用智能马桶实现体温测量与亚健康预测

摘要：比较3种常见体温计的测量原理及其优缺点，根据亚健康的预测要求，结合智能马桶的设计特点，采用ATmega8、DS18B20和MAX232等器件构成一种可长期采集体温数据，自动绘制体温曲线，跟踪分析体温波动趋势，实现亚健康预测的体温采集系统。见微知著地积极保健，便于及早发现和预防疾病，有利于确诊及治疗。
关键词：健康；体温；数据采集；DS18B20；ATmega8

1 引言
    随着人们对自身健康的重视，亚健康问题越来越受到关注。亚健康状态是人体处于健康与疾病之间的过渡阶段。半数以上亚健康患者容易发展成高血压、冠心病、糖尿病等疾病。亚健康逐渐成为人类健康的头号杀手。

    判断一个人是否处于亚健康状态，需要观察其生理信号(如体温)在一段时间内是否发生了不正常的变化，要求人们坚持每天做身体检查，记录结果并进行判断，这样的过程显得很繁琐和不方便。笔者提出“智能马桶”的设想，将体检装置与马桶结合起来。人们在如厕过程中即可被自动检测出生理信号，并将数据传送到计算机进行处理和判断。

    由于篇幅问题，下面仅介绍“智能马桶”中体温测量部分的设计。

2 常见体温计的原理及优缺点
2．1 水银体温计
    水银体温计是利用水银热膨胀原理制成的。它的示值准确，稳定性高，价格低廉，操作简单，但容易破碎，测量时间比较长，对急重病患者、老人、婴幼儿等使用不方便，读数比较费事，不利于数据采集。

2．2 电子体温计
    电子体温计的核心元件是温度传感器，分为分立式温度传感器(如热敏电阻器和热电偶等)和集成式温度传感器(如LM35、AD7416、DS18B20等)。电子体温计由温度传感器检测体温，经转换、放大，调整为易于处理的电信号，最后由单片机控制，并根据需要执行相应的扩展功能。电子体温计可直接以数字显示温度，读数直观，灵敏度高，价格适中，携带方便，测温快捷。但其示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素的影响。

2．3 红外辐射式体温计
    红外辐射式体温计是基于黑体辐射原理制成的，借助红外温度传感器，测量人体发出的热辐射能，经过一系列转换后，得到对应的人体温度值。红外辐射式体温计可以实现非接触、无损伤测温，但其测量结果较易受环境及人活动状态的影响，此外，还要求规范操作，测试要在一定距离范围内才能保证其有效性，价格较贵，难以普及。

3 体温测量方案的选择及系统构成
    考虑到人的如厕时间短和体检次数多，因此，准确、快捷、方便、可重复测量成为设计者要考虑的首要因素。设计中采用电子式体温测量方案，触摸式检测手心或手背温度，为了使用方便，工艺设计中将测温探头安装在智能马桶的扶手位置，较人性化。现在市面上的电子体温计都没有数据采集口，改装又较为不便，因此，自行设计了带数据接口的体温计。

3．1 主电路的选择
    测温器件选用美国Maxim公司的DS18B20型单线接口数字温度传感器，一线输出，可编程9位一12位A／D转换精度，分辨率可达0．0625~C；有单线数字式接口，与单片机连接方便，线路简单，可靠性高，成本低廉[2]。

    人体体温在35℃-42℃之间，要如实反映人体体温，需要用单片机对DS18B20的测量值进行计算转换处理，还要控制测量的数据显示、采集、传输等。这里采用美国ATMEL公司的基于AVR RISC的具有MTP和ISP功能的、低功耗CMOS ATmega8型8位单片机，其CPU集成了8KB的：Flash，多次在线可编程，512B的．EEPROM和lKB的SRAM等，有利于降低成本[5]。

3．2 系统构成及实现
    该系统的硬件由控制器、体温测量部分、数码显示部分和采集管理部分(PC)组成。控制器选用了ATmega8型单片机，测量部分采用DS18B20型温度传感器，数码显示是通过直接驱动HD44780型(标准点阵)LCD来显示当前的人体体温值，数据采集通过RS一232串行通信向PC传送数据，用。MAX232型电平转换器实现TTL与RS-232之间的电平转换。PC主机对温度数据进行存储、管理与分析。可视化人机交互界面根据收到的体温数据做出体温曲线并打印，自诊断身体状况。系统构成如图1所示。

3．2．1体温测量部分
    (1)硬件构成
    DS18B20由外部电源供电，通过输出端DQ将体温数据传给ATmega8的PC0端口，再由ATmega8进行处理，调用相关程序，数码显示，同时经AT-mega8的PDO(Rx)/PD1(Tx)与PC串口通信以实现体温数据采集。

    (2)DS18B20内部设置
    对人体体温测量的精度需达到0．1℃，因而选取DS18B20精度为默认状态，即12位A/D转换结果，分辨率为O．0625℃，转换时间是750ms，以保证能够精确快速测量体温，同时配置寄存器设置为78H。

    (3)DS18B20的软件设计
    ATmega8使用8MHz外部时钟，由于DS18B20与单片机之间采用的是串行数据传送，因而在对DS18B20进行读写操作时只能靠严格的时序脉冲信号进行，按照DS18B20的时序，严格遵循一线式总线协议，以保证数据的完整性。系统能否实现智能化主要依靠数据处理程序。DS18B20的部分程序采用汇编语言设计，适当设置时隙，保证时序。

