引言

在動物活體實驗的特殊環境中，實驗人員屬于高危易感染人群。因此，要盡量減少這些人員與實驗動物的接觸。而體溫是臨床醫護采集病史和資料過程中最重要的客觀指標之一，其準確性直接影響到疾病的診斷和治療。同樣，在活體動物實驗中實驗人員常常關注實驗體的體溫隨著時間變化的情況。

在具有高傳染性的動物活體實驗中，如果采用接觸式體溫測量方法，就給實驗人員帶來極大的傳染風險。如果采用非接觸式測量方法，指出雖然紅外熱像儀具有自動化程度高，減少交叉感染機會的優點，但所測量溫度平均比口腔溫度低 2.16°C±1.40°C，在準確度上存在一定缺陷。同時，它也不適合對監測對象實施實時監測。因為現有的無線電子體溫測量裝置采用體表接觸的體溫測量方式以及裝置體積等因素的限制，不適合用于動物體溫測量，同時會造成測量數據不準確。

針對上述問題，本文對一種把測溫裝置植入試驗體的體內，通過無線傳輸，進行遠程體溫監測的系統進行了論述和研究。該系統可以對實驗體的體溫進行遠程監測和預警，是一個在高傳染環境下進行體溫監測的很好方案。

1 系統的組成與工作原理

1.1 系統組成本系統由四部分組成：溫度傳感器、體內信號處理測溫模塊、體外信號處理模塊、計算機。其結構框圖如圖 1所示。

1.2 系統工作原理

在實驗體內溫度測量裝置中，溫度傳感器 DS18B20將采集到的溫度信息，傳送到微處理器 C8051F320，將其轉換成高速串行信號，然后由 nRF2401無線收發芯片將信號發出去。為了實現多對象、同時監測的目的，在通訊上該系統采用了詢問應答的通訊方式。

在實驗體外數據接收裝置中，首先通過無線收發芯片 nRF2401接收溫度信息，接收到的數據通過中斷的方式交由微控器 C8051F320，最后通過 USB總線傳送給計算機，由計算機進行數據顯示、分析、存儲、報警。

2 體內測溫裝置的設計

該系統與現有的無線電子測溫裝置不同，它是將封裝成“膠囊”形狀的測溫裝置植入實驗體皮下，通過無線傳輸方式進行體溫監測。因此，該部分的體積要盡量小，要合理安排傳感器、芯片、電源、天線的位置，盡量使系統結構緊湊。其系統組成如圖 2所示。

2.1 溫度傳感器的選擇

傳感器作為測溫裝置的關鍵組成部分，對整個系統測溫的準確度起著重要作用。同時，也影響整個測溫裝置的體積。在本系統中采用 DALLAS公司生產的 DS18B20數字溫度傳感器。與熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，根據實際要求，通過簡單的編程實現 9～ 12位的數字值讀數方式，即具有可調的溫度分辨率，并且從 DS18B20讀出或寫入信息只需要一根口線。它體積小，電壓適用范圍寬（ 3.0V～5.5V），可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源，即從總線上獲得電源[4]，因此，DS18B20可使系統結構更簡單、更緊湊。

2.2 信號處理模塊的設計

信號處理模塊主要由微控器 C8051F320、無線收發芯片 nRF2401及外圍電路組成。溫度傳感器 DS18B20進行數據采集，然后數據進入微處理器 C8051F320，編碼后由微處理器轉換成高速串行信號傳送給后端的無線收發芯片 nRF2401，將溫度信息發送出去。

微控器 C8051F320是由美國 Cygnal公司推出的一款具有全速 USB功能的混合信號 flash微控器芯片，該器件內集成由 2304Byte RAM和 16K Byte的 flash存儲器。實際上， C8051F320是一個完整的混合信號片上的系統（ SoC）。利用該芯片進行設計時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因此使系統更加簡單、緊湊。

