基于DS18B20体温测量智能服装的研究

2010-05-13高旭,王进美,高晓丁

现代电子技术 2009年19期

高旭,王进美,高晓丁

摘要:针对人体体温传统测量方法的弊端,应用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的DS18B20温度传感器进行人体体温检测智能服装的研究,设计了基于DS18B20智能传感器进行温度检测的测量系统,并且给出了人体体温测量智能服装的电子测温系统以及与其结合的实现方案,包括温度的测量系统的硬件与软件的设计以及应用多传感器数据融合技术进行数据处理。

关键词:智能服装;DS18B20;体温测量;数据融合

中图分类号:TP274.5文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-148-03

Study of Intelligent Apparel Based on DS18B20 Body Temperature Measurement

GAO Xu1,WANG Jinmei1,GAO Xiaoding2

(1.School of Textile & Materials,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China;

2.School of Mechanical & Electrical Engineering,Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China)

Abstract:Because of traditional measurement methods of human body temperature have drawbacks,application of the United States semiconductor Company DALLAS,after following the latest DS1820 temperature sensor DS18B20 detecting human body temperature of smart clothing research,temperature measurement system based on intelligent sensor DS18B20 is designed and realization program of the human body temperature measurement of the electronic smart apparel with its combination of temperature measurement systems are given,including the temperature measurement system hardware and software design,as well as data processing with multi-sensor technology of data fusion.

Keywords:intelligent apparel;DS18B20;temperature measurement;data fusion

体温在临床医学中是一个极其重要的人体体征参数。近年来国内外医院对人体体温测量仍然采用传统的水银温度计进行手工的测量与记录,这种测量方法存在着测量时间较长(5 min左右)以及测量的方式受限制等缺点[1];而随着传感技术、通信技术以及计算机技术的不断发展,一些发达国家也已较多地运用了先进的数字式电子温度计进行人体体温测量,但是这种测量方法仍然受测量位置的影响以及生活方式的约束,给使用者带来了极大的不便[2]。因此,有必要进行体温测量的电子智能服装的研究,使得使用者不再受生活方式的限制,并且可以通过网络或家庭电话时刻的把具体信息传递给医院和其家属从而起到医疗监护作用,以实现生理检测的无线化、实时化[3]。

1 系统组成

在人体的穿着服装中通过插拔技术把温度传感器DS18B20以及微处理器放置其中,在家中或是病房里安装蓝牙探测设备(蓝牙收发器),并与测温系统之间采用蓝牙通信协议来获取测量信息[4]。同时通过 USB 总线连接至检测室内的上位计算机端口,在相应的面向对象的软件控制下实现对体温信息获取、处理、显示等[5]。其系统组成如图1所示。

图1 系统的组成

2 测温系统

2.1 传感器

本测量系统的温度测量采用半导体数字集成传感器DS18B20,它适应的电压范围宽,并且可以在寄生电源方式下由数据线供电,那么与纺织服装结合进行体温测量就可以不用独立供电,它本身的测量范围为-55～+125 ℃,最小的分辨率可达0.062 5 ℃,而人的体温在35～42 ℃,温度浮动也非常微弱,应用此传感器正好可实现高精度的温度测量,温度值转换速度也特别快,同时具有极强的抗干扰纠错能力,特别是它独特的单线接口方式,并且可以单总线接多个传感器,有利于人体多点的体温测量以及与服装结合减少处理器的I/O端口、连接导线[6]。本测量系统中4个温度传感器与单片机的单线连接电路如图2所示。

图2 4个DS18B20单线连接电路图

2.2 处理器

本测量系统的数据中央处理器采用AT89C51单片机,处理器作为本测量系统研究的核心,为数据采集和信息处理、显示、记录起了一定的媒介作用,及时读取采集信息并且发送给起监视作用的上位计算机。AT89C51是一种带4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器[7]。该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容,并且将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,所以将AT89C51这种高效微控制器应用在此人体体温实时性检测系统,可以为此系统提供一种灵活性高、价格低廉的设计方案。

