用智能馬桶實(shí)現體溫測量與亞健康預測

摘要：比較3種常見(jiàn)體溫計的測量原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，根據亞健康的預測要求，結合智能馬桶的設計特點(diǎn)，采用ATmega8、DS18B20和MAX232等器件構成一種可長(cháng)期采集體溫數據，自動(dòng)繪制體溫曲線(xiàn)，跟蹤分析體溫波動(dòng)趨勢，實(shí)現亞健康預測的體溫采集系統。見(jiàn)微知著(zhù)地積極保健，便于及早發(fā)現和預防疾病，有利于確診及治療。
關(guān)鍵詞：健康；體溫；數據采集；DS18B20；ATmega8

1 引言
隨著(zhù)人們對自身健康的重視，亞健康問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。亞健康狀態(tài)是人體處于健康與疾病之間的過(guò)渡階段。半數以上亞健康患者容易發(fā)展成高血壓、冠心病、糖尿病等疾病。亞健康逐漸成為人類(lèi)健康的頭號殺手。

判斷一個(gè)人是否處于亞健康狀態(tài)，需要觀(guān)察其生理信號(如體溫)在一段時(shí)間內是否發(fā)生了不正常的變化，要求人們堅持每天做身體檢查，記錄結果并進(jìn)行判斷，這樣的過(guò)程顯得很繁瑣和不方便。筆者提出“智能馬桶”的設想，將體檢裝置與馬桶結合起來(lái)。人們在如廁過(guò)程中即可被自動(dòng)檢測出生理信號，并將數據傳送到計算機進(jìn)行處理和判斷。

由于篇幅問(wèn)題，下面僅介紹“智能馬桶”中體溫測量部分的設計。

2 常見(jiàn)體溫計的原理及優(yōu)缺點(diǎn)
2．1 水銀體溫計
水銀體溫計是利用水銀熱膨脹原理制成的。它的示值準確，穩定性高，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，但容易破碎，測量時(shí)間比較長(cháng)，對急重病患者、老人、嬰幼兒等使用不方便，讀數比較費事，不利于數據采集。

2．2 電子體溫計
電子體溫計的核心元件是溫度傳感器，分為分立式溫度傳感器(如熱敏電阻器和熱電偶等)和集成式溫度傳感器(如LM35、AD7416、DS18B20等)。電子體溫計由溫度傳感器檢測體溫，經(jīng)轉換、放大，調整為易于處理的電信號，最后由單片機控制，并根據需要執行相應的擴展功能。電子體溫計可直接以數字顯示溫度，讀數直觀(guān)，靈敏度高，價(jià)格適中，攜帶方便，測溫快捷。但其示值準確度受電子元件及電池供電狀況等因素的影響。

2．3 紅外輻射式體溫計
紅外輻射式體溫計是基于黑體輻射原理制成的，借助紅外溫度傳感器，測量人體發(fā)出的熱輻射能，經(jīng)過(guò)一系列轉換后，得到對應的人體溫度值。紅外輻射式體溫計可以實(shí)現非接觸、無(wú)損傷測溫，但其測量結果較易受環(huán)境及人活動(dòng)狀態(tài)的影響，此外，還要求規范操作，測試要在一定距離范圍內才能保證其有效性，價(jià)格較貴，難以普及。

3 體溫測量方案的選擇及系統構成
考慮到人的如廁時(shí)間短和體檢次數多，因此，準確、快捷、方便、可重復測量成為設計者要考慮的首要因素。設計中采用電子式體溫測量方案，觸摸式檢測手心或手背溫度，為了使用方便，工藝設計中將測溫探頭安裝在智能馬桶的扶手位置，較人性化?，F在市面上的電子體溫計都沒(méi)有數據采集口，改裝又較為不便，因此，自行設計了帶數據接口的體溫計。

3．1 主電路的選擇
測溫器件選用美國Maxim公司的DS18B20型單線(xiàn)接口數字溫度傳感器，一線(xiàn)輸出，可編程9位一12位A／D轉換精度，分辨率可達0．0625~C；有單線(xiàn)數字式接口，與單片機連接方便，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉[2]。

人體體溫在35℃-42℃之間，要如實(shí)反映人體體溫，需要用單片機對DS18B20的測量值進(jìn)行計算轉換處理，還要控制測量的數據顯示、采集、傳輸等。這里采用美國ATMEL公司的基于A(yíng)VR RISC的具有MTP和ISP功能的、低功耗CMOS ATmega8型8位單片機，其CPU集成了8KB的：Flash，多次在線(xiàn)可編程，512B的．EEPROM和lKB的SRAM等，有利于降低成本[5]。

