CN110115565A - 一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器及其监护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器及其监护方法，包括有MCU控制单元、温度信号处理单元、温度探头组开关单元、温度探头组、分压单元、显示单元及稳压单元，温度探头组包括若干NTC温度探头和用于固定温度探头的固定装置，若干NTC温度探头按照一定顺序固定在固定装置上,温度探头组置于人体腋窝下测量体温；MCU控制单元用于控制温度探头组开关单元及依次驱动温度探头组中的探头，并依次采集各个位置的温度探头信号；稳压单元用于提供精准电压，温度探头组信号经过MCU计算后得到被监护体的温度值，并在显示单元显示。本发明测温精度高、升温时间快，具有温度补偿功能，测温值不受环境温度的影响，可以精准判定智能温度传感器与监护体是否接触良好。

Description

一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器及其监护方法

技术领域

本发明涉及穿戴式人体体温监护技术领域，尤其是指一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器及其监护方法。

背景技术

体温是重要的生命体征参数之一，根据国家临床医疗护理要求，所有住院病人必须按时测量体温参数。目前临床体温测量主要是采用传统的水银温度计进行人工测量和记录。此方式不仅消耗大量的人力，不能实现大规模实时监测，而且使用水银体温计存在很大的风险，容易造成交叉感染，不符合高效、节能、卫生、安全的科技要求。2013年10月11日，日内瓦世界卫生组织和无害保健组织联合发起一项新的计划，要求到2020年从所有医疗测量器械中去除汞，并签署了《汞问题水俣公约》，发起了“到2020年实现无汞卫生保健计划”，呼吁逐步淘汰含汞体温计和含汞血压测量器械。为实现这项目标，将停止这些器械的生产、进口和出口，并支持采用精确、实惠和更安全的无汞替代品。

虽然水银体温计测量结果准确，但因为使用的专业性和水银的毒害性等，国家卫计委己发文明令停用或禁用水银体温计。相关的研究认为红外耳温计具有安全、便捷的优势，但是经调查对使用过程中的3种国内外不同品牌的红外耳温计读数与水银体温计同期对比，发现3种品牌红外耳温计在临床使用两个月后均会发生0.3~0.5℃的误差，导致患者及家属对测量的结果信任度不高。监护仪携带体温监测探头，价格昂贵，体温探头一端连接在监护模块一端，限制了患者的活动，不利于患者病情的恢复。

现有的可穿戴式体温监护设备的测温值受环境温度的影响，无法根据实际情况进行补偿。另外，由于佩戴位置、佩戴舒适度（松紧度）都会影响测量精度，造成测量误差，影响临床医生对患者实际体温的精准判断，进而影响治疗措施及治疗方案的制定。还有，由于现有的产品在佩戴者活动过程中容易造成产品与被测人体贴合不紧，进而造成一定的测量误差；同时NTC热敏电阻自身的特性，其升温时间较慢。

发明内容

本发明针对现有技术的问题提供一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器及其监护方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，包括有MCU控制单元、温度信号处理单元、温度探头组开关单元、温度探头组、分压单元、显示单元及稳压单元，所述温度探头组包括若干高精度的NTC温度探头和用于固定温度探头的固定装置，若干温度探头按照一定的顺序固定在固定装置的各个位置上,温度探头组置于人体腋窝下测量体温；

所述温度信号处理单元用于处理温度探头信号；

所述MCU控制单元用于控制温度探头组开关单元及依次驱动温度探头组中的探头，并依次采集各个位置的温度探头信号；

所述稳压单元用于提供误差为±0.1%的高精准电压；

处理过后的温度探头组信号经过MCU控制单元计算得到被监护体的温度值，显示单元用于显示计算得到的温度值；

所述分压单元由误差为±0.1%的30kΩ高精密电阻组成，与温度探头组中的高精度NTC温度探头串联；

所述温度探头组开关单元包括电源开关单元和温度信号开关单元；

所述分压单元与温度探头组相连，分压单元与电源开关单元相连，温度探头组与温度信号开关单元相连。

进一步的，所述电源开关单元包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与稳压单元的输出端相连，信号输出端与分压单元的的输入端相连。

