013.

Design of wearable wrist-worn body temperature monitoring device*

YU Chun-yan, QI Zi-ming, SU Jin-chi, ZHENG Xiao-yan

(College of Mathematics and Computer Science,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In order to solve the problem of long-time,low-precision and complex-operation which exist in thermometer that widely used in current time,a wearable body temperature monitoring device based on the wrist temperature is proposed and realized.Through analysis on surface temperature and deep temperature of human body,the compensation scheme between wrist surface temperature and body temperature which take axillary temperature as the benchmark is determined.On the basis of the compensation scheme and the temperature measurement scheme,the wrist-worn body temperature monitoring device is implemented.And then,the processing of the temperature data is optimized.Experimental result shows that the proposed body temperature monitoring device has excellent stability,has high precision,and support high-frequency,real-time temperature collection.

wearable; wrist temperature measurement; temperature compensation; real-time body temperature monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0121—03

2017—01—08

福建省产学合作重大项目(2016H6010)；福建省自然科学基金资助项目(2015J01420)；福建省引导性基金资助项目(2016Y0060)；福建省卫生教育联合攻关计划资助项目(WKJ2016—2—26)

TP 274

A

1000—9787(2017)04—0121—03

余春艳(1976-)，女，博士，副教授，主要从事虚拟环境与仿真技术、智能算法研究工作。