無線收發芯片 nRF2401和藍牙一樣，都是工作在 2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點通信，最高傳輸速率超過 1M bit/S，而且比藍牙具有更高的傳輸速度。特別是它采用了 SoC方法設計，芯片體積小只有 5mm×5mm×1mm，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路，有利于使得整個系統降低體積。理論上 nRF2401具有高達 1Mbps的束吞吐量，理想情況為 400kbps，在 ShockBurstTM收發模式下，使用片內的先入先出堆棧區，微處理器以低速與 nRF2401的緩沖區進行數據交換，隨后 nRF2401以高速發射數據，這樣可以降低能耗 [5,6]。因此，使用低速的微控器也能得到很高的數據發射速度。同時，發射功率、工作頻率等工作參數可通過軟件設置完成。電壓范圍 1.9V～3.6V，－5Bm輸出功率時的典型峰值電流微 10.5mA，芯片能耗非常低，可提高裝置的使用壽命。

2.3 測溫裝置封裝處理

為了提高體溫測量的準確度，在整個測溫裝置封裝上選擇熱傳導快的材料。同時，為避免該裝置植入實驗體體內后與機體組織產生排斥反映，要對封裝表面進行“生物修飾”處理，如用聚乙二醇等材料。最終形成“膠囊“形狀的測溫裝置。

3 體外數據接收裝置設計

體外數據接收裝置的作用是處理、儲存體內測溫裝置傳送出來的信息，并顯示每個被監測對象的體溫數據。通過程序設計，它可將各個被監測對象的體溫分別以表格或以圖形的形式在計算機屏幕上顯示。當體溫高于設定的門限值時，可以自動報警。其系統結構如圖 3所示。

無線收發芯片 nRF2401將接收到的溫度信息，傳送給微控器 C8051F320，由微控器 C8051F320將溫度信息還原，最后通過 USB總線技術將溫度信息傳送給計算機[7]。

3.2 通訊方式設置

為了區分不同的被監測對象，通過軟件為每個體內測溫裝置中的無線收發芯片 nRF2401設置一個地址，它只有收到芯片地址時才會發送數據。體內測溫裝置的無線收發芯片 nRF2401首先被設置為接收模式，體外測溫裝置的無線收發芯片 nRF2401被置為發射模式，并發出詢問信號，該詢問信號為地址碼。若體內測溫裝置 nRF2401收到正確的地址碼，則通過程序改變其工作模式，變為發射模式，然后將溫度信息發射出去，此時體外接收裝置 nRF2401已處于接收模式；若無效體內測溫裝置繼續處于接收模式。這樣就實現了一臺電腦對多個對象同時監測的目的。其程序流程如圖 4和圖 5所示。

置體內測溫裝置 nRF2401接置體外數據接收裝置 nRF2401收模式發射模式

3.3 傳輸協議設計

為了實現無線數據通信，必須根據無線傳輸的一般要求和采用的無線傳輸收發模塊芯片的特殊要求來設計一套傳輸協議。由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個字節，所以采用同步幀格式。首先必須發送一個到兩個字節的 1和 0相間隔的位同步碼，用來識別一幀有效數據和無效數據。接下來就是一個同步幀碼，一般是一個下降沿開始，再下來就是用戶要上傳的狀態信息以及數據信息。最后，就是為了保證無線傳輸的可靠性和高效性必須有檢錯糾錯碼。采用通訊中廣泛適用的 CRC循環糾錯碼，以實現糾錯的目的。

5 結論

在現有溫度監測系統的基礎上，本文對一種新型的植入式溫度監測系統進行了研究和設計，對在具有高傳染風險環境下的體溫監測，特別是在活體動物實驗中有很大的實用性和研究價值，同時為多生理參數監測搭建了基礎平臺。在整個設計上，針對如何減少“膠囊”式溫度檢測裝置的體積，元器件間的干擾還需要進一步要研究，并進一步研究該系統用于人體體溫監測的可行性。