作为优选的，所述电源开关单元包括开关芯片U1，开关芯片U1的输入信号引脚A1、A2、A3分别与稳压单元的输出引脚相连，开关芯片U1输出信号引脚B1、B2、B3分别与分压电路的三个高精密电阻相连；开关芯片U1的开关控制信号引脚C1、C2、C3分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

进一步的，所述温度信号开关单元也包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与温度探头组中的温度探头相连，信号输出端与温度信号处理单元的输入端相连。

作为优选的，所述温度信号开关单元包括开关芯片U2，开关芯片U2的输入信号引脚A4、A5、A6分别与温度探头组中的温度探头相连，开关芯片U2输出信号引脚B4、B5、B6分别与温度信号处理单元的输入引脚的相连，开关芯片U2的开关控制信号引脚C4、C5、C6分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

其中，所述温度探头组包括有三个温度探头，其分别为第一温度探头、第二温度探头和第三温度探头；所述第一温度探头用于与被测人体腋窝手臂侧皮肤接触，第三温度探头位于智能温度传感器相对于第一温度探头的最远端，可与被测人体腋窝的另一侧接触，第二温度探头位于第一温度探头和第三温度探头的中间。

用于上述穿戴式体温监护的智能温度传感器的监护方法，包括以下步骤：

（1）温度检测采样：MCU控制单元通过控制温度探头组开关单元中的电源开关单元和温度信号开关电源，依次采样温度探头组中的第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值；

（2）计算三个温度值：通过MCU控制单元计算第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值，得到对应的第一温度T1、第二温度T2、第三温度T3；

（3）若第一温度T1>第二温度T2>第三温度T3，则T=D*(T1-T3)+T1，其中T为被测人体实际温度值；所述D值为温度补偿系数，针对温度探头组中的温度探头的特性及位置和传输介质，通过多次测量事先拟合得出D值；

（4）若第一温度T1>第二温度T2，第三温度T3>第二温度T2，则不需要补偿，T=T1；

（5）MCU控制单元将测人体实际温度值T发送到显示单元进行显示，将测温结果反馈给用户。

其中，所述温度补偿系数D通过下述方法得出：当热量从被测人体通过介质依次传导至第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头，所述第一温度探头与被测人体相接触，第一温度探头的测的温度T1与人体体温实际值T相近，△T可近似为△T=T1-T3；

根据热传递的基本公式为Φ=Kr*A*△T，其中，Φ为热流量，Kr为平均导热系数，A为传热面积，△T为温度差，在探头结构固定时，Kr和A是常数；热传递与温度差成正比，其简化公式为Φ=S*△T；

在温度探头位置和传输介质已经固定的情况下，热量从被测人体依次通过第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的位置传递，相同时间内通过每个温度探头的总热量是相同的；将被测人体与第一温度探头的热传递系数设为A1，第一温度探头到第三温度探头的热传递系数设为A2，A1*(T-T1)=A2*（T1-T3）；A1、A2在温度探头位置和传输介质固定不变的情况下是常数，假设D=A2/A1，即T-T1=D*(T1-T3)，则T=D*(T1-T3)+T1；通过人体温度体模测量T1、T3以及已知温度T，通过多次测量可拟合即可得出温度补偿系数D。

本发明的有益效果：

本发明提供的智能温度传感器内部设有按照一定顺序固定的三个温度探头，利用三个温度探头同时进行温度监测，得到三个不同的温度监测值；通过温度补偿的方式，计算得到被测人体的实际温度值。这种智能温度传感器及其监护方法测温精度高、升温时间快，具有温度补偿功能，测温值不受环境温度的影响，以及可以精准判定智能温度传感器与监护体是否接触良好；避免了环境因素对测温的影响，解决了产品佩戴者在活动过程中，佩戴不紧造成测量温度较低的问题。

附图说明

图1为本发明一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器的模块图。

图2为本发明中温度探头组开关单元的电路图。

图3为本发明中温度探头组的结构位置示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，包括有MCU控制单元、温度信号处理单元、温度探头组开关单元、温度探头组、分压单元、显示单元及稳压单元，所述温度探头组包括若干高精度的NTC温度探头和用于固定温度探头的固定装置，若干温度探头按照一定的顺序固定在固定装置的各个位置上,温度探头组置于人体腋窝下测量体温。

