簡介

為了保持營養(yǎng)并確保質(zhì)量和產(chǎn)品安全，制造商規(guī)定了包裝和易腐商品（尤其是食品和藥品）的運輸和儲存溫度。 但是經(jīng)過當?shù)仉s貨店到達消費者手上之前，水果、蔬菜 和冷凍食品在運輸期間和大型制冷設備貨架上停留了大量時間，如圖 1 所示。將這些商品保持在適當溫度至關重要。

冷鏈管理將確保在包裝和易腐商品的生命周期每個階段 都滿足適當條件。冷鏈管理還要確保操作員在運輸或儲 存期間發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生偏離儲存溫度范圍的情況時可以采 取適當?shù)拇胧?/p>

冷鏈拓撲

帶有測量儀表的溫度傳感器長期以來一直很受歡迎。然而，隨著半導體技術的進步，而且大多數(shù)冷鏈管理發(fā)生在 -40°C 至 +10°C 的溫度范圍內(nèi)，集成的溫度傳感器成為了冷鏈管理的最佳選擇。

根據(jù)應用，可能有不同的拓撲。如圖 2 所示，在點對點拓 撲中，單個微控制器 (MCU) 連接到溫度傳感器，該傳感器可以是模擬或數(shù)字輸出傳感器。在運輸過程中管理貨 物托盤時，點對點拓撲非常有用。

在感測一組制冷容器（如冰箱）時，由于單個 MCU 的成本太高，無法在整個系統(tǒng)中多次實施。在此類情況下，最 常見的拓撲是星形、共享總線或菊花鏈拓撲（圖 3）：

? 星形拓撲可以在某一個分支出現(xiàn)故障時輕松實現(xiàn)故 障隔離。星形拓撲可以同時使用模擬和數(shù)字輸出溫度傳感器，但由于控制器外設數(shù)量較高且系統(tǒng)無法充分擴展，因此實施成本較高。

? 在共享總線拓撲中，一個 MCU 充當多個傳感器的主控制器。使用數(shù)字溫度傳感器即可輕松實現(xiàn)擴展。共享總線拓撲會共享線路，但仍然可以使用帶內(nèi)尋址（ 如 I2C 總線）或基于片選的帶外信令（串行外設接口 就是這種情況）進行單獨尋址。然而，I2C 面臨的問題 可能是長鏈上的可靠電力輸送和信號完整性。

? 菊花鏈不需要帶外信令，而是使用帶內(nèi)尋址方案。一 個鏈的每一級充當下一個鏈的緩沖器，因此可以改善更長距離的信號完整性。

無論處于冷鏈管理的哪個監(jiān)測階段，電子系統(tǒng)都具有獨特的優(yōu)勢，因為它們不僅可以記錄托盤或制冷設備的溫度，還可以提供閾值以便在超過特定閾值時發(fā)出警報。此類事件可通過聲音或視覺警報（如蜂鳴器或閃爍的 LED 指示燈）的形式直觀地傳達給操作員，還可使用有線或無線 MCU 集成到云服務中，從而實現(xiàn)全天候監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄 。

圖 4 顯示了 9,600bps 的通信接口的信號完整性。SMAART wire ^TM 數(shù)字接口使用通用異步接收器/發(fā)送器總線，這是幾乎所有 MCU 上的標準外設，因此可以更輕松地開發(fā)軟件。同時，菊花鏈實現(xiàn)方案更便于識別電纜斷裂的位置，因此更容易維護和提高整體系統(tǒng)可靠性。

器件建議

TMP107 數(shù)字輸出溫度傳感器支持總共 32 個菊花鏈器 件，可在需要高精度和系統(tǒng)范圍擴展性的冷鏈管理應用中替代NTC 熱敏電阻。TMP107 在 -20°C 至 +70°C 溫度 范圍內(nèi)的最高精度規(guī)格為 ±0.4°C，在 -40°C 至 +100°C 范圍內(nèi)為±0.55°C，且溫度分辨率為 0.015625°C。

憑借自動地址分配功能，TMP107 允許系統(tǒng)開發(fā)人員在編寫軟件時無需為每個傳感器節(jié)點分配地址，因為系統(tǒng)會通過添加額外的傳感器節(jié)點進行擴展。同時，通過使用推挽式通信輸入/輸出，系統(tǒng)可以更好地抵抗噪聲，防止噪聲影響長電纜上的溫度值。這種彈性使得鏈中相鄰器件之間跨度為 1,000 英尺的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