3．2 系統構成及實(shí)現
該系統的硬件由控制器、體溫測量部分、數碼顯示部分和采集管理部分(PC)組成?？刂破鬟x用了ATmega8型單片機，測量部分采用DS18B20型溫度傳感器，數碼顯示是通過(guò)直接驅動(dòng)HD44780型(標準點(diǎn)陣)LCD來(lái)顯示當前的人體體溫值，數據采集通過(guò)RS一232串行通信向PC傳送數據，用。MAX232型電平轉換器實(shí)現TTL與RS-232之間的電平轉換。PC主機對溫度數據進(jìn)行存儲、管理與分析?？梢暬藱C交互界面根據收到的體溫數據做出體溫曲線(xiàn)并打印，自診斷身體狀況。系統構成如圖1所示。

3．2．1體溫測量部分
(1)硬件構成
DS18B20由外部電源供電，通過(guò)輸出端DQ將體溫數據傳給ATmega8的PC0端口，再由ATmega8進(jìn)行處理，調用相關(guān)程序，數碼顯示，同時(shí)經(jīng)AT-mega8的PDO(Rx)/PD1(Tx)與PC串口通信以實(shí)現體溫數據采集。

(2)DS18B20內部設置
對人體體溫測量的精度需達到0．1℃，因而選取DS18B20精度為默認狀態(tài)，即12位A/D轉換結果，分辨率為O．0625℃，轉換時(shí)間是750ms，以保證能夠精確快速測量體溫，同時(shí)配置寄存器設置為78H。

(3)DS18B20的軟件設計
ATmega8使用8MHz外部時(shí)鐘，由于DS18B20與單片機之間采用的是串行數據傳送，因而在對DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)只能靠嚴格的時(shí)序脈沖信號進(jìn)行，按照DS18B20的時(shí)序，嚴格遵循一線(xiàn)式總線(xiàn)協(xié)議，以保證數據的完整性。系統能否實(shí)現智能化主要依靠數據處理程序。DS18B20的部分程序采用匯編語(yǔ)言設計，適當設置時(shí)隙，保證時(shí)序。

在程序設計中，準確讀取溫度是關(guān)鍵，對每組數據(9字節)都進(jìn)行CRC校驗。該數據先從低字節最低位開(kāi)始，再以高字節最高位結尾。程序中將溫度數據的整數部分和小數部分分離并單獨進(jìn)行處理。

3．2．2溫度標定與精度處理
(1)溫度標定
體溫信號由DS18B20測量，將測量數據傳給ATmega8進(jìn)行相應處理，存入ATmega8的。EEP-ROM，顯示并上傳給PC主機?？紤]到每個(gè)DS18B20中存在系統誤差，因此首次使用裝置時(shí)，需對其進(jìn)行校正并將測量值換算為體溫，因此需要進(jìn)行溫度標定。首先將DS18B20與水銀溫度計一同放入溫水中，改變水溫并分別測定和校正，再執行標定程序將溫度計讀數由鍵盤(pán)輸入，啟動(dòng)DS18B20并自動(dòng)將溫度對應的轉換值讀入ATmega8的EEPROM內存，溫度轉換值的對應值自動(dòng)存儲，再執行處理程序，計算出回歸方程的各個(gè)系數，并存儲在另一文本中，開(kāi)啟使用時(shí)控制器自動(dòng)調用查詢(xún)。標定出各個(gè)整數點(diǎn)的溫度數值以減少器件本身及外部環(huán)境帶來(lái)的非線(xiàn)性誤差，提高輸出準確度。

(2)精度處理
DS18B20完成對溫度的測量，以16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數形式提供，默認以0．0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。高速暫存器的字節O、l存儲數據格式如下：

溫度算法是SSSSS=0，溫度大于0℃，具體值為T(mén)=[(B＆7)x256+A]x0．0625℃。

整數部分和小數部分單獨處理。為了提高測量精度，DS18B20采用12位A/D轉換方式，百分位的數據采用“四舍五入”的原則處理。這樣，溫度的顯示范圍為35．0℃-42．O℃，精度可達0．1℃，符合要求。