2.3 与服装产品的结合

在安全性能上,应该考虑使用者的正常使用以及使用不当都不能对其造成伤害,温度传感器可由柔性、易传热的材料套封装,并易于进行消毒处理;在准确性上,考虑应用适当的误差处理方法对测量结果要进行一定的误差处理与修正确保测量结果的准确。

在舒适性能上,要考虑电子器件、柔韧导线的选取以及与服装的结合技术问题,使得在穿着过程与人们平时普通的服装无异;在方便性能上,整个系统应具有很好的稳定、简易的可维护性能等,易于使用、操作以及服装的洗涤等。

3 软件设计

3.1 通信协议

微处理器与传感器DS18B20之间的通信主要经过以下步骤:每一次读写前都要对其进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位成功后CPU将数据线下拉500 μs,然后释放,DS18B20收到信号等待16～60 μs左右,然后发出60～240 μs的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功,然后从单总线上读取温度信息经过数据读取完毕验证后发送出去,而对处理器与PC机之间数据通信的基本单元数据帧格式设计如表1所示。

表1 通信的数据帧格式

帧起始标志单片机地址控制码数据帧长度数据校验和帧结束标志

02H1 B1 B1 B8 B1 B03H

其中数据位的8个字节依次位前胸、后背、左右腋窝的4个部位的体温采集值,因为DS18B20采集的每个温度值用12位数字信号输出,则每一个完整的温度值要占用两个字节,其中包含了温度高8位和温度低8位[8]。

3.2 程序流程

测温系统温度读取的程序流程如图3所示。

图3 程序流程图

3.3 上位机监控设计

本测量系统应用工业标准的图形化开发环境LabVIEW进行上位机监控界面的开发设计,在上位机的监控界面中可以看到通过多传感器数据融合技术处理之后的总体温度,同时也可以看到人体各个部位的局部温度,其温度值的显示不但可以直观显示数字形式,而且可以显示出实时性的数据变化曲线[9],其上位机的监控功能模块设计如图4所示。

图4 监控功能模块

4 数据处理

在数据处理方面采用多传感器的数据融合技术,把在人体的温度采集过程存在人体状态、外界环境等因素影响使得信息采集含有的不确定、矛盾、或是错误成分综合起来,使得这些信息互相补充、印证,即把多个数据经过处理融合为一个数据[10],以达到测量目的。对各个传感器采集的人体体温信息进行数据融合的全过程如图5所示。

图5 数据融合流程图

图5中传感器1、传感器2、传感器3、传感器4分别表示四个传感器在整个数据融合系统的输入信息,W1, W2,W3,W4分别为第1,第2、第3、第4个传感器在整个数据融合中的融合权值。从图5中可以明确地看出各个传感器采集的数据经过加权求和∑,最后通过y(x)得出一个总的测量结果(即人体的体温)。

5 结语

综合上述设计,本体温测量服装能够在实现人体体温的实时检测的同时,如果再增加能感知湿度、血压和心率等信息的传感器,可用于对病人或是被监护人的湿度、血压和心率等实施检测监护与记录处理,使其更进一步的修正和完善,以实现更多的功能。

参考文献

[1]林家瑞,徐邦荃.生物医学数字信号处理[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

[2]徐科军.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[3]沙占友.集成传感器应用[M].北京:中国电力出版社,2005.

[4]黄智伟.无线数字收发电路设计[M].北京:电子工业出版社,2003.

[5]王海燕,高之圣.基于数字温度传感器DS18B20的智能温度控制器的设计[J].科技信息(科学教研),2007(13):21-23.

[6]王瑞更.高精度多点温度数据采集系统[J].河北工业科技,2008,25(5):413-415.

[7]林敏,金华涛.计算机控制技术及工程应用[M].北京:国防工业出版社,2003.