基于WiFi技术的临床体温监测系统设计与实现
摘 要： 为了大规模实时监测临床患者的体温数据，及时发现体温异常，设计基于WiFi技术的体温监测系统。系统由数据采集单元和监控中心组成，数据采集单元包含温度传感器、低功耗WiFi芯片ESP8266和控制芯片STC15等，实现数据的采集和发送功能。监控中心通过无线接入点接收数据并转存入服务器数据库，实时分析、显示体温数据。实验结果表明，该系统性能可靠，可以完成体温数据的实时采集、快速分析和显示工作，具有应用价值。
关键词： WiFi技术； 体温监测； 无线传感网络； 监测系统； ESP8266； 服务器数据库
中图分类号： TN931+.3⁃34； TH789 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）08⁃0026⁃04
Abstract： To conduct real⁃time monitoring of clinic patients′ large⁃scale body temperature data and find out abnormal body temperature in time， a human body temperature monitoring system based on WiFi technology was designed and implemented. The system is composed of the data acquisition unit and monitoring center. The data acquisition unit consists of temperature sensor， low power consumption WiFi chip ESP8266， control chip STC15 and other parts to realize the functions of data acquisition and sending. The monitoring center′s role is to receive human body temperature data and store it in the server database by means of wireless access points， and then analyze and display it in real time. The experimental results show that the system has a reliable performance， can accomplish real⁃time acquisition， rapid analysis and display of human body temperature data， and has an application value.
Keywords： WiFi technology； human body temperature monitoring； wireless sensor network； monitoring system； ESP8266； server database
0 引 言
体温在患者监护、医疗诊断中是一项重要的基础数据，目前对临床患者的体温监测主要采用人工定时测量的方式，医护人员需要定时到病房測量每个病人的体温，这种测量方式成本较高，而且不能持续监测体温的变化情况，测量过程中医护人员与患者频繁接触也容易引起交叉感染[1]。《水俣公约》指出到2020年中国将禁止生产和销售含汞的体温计[2]。为替代水银体温计，目前市场上存在着多种电子体温计，这些电子体温计大多仍然采用定时测量的测温方式，不能满足实时监测体温的要求[3]。随着物联网技术的发展，无线传输技术越来越多地被运用于医疗监护领域，出现了智能手环、智能手表等多种可以实时记录人体体温的可穿戴设备，但是这些设备存在测量精度不高、信息保密性差的缺点，不适用于临床实践[4⁃5]。
本系统基于WiFi无线传输技术，通过NTC热敏电阻感知人体体温变化，利用单片机完成对温度数据的采集、传输和通信加密。构建基于CakePHP架构的管理平台，实现体温数据的远程分析和显示功能，同时医护人员可以通过管理平台对数据采集单元进行远程控制。本系统可以同时大规模监测患者的实时体温，自动记录并在远程显示体温数据，避免医护人员和患者之间频繁接触。系统能够快速准确地反映人体体温变化，同时具备智能化的特点。
1 设计方案
本系统以临床应用为目标，体温的测量范围在35～42 ℃之间时，测量精度要达到±0.1 ℃的医用标准。在此基础上，系统还要满足以下要求：体温数据的传输要快速准确；为保护个人隐私，需要提高数据的保密性；管理平台操作简单使用方便；医护人员能够通过管理平台远程控制数据采集单元；降低采集单元的功耗，进行小型化处理。针对上述需求分析，体温监测系统结构如图1所示。系统由个人数据采集单元和监控中心组成，监控中心包括服务器和管理平台。个人数据采集单元由使用者随身携带置于腋下，采集和发送体温数据。无线接入点通过医院无线网络收集数据并通过以太网将数据转存至服务器。服务器用于存储体温数据，同时用于支撑管理平台的运行。用户通过网络远程访问服务器，用户端可以实时显示温度曲线，并进行体温异常报警，同时可通过平台远程控制采集单元的数据采集时间间隔。
2 硬件设计
数据采集单元主要由控制单元、体温测量模块、无线通信模块构成，如图2所示。
2.1 体温测量模块
体温测量模块用于体温数据的采集工作，需要满足±0.1 ℃的精度要求。常用的温度传感器DS18B20精度为±0.5 ℃，AD590精度为±0.3 ℃，均不满足精度要求[6]。红外温度计中常用到的MLX90615传感器在实验检测过程中，在与身体发生接触时测量结果存在较大误差，不能满足持续监测体温的要求。本系统采用MF54系列NTC热敏电阻，测量精度误差小于±0.1 ℃，同时具有体积小，能够长时间稳定工作的特点。NTC热敏电阻的阻值随温度变化按照负温度系数变化，数据采集单元通过测温电路将阻值变化反映在电压参数上，电压数据经过高精度A/D转换后换算为温度数据，精度能够满足设计要求[7⁃8]。
