摘要：比較3種常見體溫計的測量原理及其優缺點，根據亞健康的預測要求，結合智能馬桶的設計特點，採用ATmega8、DS18B20和MAX232等器件構成一種可長期採集體溫數據，自動繪製體溫曲線，跟蹤分析體溫波動趨勢，實現亞健康預測的體溫採集系統。見微知著地積極保健，便於及早發現和預防疾病，有利於確診及治療。
關鍵詞：健康；體溫；數據採集；DS18B20；ATmega8
1 引言
隨著人們對自身健康的重視，亞健康問題越來越受到關注。亞健康狀態是人體處於健康與疾病之間的過渡階段。半數以上亞健康患者容易發展成高血壓、冠心病、糖尿病等疾病。亞健康逐漸成為人類健康的頭號殺手。
判斷一個人是否處於亞健康狀態，需要觀察其生理信號(如體溫)在一段時間內是否發生了不正常的變化，要求人們堅持每天做身體檢查，記錄結果並進行判斷，這樣的過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。人們在如廁過程中即可被自動檢測出生理信號，並將數據傳送到計算機進行處理和判斷。
由於篇幅問題，下面僅介紹「智能馬桶」中體溫測量部分的設計。
2 常見體溫計的原理及優缺點
2．1 水銀體溫計
水銀體溫計是利用水銀熱膨脹原理製成的。它的示值準確，穩定性高，價格低廉，操作簡單，但容易破碎，測量時間比較長，對急重病患者、老人、嬰幼兒等使用不方便，讀數比較費事，不利於數據採集。
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，經轉換、放大，調整為易於處理的電信號，最後由單片機控制，並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，靈敏度高，價格適中，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於黑體輻射原理製成的，藉助紅外溫度傳感器，測量人體發出的熱輻射能，經過一系列轉換後，得到對應的人體溫度值。紅外輻射式體溫計可以實現非接觸、無損傷測溫，但其測量結果較易受環境及人活動狀態的影響，此外，還要求規範操作，測試要在一定距離範圍內才能保證其有效性，價格較貴，難以普及。
3 體溫測量方案的選擇及系統構成
考慮到人的如廁時間短和體檢次數多，因此，準確、快捷、方便、可重複測量成為設計者要考慮的首要因素。設計中採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。現在市面上的電子體溫計都沒有數據採集口，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型單線接口數字溫度傳感器，一線輸出，可編程9位一12位A／D轉換精度，解析度可達0．0625~C；有單線數字式接口，與單片機連接方便，線路簡單，可靠性高，成本低廉[2]。
人體體溫在35℃-42℃之間，要如實反映人體體溫，需要用單片機對DS18B20的測量值進行計算轉換處理，還要控制測量的數據顯示、採集、傳輸等。這裡採用美國ATMEL公司的基於AVR 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，多次在線可編程，512B的．EEPROM和lKB的SRAM等，有利於降低成本[5]。
3．2 系統構成及實現
該系統的硬體由控制器、體溫測量部分、數碼顯示部分和採集管理部分(PC)組成。控制器選用了ATmega8型單片機，測量部分採用DS18B20型溫度傳感器，數碼顯示是通過直接驅動HD44780型(標準點陣)LCD來顯示當前的人體體溫值，數據採集通過RS一232串行通信向PC傳送數據，用。MAX232型電平轉換器實現TTL與RS-232之間的電平轉換。PC主機對溫度數據進行存儲、管理與分析。可視化人機互動界面根據收到的體溫數據做出體溫曲線並列印，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)硬體構成
DS18B20由外部電源供電，通過輸出端DQ將體溫數據傳給ATmega8的PC0埠，再由ATmega8進行處理，調用相關程序，數碼顯示，同時經AT-mega8的PDO(Rx)/PD1(Tx)與PC串口通信以實現體溫數據採集。
(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，即12位A/D轉換結果，解析度為O．0625℃，轉換時間是750ms，以保證能夠精確快速測量體溫，同時配置寄存器設置為78H。
(3)DS18B20的軟體設計
ATmega8使用8MHz外部時鐘，由於DS18B20與單片機之間採用的是串行數據傳送，因而在對DS18B20進行讀寫操作時只能靠嚴格的時序脈衝信號進行，按照DS18B20的時序，嚴格遵循一線式總線協議，以保證數據的完整性。系統能否實現智能化主要依靠數據處理程序。DS18B20的部分程序採用彙編語言設計，適當設置時隙，保證時序。