所述温度信号处理单元用于处理温度探头信号，主要包括滤波处理，以及对温度探头信号的稳定处理，使其不失真。

所述MCU控制单元用于控制温度探头组开关单元及依次驱动温度探头组中的探头，并依次采集各个位置的温度探头信号。本发明的是MCU控制单元选用的主控芯片自带12位的A/D转换模块，在本发明中，对应温度探头组中的三个温度探头，使用了主控芯片中的3个A/D转换模块。主控芯片中A/D转换模块的输入引脚分别连接温度探头组中的第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头，分别完成第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的温度信号电压AD采样。

MCU控制单元设有三个引脚分别与温度探头组开关单元中的开关芯片U1的开关控制信号引脚C1、C2、C3相连（参见图2），还有另外三个引脚与温度探头组开关单元中的开关芯片U2的开关控制信号引脚C4、C5、C6相连。所述MCU控制单元产生开关控制信号，用于控制开关芯片U1、开关芯片U2的对应开关的导通和断开，当开关芯片U1、开关芯片U2的开关控制信号引脚为高电平时，其对应的开关导通；当开关芯片U1、开关芯片U2的开关控制信号引脚为低电平时，其对应的开关导通。C1和C4为一组，用于控制温度探头组中第一温度探头的电源和温度信号的导通和断开，两个开关控制信号同时为高，或者同时为低。C2和C5为一组，用于控制温度探头组中第二温度探头的电源和温度信号导通和断开，两个开关控制信号同时为高，或者同时为低。C3和C6为一组，用于控制温度探头组中第三温度探头的电源和温度信号导通和断开，两个开关控制信号同时为高，或者同时为低。三组开关控制信号，在任一时刻，只有一组为高电平，其余两组都为低电平。三组开关信号交替进行电平切换，控制开关芯片U1、开关芯片U2对应引脚的导通和断开。

所述稳压单元用于提供误差为±0.1%的高精准电压。按照国标GB/T 21416-2008《医用电子体温计》的要求，使智能温度传感器正常工作的低电压值应满足不高于额定值得90%。因此，系统采用3.3V纽扣电池供电的话，最低工作电压应低于3.0V。在本发明专利中，将最低工作电压定为2.5V，在满足国家标准GB/T 21416-2008《医用电子体温计》要求的同时，降低整体功耗，增加工作时间。优选的，在本发明专利中采用低压差线性稳压芯片RT9193-25GB。

处理过后的温度探头组信号经过MCU控制单元计算得到被监护体的温度值，显示单元用于显示计算得到的温度值。

所述分压单元由误差为±0.1%的30kΩ高精密电阻组成，与温度探头组中的高精度NTC温度探头串联。

所述温度探头组开关单元包括电源开关单元和温度信号开关单元。

所述分压单元与温度探头组相连，分压单元与电源开关单元相连，温度探头组与温度信号开关单元相连。

进一步的，所述电源开关单元包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与稳压单元的输出端相连，信号输出端与分压单元的的输入端相连。

作为优选的，所述电源开关单元包括开关芯片U1，开关芯片U1的输入信号引脚A1、A2、A3分别与稳压单元的输出引脚相连，开关芯片U1输出信号引脚B1、B2、B3分别与分压电路的三个高精密电阻相连；开关芯片U1的开关控制信号引脚C1、C2、C3分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

进一步的，所述温度信号开关单元也包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与温度探头组中的温度探头相连，信号输出端与温度信号处理单元的输入端相连。

作为优选的，所述温度信号开关单元包括开关芯片U2，开关芯片U2的输入信号引脚A4、A5、A6分别与温度探头组中的温度探头相连，开关芯片U2输出信号引脚B4、B5、B6分别与温度信号处理单元的输入引脚的相连，开关芯片U2的开关控制信号引脚C4、C5、C6分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