3．2．3采集管理(PC管理)
體溫測量和存儲后，通過(guò)串口收發(fā)，將體溫數據傳送到PC主機進(jìn)行分析和處理。收發(fā)數據以9600bit/s波特率傳送給PC主機。Visual C++6．O編程，得到可視化人機界面，界面采用主菜單方式，具有提供數據曲線(xiàn)、存儲和打印等功能。

4 亞健康預測依據及判別
人的正常體溫在37℃左右，波動(dòng)范圍是36．5℃-37.3℃，每日體溫變化不超過(guò)1℃。鑒于體溫受諸多因素的影響，如年齡、性別、季節和晝夜變化等，加上不同個(gè)體間的差異，很難確立具體統一的判斷標準。大都以37℃為中心，高低呈正態(tài)分布，即使有偏離，肌體也會(huì )在較短的時(shí)間內回到37℃左右。當身體處于亞健康狀態(tài)或其他一些疾病的潛伏期時(shí)，肌體內部肯定會(huì )有不易察覺(jué)的先兆，可能表現為體溫波動(dòng)長(cháng)期異常即長(cháng)時(shí)間偏高或偏低。對體溫數據進(jìn)行長(cháng)期記錄并繪出體溫曲線(xiàn)，就是為了跟蹤這種異?，F象。

根據各組體溫值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，經(jīng)過(guò)比較，設計中采用5點(diǎn)3次移動(dòng)平均法平滑體溫曲線(xiàn)，其平滑度好，速度快，且精度較高。5點(diǎn)3次移動(dòng)平滑公式如下：

式中，Ti是平滑處理后的各點(diǎn)體溫值，ti是實(shí)際體溫測量值。

計算機在處理每組數據過(guò)程中，以正常人的體溫變化為依據，如果發(fā)現體溫長(cháng)期偏高或偏低，或者臨界范圍附近呈上升或下降趨勢，則表示身體有異常，就會(huì )自動(dòng)提醒主人去醫院檢查或就診，從某種意義上克服了點(diǎn)測量的局限性，可具體直觀(guān)地反映身體狀況。


圖2中的數據及曲線(xiàn)是設計中的1次測試結果。虛線(xiàn)是根據實(shí)測體溫值直線(xiàn)連接得到的，實(shí)線(xiàn)是經(jīng)過(guò)平滑處理后的體溫曲線(xiàn)。體溫數據如表1所示。

根據體溫曲線(xiàn)可以直觀(guān)地看出被測者25天內的體溫變化趨勢：從第2天開(kāi)始，體溫逐漸上升，但在正常范圍內，第8天到第11天的體溫變化較大，此后的十幾天里一直在37．4℃左右徘徊，遠高于37℃，這表明被測者已有連續2個(gè)星期持續體溫偏高即處于低熱狀態(tài)，而且曲線(xiàn)走勢趨于穩定，以后還有可能繼續下去，這就說(shuō)明身體有問(wèn)題。據相關(guān)醫學(xué)資料可知，被測者(男)極有可能有結核病或炎癥等疾病。當然也可以根據需要，一天內采集多次，做出更精確的記錄和體溫曲線(xiàn)。下一步是繼續完善程序，平滑曲線(xiàn)，結合醫學(xué)的相關(guān)指標，增強判據，提高系統的可靠性。

還可以根據需要，幾天內每天多次采樣，做出更精確的記錄和體溫曲線(xiàn)，觀(guān)察體溫變化，比較上、下午體溫。人的正常體溫一般下午比上午高0．17℃(腋窩溫)，還可看體溫變化是否超過(guò)1℃，如果多次超過(guò)1℃則視為不正常。亞健康的一種明顯癥狀是體溫異常，下午的體溫常在36℃～38℃，這些可作為輔助手段，通過(guò)測得的體溫曲線(xiàn)容易判斷。

5 結束語(yǔ)
筆者設計的智能馬桶可以實(shí)現對亞健康的自動(dòng)預測。較之一年一次的體檢，偶爾的檢查，被動(dòng)地預防疾病，防患于未然的積極保健意識顯然更具有實(shí)際意義。而與計算機互連，以整合信息并控制，亦是家電信息化的必然趨勢；健康儀器借助于計算機分析處理數據，在一定期間的跟蹤觀(guān)測更具客觀(guān)性。存儲的數據或打印的曲線(xiàn)又可為醫生進(jìn)一步確診提供詳細憑據，具有一定的實(shí)用價(jià)值。隨著(zhù)家用電器逐步信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化，智能馬桶將會(huì )逐步進(jìn)入日常生活，成為人們關(guān)注自身健康的好幫手。