2.2 无线通信模块
本系统基于WiFi无线传输技术，数据采集单元接入医院局域网，实现与服务器之间的数据通信[9]。数据采集单元采用低功耗WiFi芯片ESP8266作为无线传输模块的核心芯片，ESP8266拥有高性能的无线SoC（System on Chip），内核符合IEEE 802.11 b/g/n协议，内置TCP/IP协议栈，同时内置高速缓冲存储器，有利于提高系统性能，减少内存需求。ESP8266专为移动设备设计，具备低功耗技术，待机状态消耗功率小于1.0 mW。
2.3 控制单元
作为数据采集单元的控制芯片，STC15单片机内置晶振，具有高速串口同时自带高速A/D转换器，满足数据采集、转换和发送需求。STC15单片机通过串口接收电压参数并转换为数字信号，然后对数据进行进一步处理，包括温度换算和数据加密等，最后通过串口将数据发送给WiFi模块。
2.4 小型化处理方案
小型化处理是数据采集单元设计过程中必须要考虑的问题，本系统在MCU（微控制器）、通信和传感器三个方面提供了小型化处理方案。系统的数据采集单元受限于体积和重量限制， MCU需要具备低功耗和高度集成化的特性。数据采集单元用于监测体温数据，数据量较小， 系统采用的8051内核芯片整合了A/D转换器，性能上能够满足系统的功能要求。目前医院大多覆盖了专用无线网络，系统选用WiFi通信方式，将具备低功耗和高集成性的ESP8266作为通信核心芯片。同时选用了体积小、测温电路简单易于集成的NTC热敏电阻，有利于减小数据采集单元的体积。
3 软件设计
本系統的软件设计主要包括数据采集单元软件设计和监控中心软件设计两部分。
3.1 数据采集单元软件设计
数据采集单元需要执行数据采集、处理以及发送工作，工作流程如图3所示。为减少测量误差，采用平均值滤波法计算温度，公式如下：
体温数据是重要的生命体征数据，反映了用户的身体状态，为保证数据通信的安全性，同时为了保护用户的个人隐私，系统对体温数据进行了加密操作。本系统采用凯撒加密算法，通过将明文中的每一个字符用其他字符替换形成密文的方式，实现对原始数据的加密操作。在加密参数未知情况下，非授权用户无法获取原始数据[10]。数据采集单元根据体温的变化自适应调整数据采集的时间间隔，当体温处于正常范围时，时间间隔较长，而体温升高到预定值时会自动缩短间隔时间，系统同时支持用户通过管理平台远程调整时间间隔。通过智能化调整时间间隔可以减少无效数据的采集，有利于医护人员提取有效数据并延长设备使用时间。体温监测系统工作在医院的局域网中，数据采集单元和服务器建立网络通信，将体温数据发往服务器端，并从服务器中获取反馈信息。
3.2 监控中心软件设计
监控中心包括服务器和管理平台两部分，服务器通过基于TCP/IP协议的Socket实现与数据采集单元的数据通信，实时接收体温数据并对数据进行解密、存储，同时作为管理平台的网站服务器进行工作。管理平台能够实时分析、显示当前体温数据，当体温出现异常时发出警告，同时提供历史体温数据查询服务，工作流程如图4所示。
管理平台基于CakePHP开发的网站应用，用户可通过电脑或手机自由访问网站。网站不局限于应用平台，有利于提高监测系统的可扩展性。系统将身份证号作为用户的惟一身份标识。图5为医生管理平台界面，由图5可知，通过身份证号直接查询用户的个人信息，显示该用户的实时体温、历史体温数据等。由于每个用户的病情表现不同，医护人员可根据具体情况改变该用户体温数据的采集时间间隔，通过网站设定时间间隔后，服务器将设定值发送给数据采集单元，实现对采集单元的远程控制。
由于监控中心在工作时，同时接收来自不同采集单元的体温数据，服务器需要对数据进行身份识别，避免发生数据冲突、混淆。数据采集单元具有惟一的产品编号，用户注册时可以将产品编号和身份信息同时录入数据库。在采集单元同服务器建立通信连接后，服务器根据惟一的产品编号获取用户信息，然后将接收到的体温数据与对应的用户名一起存入数据库。
管理平台从数据库中获取最新的体温数据显示在网页上，如果最新一条数据的录入时间与当前时间的间隔超过预值，网页弹出采集单元掉电检查提醒。当服务器掉电时，采集单元多次尝试连接服务器失败之后，自动延长连接等待时间，失败次数越多等待时间越长，直到连接成功。
4 实验结果
为了验证系统的可行性和可靠性，该部分对系统的数据采集单元以及管理平台进行测试实验。
4.1 数据采集单元
4.1.1 体温测量精度测试
实验测试过程中，同时使用本系统和一等标准水银温度计（精度为0.05 ℃）测量体温，对测量结果进行比较分析。实验结果如表1所示，系统的测量精度最大误差为0.1 ℃，符合医用标准。
4.1.2 数据加密测试
数据采集单元对数据加密之后发送出去，实验测试时通过串口调试助手接收数据采集单元发送的数据并显示出来，接收到的数据为经过加密的字符串，根据这些字符串无法直接识别出原始数据，而数据库存储的是有效的体温数据。实验结果表明该系统完成了对数据的加密解密工作。
4.1.3 自适应调整数据采集时间间隔
在测温实验中，设定当温度高于39 ℃时，采样间隔为5 min；在38～39 ℃之间时，采样间隔为10 min；当温度降在38 ℃以下时，采样间隔则为15 min。观察数据库中体温数据的录入时间获取数据采集间隔，随着测量温度的变化，数据采集单元根据设定值自动调整采集间隔。系统支持用户自主改变温度和时间间隔的设定，实验结果显示数据采集单元实现了自适应调整数据采集时间间隔的功能。
4.2 监控中心
分别通过电脑和手机访问管理平台，操作界面如图6所示。测温实验中，温度高于38 ℃时曲线进入黄色警告区域，弹出报警窗口；通过网页设定新的时间间隔后，数据采集单元跟随新值改变了工作状态。
5 结 语
本文提出一种基于WiFi无线传输技术的临床体温监测系统，设计开发出数据采集单元和监控中心管理平台，实现了体温的实时监测。通过实验验证监测系统能够快速准确地反映体温的实时变化，针对体温异常发出警告。本系统改变医院现有监护模式，实现了医护人员对数据采集单元的远程控制，能够有效减少医护人员的工作量降低医疗成本。系统操作简单使用方便，适用于医院大规模实时监测体温的工作，具有实用价值。
注：本文通讯作者为包志华。
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