在本发明中，当C1/C4为高电平时，开关芯片U1的A1/B1导通，开关芯片U2的A4/B4导通。此时C2/C5、C3/C6为低电平，开关芯片U1的A2/B2、开关芯片U1的A3/B3处于断开状态；开关芯片U2的A5/B5、开关芯片U2的A6/B6处于断开状态。当C2/C5为高电平时，C1/C4、C3/C6为低电平，开关芯片U1的A2/B2导通，开关芯片U2的A5/B5导通。当C3/C6为高电平时，C1/C4、C2/C5为低电平，开关芯片U1的A3/B3导通，开关芯片U2的A6/B6导通。

如图3所示，本发明中所述温度探头组包括有三个温度探头，其分别为第一温度探头、第二温度探头和第三温度探头；所述第一温度探头用于与被测人体腋窝手臂侧皮肤接触，第三温度探头位于智能温度传感器相对于第一温度探头的最远端，可与被测人体腋窝的另一侧接触，第二温度探头位于第一温度探头和第三温度探头的中间。

用于上述穿戴式体温监护的智能温度传感器的监护方法，包括以下步骤：

（1）温度检测采样：MCU控制单元通过控制温度探头组开关单元中的电源开关单元和温度信号开关电源，依次采样温度探头组中的第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值；

（2）计算三个温度值：通过MCU控制单元计算第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值，得到对应的第一温度T1、第二温度T2、第三温度T3；

在本发明中，首先通过电压AD采样值及分压单元的30KΩ分压电阻，得到NTC热敏电阻的阻值，然后通过如下的方法，通过NTC热敏电阻的阻值计算得到温度探头的实测温度值。

由NTC热敏电阻与温度之间的关系，有：

其中：RT是热敏电阻在开尔文温度T下的电阻值；RN是热敏电阻在TN常温下的标准电阻值；B值是热敏电阻的重要参数；T和TN都是开尔文温度（K），同时又有K=绝对温度（273.15）+摄氏温度。由此分析，实际摄氏温度（T0）为：

在已知RN、B、TN各项参数的情况下，只需通过采集热敏电阻RT的非线性变化曲线，代入上述公式可计算出摄氏温度T0，得出实测摄氏温度值。

（3）若第一温度T1>第二温度T2>第三温度T3，则T=D*(T1-T3)+T1，其中T为被测人体实际温度值；所述D值为温度补偿系数，针对温度探头组中的温度探头的特性及位置和传输介质，通过多次测量事先拟合得出D值；

（4）若第一温度T1>第二温度T2，第三温度T3>第二温度T2，则不需要补偿，T=T1；

（5）MCU控制单元将测人体实际温度值T发送到显示单元进行显示，将测温结果反馈给用户。

优选的，所述温度补偿系数D通过下述方法得出：当热量从被测人体通过介质依次传导至第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头，所述第一温度探头与被测人体相接触，第一温度探头的测的温度T1与人体体温实际值T相近，△T可近似为△T=T1-T3；

根据热传递的基本公式为Φ=Kr*A*△T，其中，Φ为热流量，Kr为平均导热系数，A为传热面积，△T为温度差，在探头结构固定时，Kr和A是常数；热传递与温度差成正比，其简化公式为Φ=S*△T；

在温度探头位置和传输介质已经固定的情况下，热量从被测人体依次通过第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的位置传递，相同时间内通过每个温度探头的总热量是相同的；将被测人体与第一温度探头的热传递系数设为A1，第一温度探头到第三温度探头的热传递系数设为A2，A1*(T-T1)=A2*（T1-T3）；A1、A2在温度探头位置和传输介质固定不变的情况下是常数，假设D=A2/A1，即T-T1=D*(T1-T3)，则T=D*(T1-T3)+T1；通过人体温度体模测量T1、T3以及已知温度T，通过多次测量可拟合即可得出温度补偿系数D。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：包括有MCU控制单元、温度信号处理单元、温度探头组开关单元、温度探头组、分压单元、显示单元及稳压单元，所述温度探头组包括若干高精度的NTC温度探头和用于固定温度探头的固定装置，若干NTC温度探头按照一定的顺序固定在固定装置的各个位置上,温度探头组置于人体腋窝下测量体温；

