1 系統(tǒng)組成
在人體的穿著服裝中通過插拔技術(shù)把溫度傳感器DS18B20以及微處理器放置其中,在家中或是病房里安裝藍(lán)牙探測設(shè)備(藍(lán)牙收發(fā)器),并與測溫系統(tǒng)之間采用藍(lán)牙通信協(xié)議來獲取測量信息Ⅲ。同時通過USB總線連接至檢測室內(nèi)的上位計算機(jī)端口,在相應(yīng)的面向?qū)ο蟮能浖刂葡聦崿F(xiàn)對體溫信息獲取、處理、顯示等。其系統(tǒng)組成如圖1所示。
2 測溫系統(tǒng)
2.1 傳感器
本測量系統(tǒng)的溫度測量采用半導(dǎo)體數(shù)字集成傳感器DS18B20,它適應(yīng)的電壓范圍寬,并且可以在寄生電源方式下由數(shù)據(jù)線供電,那么與紡織服裝結(jié)合進(jìn)行體溫測量就可以不用獨立供電,它本身的測量范圍為-55~+125℃,最小的分辨率可達(dá)0.062 5℃,而人的體溫在35~42℃,溫度浮動也非常微弱,應(yīng)用此傳感器正好可實現(xiàn)高精度的溫度測量,溫度值轉(zhuǎn)換速度也特別快,同時具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力,特別是它獨特的單線接口方式,并且可以單總線接多個傳感器,有利于人體多點的體溫測量以及與服裝結(jié)合減少處理器的I/O端口、連接導(dǎo)線。本測量系統(tǒng)中4個溫度傳感器與單片機(jī)的單線連接電路如圖2所示。
2.2 處理器
本測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中央處理器采用AT89C51單片機(jī),處理器作為本測量系統(tǒng)研究的核心,為數(shù)據(jù)采集和信息處理、顯示、記錄起了一定的媒介作用,及時讀取采集信息并且發(fā)送給起監(jiān)視作用的上位計算機(jī)。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,并且將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,所以將AT89C51這種高效微控制器應(yīng)用在此人體體溫實時性檢測系統(tǒng),可以為此系統(tǒng)提供一種靈活性高、價格低廉的設(shè)計方案。
2.3 與服裝產(chǎn)品的結(jié)合
在安全性能上,應(yīng)該考慮使用者的正常使用以及使用不當(dāng)都不能對其造成傷害,溫度傳感器可由柔性、易傳熱的材料套封裝,并易于進(jìn)行消毒處理;在準(zhǔn)確性上,考慮應(yīng)用適當(dāng)?shù)恼`差處理方法對測量結(jié)果要進(jìn)行一定的誤差處理與修正確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確。
在舒適性能上,要考慮電子器件、柔韌導(dǎo)線的選取以及與服裝的結(jié)合技術(shù)問題,使得在穿著過程與人們平時普通的服裝無異;在方便性能上,整個系統(tǒng)應(yīng)具有很好的穩(wěn)定、簡易的可維護(hù)性能等,易于使用、操作以及服裝的洗滌等。
3 軟件設(shè)計
3.1 通信協(xié)議
微處理器與傳感器DS18B20之間的通信主要經(jīng)過以下步驟:每一次讀寫前都要對其進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令,最后發(fā)送RAM指令,這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位成功后CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs,然后釋放,DS18B20收到信號等待16~60μs左右,然后發(fā)出60~240μs的存在低脈沖,主CPU收到此信號表示復(fù)位成功,然后從單總線上讀取溫度信息經(jīng)過數(shù)據(jù)讀取完畢驗證后發(fā)送出去,而對處理器與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的基本單元數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計如表1所示。
其中數(shù)據(jù)位的8個字節(jié)依次位前胸、后背、左右腋窩的4個部位的體溫采集值,因為DS18B20采集的每個溫度值用12位數(shù)字信號輸出,則每一個完整的溫度值要占用兩個字節(jié),其中包含了溫度高8位和溫度低8位。
3.2 程序流程
測溫系統(tǒng)溫度讀取的程序流程如圖3所示。
3.3 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計
本測量系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開發(fā)環(huán)境Lab-VIEW進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控界面的開發(fā)設(shè)計,在上位機(jī)的監(jiān)控界面中可以看到通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理之后的總體溫度,同時也可以看到人體各個部位的局部溫度,其溫度值的顯示不但可以直觀顯示數(shù)字形式,而且可以顯示出實時性的數(shù)據(jù)變化曲線,其上位機(jī)的監(jiān)控功能模塊設(shè)計如圖4所示。
4 數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)處理方面采用多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù),把在人體的溫度采集過程存在人體狀態(tài)、外界環(huán)境等因素影響使得信息采集含有的不確定、矛盾、或是錯誤成分綜合起來,使得這些信息互相補(bǔ)充、印證,即把多個數(shù)據(jù)經(jīng)過處理融合為一個數(shù)據(jù),以達(dá)到測量目的。對各個傳感器采集的人體體溫信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的全過程如圖5所示。
圖5中傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4分別表示四個傳感器在整個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的輸入信息,W1,W2,W3,W4分別為第1,第2、第3、第4個傳感器在整個數(shù)據(jù)融合中的融合權(quán)值。從圖5中可以明確地看出各個傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)求和∑,最后通過y(x)得出一個總的測量結(jié)果(即人體的體溫)。
5 結(jié) 語
綜合上述設(shè)計,本體溫測量服裝能夠在實現(xiàn)人體體溫的實時檢測的同時,如果再增加能感知濕度、血壓和心率等信息的傳感器,可用于對病人或是被監(jiān)護(hù)人的濕度、血壓和心率等實施檢測監(jiān)護(hù)與記錄處理,使其更進(jìn)一步的修正和完善,以實現(xiàn)更多的功能。