    在程序设计中，准确读取温度是关键，对每组数据(9字节)都进行CRC校验。该数据先从低字节最低位开始，再以高字节最高位结尾。程序中将温度数据的整数部分和小数部分分离并单独进行处理。

3．2．2温度标定与精度处理
    (1)温度标定
    体温信号由DS18B20测量，将测量数据传给ATmega8进行相应处理，存入ATmega8的。EEP-ROM，显示并上传给PC主机。考虑到每个DS18B20中存在系统误差，因此首次使用装置时，需对其进行校正并将测量值换算为体温，因此需要进行温度标定。首先将DS18B20与水银温度计一同放入温水中，改变水温并分别测定和校正，再执行标定程序将温度计读数由键盘输入，启动DS18B20并自动将温度对应的转换值读入ATmega8的EEPROM内存，温度转换值的对应值自动存储，再执行处理程序，计算出回归方程的各个系数，并存储在另一文本中，开启使用时控制器自动调用查询。标定出各个整数点的温度数值以减少器件本身及外部环境带来的非线性误差，提高输出准确度。

    (2)精度处理
    DS18B20完成对温度的测量，以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，默认以0．0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。高速暂存器的字节O、l存储数据格式如下：
   

    温度算法是SSSSS=0，温度大于0℃，具体值为T=[(B＆7)x256+A]x0．0625℃。

    整数部分和小数部分单独处理。为了提高测量精度，DS18B20采用12位A/D转换方式，百分位的数据采用“四舍五入”的原则处理。这样，温度的显示范围为35．0℃-42．O℃，精度可达0．1℃，符合要求。

3．2．3采集管理(PC管理)
    体温测量和存储后，通过串口收发，将体温数据传送到PC主机进行分析和处理。收发数据以9600bit/s波特率传送给PC主机。Visual C++6．O编程，得到可视化人机界面，界面采用主菜单方式，具有提供数据曲线、存储和打印等功能。

4 亚健康预测依据及判别
    人的正常体温在37℃左右，波动范围是36．5℃-37.3℃，每日体温变化不超过1℃。鉴于体温受诸多因素的影响，如年龄、性别、季节和昼夜变化等，加上不同个体间的差异，很难确立具体统一的判断标准。大都以37℃为中心，高低呈正态分布，即使有偏离，肌体也会在较短的时间内回到37℃左右。当身体处于亚健康状态或其他一些疾病的潜伏期时，肌体内部肯定会有不易察觉的先兆，可能表现为体温波动长期异常即长时间偏高或偏低。对体温数据进行长期记录并绘出体温曲线，就是为了跟踪这种异常现象。

    根据各组体温值进行曲线拟合，经过比较，设计中采用5点3次移动平均法平滑体温曲线，其平滑度好，速度快，且精度较高。5点3次移动平滑公式如下：

   
    式中，Ti是平滑处理后的各点体温值，ti是实际体温测量值。

    计算机在处理每组数据过程中，以正常人的体温变化为依据，如果发现体温长期偏高或偏低，或者临界范围附近呈上升或下降趋势，则表示身体有异常，就会自动提醒主人去医院检查或就诊，从某种意义上克服了点测量的局限性，可具体直观地反映身体状况。


     图2中的数据及曲线是设计中的1次测试结果。虚线是根据实测体温值直线连接得到的，实线是经过平滑处理后的体温曲线。体温数据如表1所示。

    根据体温曲线可以直观地看出被测者25天内的体温变化趋势：从第2天开始，体温逐渐上升，但在正常范围内，第8天到第11天的体温变化较大，此后的十几天里一直在37．4℃左右徘徊，远高于37℃，这表明被测者已有连续2个星期持续体温偏高即处于低热状态，而且曲线走势趋于稳定，以后还有可能继续下去，这就说明身体有问题。据相关医学资料可知，被测者(男)极有可能有结核病或炎症等疾病。当然也可以根据需要，一天内采集多次，做出更精确的记录和体温曲线。下一步是继续完善程序，平滑曲线，结合医学的相关指标，增强判据，提高系统的可靠性。
 
    还可以根据需要，几天内每天多次采样，做出更精确的记录和体温曲线，观察体温变化，比较上、下午体温。人的正常体温一般下午比上午高0．17℃(腋窝温)，还可看体温变化是否超过1℃，如果多次超过1℃则视为不正常。亚健康的一种明显症状是体温异常，下午的体温常在36℃～38℃，这些可作为辅助手段，通过测得的体温曲线容易判断。

5 结束语
    笔者设计的智能马桶可以实现对亚健康的自动预测。较之一年一次的体检，偶尔的检查，被动地预防疾病，防患于未然的积极保健意识显然更具有实际意义。而与计算机互连，以整合信息并控制，亦是家电信息化的必然趋势；健康仪器借助于计算机分析处理数据，在一定期间的跟踪观测更具客观性。存储的数据或打印的曲线又可为医生进一步确诊提供详细凭据，具有一定的实用价值。随着家用电器逐步信息化、智能化、网络化，智能马桶将会逐步进入日常生活，成为人们关注自身健康的好帮手。