所述温度信号处理单元用于处理温度探头信号；

所述MCU控制单元用于控制温度探头组开关单元及依次驱动温度探头组中的探头，并依次采集各个位置的温度探头信号；

所述稳压单元用于提供误差为±0.1%的高精准电压；

处理过后的温度探头组信号经过MCU控制单元计算得到被监护体的温度值，显示单元用于显示计算得到的温度值；

所述分压单元由误差为±0.1%的30kΩ高精密电阻组成，与温度探头组中的高精度NTC温度探头串联；

所述温度探头组开关单元包括电源开关单元和温度信号开关单元；

所述分压单元与温度探头组相连，分压单元与电源开关单元相连，温度探头组与温度信号开关单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：所述电源开关单元包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与稳压单元的输出端相连，信号输出端与分压单元的的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：所述电源开关单元包括开关芯片U1，开关芯片U1的输入信号引脚A1、A2、A3分别与稳压单元的输出引脚相连，开关芯片U1输出信号引脚B1、B2、B3分别与分压电路的三个高精密电阻相连；开关芯片U1的开关控制信号引脚C1、C2、C3分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

4.根据权利要求2所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：所述温度信号开关单元也包括有控制输入端、信号输入端和信号输出端，所述控制输入端与MCU控制单元相连，信号输入端与温度探头组中的温度探头相连，信号输出端与温度信号处理单元的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：所述温度信号开关单元包括开关芯片U2，开关芯片U2的输入信号引脚A4、A5、A6分别与温度探头组中的温度探头相连，开关芯片U2输出信号引脚B4、B5、B6分别与温度信号处理单元的输入引脚的相连，开关芯片U2的开关控制信号引脚C4、C5、C6分别与MCU控制单元的对应引脚相连。

6.根据权利要求4所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器，其特征在于：所述温度探头组包括有三个温度探头，其分别为第一温度探头、第二温度探头和第三温度探头；所述第一温度探头用于与被测人体腋窝手臂侧皮肤接触，第三温度探头位于智能温度传感器相对于第一温度探头的最远端，可与被测人体腋窝的另一侧接触，第二温度探头位于第一温度探头和第三温度探头的中间。

7.一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器的监护方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）温度检测采样：MCU控制单元通过控制温度探头组开关单元中的电源开关单元和温度信号开关电源，依次采样温度探头组中的第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值；

（2）计算三个温度值：通过MCU控制单元计算第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的电压AD采样值，得到对应的第一温度T1、第二温度T2、第三温度T3；

（3）若第一温度T1>第二温度T2>第三温度T3，则T=D*(T1-T3)+T1，其中T为被测人体实际温度值；所述D值为温度补偿系数，针对温度探头组中的温度探头的特性及位置和传输介质，通过多次测量事先拟合得出D值；

（4）若第一温度T1>第二温度T2，第三温度T3>第二温度T2，则不需要补偿，T=T1；

（5）MCU控制单元将测人体实际温度值T发送到显示单元进行显示，将测温结果反馈给用户。

8.根据权利要求7所述的一种用于穿戴式体温监护的智能温度传感器的监护方法，其特征在于：所述温度补偿系数D通过下述方法得出：当热量从被测人体通过介质依次传导至第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头，所述第一温度探头与被测人体相接触，第一温度探头的测的温度T1与人体体温实际值T相近，△T可近似为△T=T1-T3；

根据热传递的基本公式为Φ=Kr*A*△T，其中，Φ为热流量，Kr为平均导热系数，A为传热面积，△T为温度差，在探头结构固定时，Kr和A是常数；热传递与温度差成正比，其简化公式为Φ=S*△T；

在温度探头位置和传输介质已经固定的情况下，热量从被测人体依次通过第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头的位置传递，相同时间内通过每个温度探头的总热量是相同的；将被测人体与第一温度探头的热传递系数设为A1，第一温度探头到第三温度探头的热传递系数设为A2，A1*(T-T1)=A2*（T1-T3）；A1、A2在温度探头位置和传输介质固定不变的情况下是常数，假设D=A2/A1，即T-T1=D*(T1-T3)，则T=D*(T1-T3)+T1；通过人体温度体模测量T1、T3以及已知温度T，通过多次测量可拟合即可得出温度补偿系数D。