在程序設計中，準確讀取溫度是關鍵，對每組數據(9位元組)都進行CRC校驗。該數據先從低字節最低位開始，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並單獨進行處理。
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進行相應處理，存入ATmega8的。EEP-ROM，顯示並上傳給PC主機。考慮到每個DS18B20中存在系統誤差，因此首次使用裝置時，需對其進行校正並將測量值換算為體溫，因此需要進行溫度標定。首先將DS18B20與水銀溫度計一同放入溫水中，改變水溫並分別測定和校正，再執行標定程序將溫度計讀數由鍵盤輸入，啟動DS18B20並自動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存儲，再執行處理程序，計算出回歸方程的各個係數，並存儲在另一文本中，開啟使用時控制器自動調用查詢。標定出各個整數點的溫度數值以減少器件本身及外部環境帶來的非線性誤差，提高輸出準確度。
(2)精度處理
DS18B20完成對溫度的測量，以16位符號擴展的二進位補碼讀數形式提供，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，溫度大於0℃，具體值為T=[(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採用12位A/D轉換方式，百分位的數據採用「四捨五入」的原則處理。這樣，溫度的顯示範圍為35．0℃-42．O℃，精度可達0．1℃，符合要求。
3．2．3採集管理(PC管理)
體溫測量和存儲後，通過串口收發，將體溫數據傳送到PC主機進行分析和處理。收發數據以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，界面採用主菜單方式，具有提供數據曲線、存儲和列印等功能。
4 亞健康預測依據及判別
人的正常體溫在37℃左右，波動範圍是36．5℃-37.3℃，每日體溫變化不超過1℃。鑑於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，高低呈正態分布，即使有偏離，肌體也會在較短的時間內回到37℃左右。當身體處於亞健康狀態或其他一些疾病的潛伏期時，肌體內部肯定會有不易察覺的先兆，可能表現為體溫波動長期異常即長時間偏高或偏低。對體溫數據進行長期記錄並繪出體溫曲線，就是為了跟蹤這種異常現象。
根據各組體溫值進行曲線擬合，經過比較，設計中採用5點3次移動平均法平滑體溫曲線，其平滑度好，速度快，且精度較高。5點3次移動平滑公式如下：
式中，Ti是平滑處理後的各點體溫值，ti是實際體溫測量值。
計算機在處理每組數據過程中，以正常人的體溫變化為依據，如果發現體溫長期偏高或偏低，或者臨界範圍附近呈上升或下降趨勢，則表示身體有異常，就會自動提醒主人去醫院檢查或就診，從某種意義上克服了點測量的局限性，可具體直觀地反映身體狀況。
圖2中的數據及曲線是設計中的1次測試結果。虛線是根據實測體溫值直線連接得到的，實線是經過平滑處理後的體溫曲線。體溫數據如表1所示。
根據體溫曲線可以直觀地看出被測者25天內的體溫變化趨勢：從第2天開始，體溫逐漸上升，但在正常範圍內，第8天到第11天的體溫變化較大，此後的十幾天裡一直在37．4℃左右徘徊，遠高於37℃，這表明被測者已有連續2個星期持續體溫偏高即處於低熱狀態，而且曲線走勢趨於穩定，以後還有可能繼續下去，這就說明身體有問題。據相關醫學資料可知，被測者(男)極有可能有結核病或炎症等疾病。當然也可以根據需要，一天內採集多次，做出更精確的記錄和體溫曲線。下一步是繼續完善程序，平滑曲線，結合醫學的相關指標，增強判據，提高系統的可靠性。
還可以根據需要，幾天內每天多次採樣，做出更精確的記錄和體溫曲線，觀察體溫變化，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1℃，如果多次超過1℃則視為不正常。亞健康的一種明顯症狀是體溫異常，下午的體溫常在36℃～38℃，這些可作為輔助手段，通過測得的體溫曲線容易判斷。
5 結束語
筆者設計的智能馬桶可以實現對亞健康的自動預測。較之一年一次的體檢，偶爾的檢查，被動地預防疾病，防患於未然的積極保健意識顯然更具有實際意義。而與計算機互連，以整合信息並控制，亦是家電信息化的必然趨勢；健康儀器藉助於計算機分析處理數據，在一定期間的跟蹤觀測更具客觀性。存儲的數據或列印的曲線又可為醫生進一步確診提供詳細憑據，具有一定的實用價值。隨著家用電器逐步信息化、智能化、網絡化，智能馬桶將會逐步進入日常生活，成為人們關注自身健康的好幫手。