使用有源總線通信執(zhí)行溫度轉換時，TMP107 的電流消耗通常為 300μA。在低功耗模式下的關斷電流為 3.8μA。 該器件具有 1.7V 至 5.5V 的寬工作電壓范圍，由于電流消耗很低，因此非常適合用于冷鏈管理運輸階段的電池 供電型系統(tǒng)。提高波特率可實現(xiàn)實時更新，有助于儲存冷凍食品。

此外，TMP107 將配置和溫度限制存儲在內(nèi)部非易失性存儲器中。因此，該器件可以在上電時自動配置，進而無需單獨進行器件配置，并可提高系統(tǒng)運行速度。該器件還具有八個電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 位置， 提供高達 128 位的 EEPROM 來存儲用戶信息或校準信息。

菊花鏈拓撲是實現(xiàn)高效冷鏈溫度監(jiān)測的最佳方式。TMP107 實現(xiàn)了精度、功耗和功能的完美結合，可支持基于電池的冷鏈管理系統(tǒng)。

表 1 列出了此實現(xiàn)方案的備選器件建議。

有關此主題的更多信息，或有關冷鏈市場的一般性建議， 請參閱表 2 中的相關內(nèi)容。

了解患者的體溫是任何臨床診斷的關鍵第一步，也是運 動員的重要關注點。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著緊 湊型可穿戴設備的方向發(fā)展，以提供持續(xù)的溫度監(jiān)測。精 度高達 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協(xié) 會 (ASTM) E1112 對醫(yī)用溫度計的要求，而且還經(jīng)過優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設備保持緊湊和舒適。

可穿戴式溫度傳感的設計挑戰(zhàn)

簡介

在臨床環(huán)境中監(jiān)測患者生命體征通常是需要經(jīng)過嚴格校準的昂貴系統(tǒng)所執(zhí)行的工作，需要將患者束縛在臨床監(jiān)護儀旁邊。無線患者監(jiān)測系統(tǒng)可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴格的醫(yī)療標準即可。

在設計可穿戴式溫度監(jiān)測儀時，需要在功耗、尺寸、系統(tǒng)性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進行許多權衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性， 但可能需要更精心的電源管理。

更小、更低成本的設計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監(jiān)測的解決方案必須充分利用電路板面 積來提高精度和信號完整性，同時盡可能降低電流消耗。 系統(tǒng)設計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。

溫度計的合規(guī)性

美國材料與試驗協(xié)會 (ASTM) E1112 和國際標準化組織 (ISO) 80601-2-56:2017 是間歇性電子式患者溫度計的監(jiān)管標準。對于符合 ASTM E1112 標準的臨床溫度測量應用，體溫監(jiān)測儀必須能夠產(chǎn)生 ±0.1°C 精度的讀數(shù)，還必須讀取并顯示最低 35.8°C 至 41.0°C 的溫度。至少，任何溫度監(jiān)測設計都應該包括一個能夠在校準后滿足這些要 求的傳感元件。

TI 建議對可穿戴式溫度監(jiān)測儀使用 TMP117 超高精度數(shù)字溫度傳感器。該器件本身在 25°C 至 50°C 溫度范圍內(nèi)的精度優(yōu)于 0.1°C，無需校準即可滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低總電流消耗和單次觸發(fā)模式非常適合電池供電的應用。與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 或熱敏電阻的解決方案相比，TMP117 的數(shù)字 I2C 輸出還極大地簡化了系統(tǒng)設計。

布局注意事項

即使采用合適的傳感元件，確保整體系統(tǒng)精度仍然需要仔細進行電路板布局。若要監(jiān)測皮膚溫度，最佳布局應滿足以下條件：

? 最大限度提高傳感元件和其他器件之間的隔熱能力。

? 最大限度降低溫度傳感元件周圍的熱質(zhì)量以加快響應速度。

? 在患者和傳感元件之間提供良好的熱接觸，使傳感器和目標之間的溫度梯度最小化。

優(yōu)化隔熱和熱質(zhì)量

圖 1 顯示了一個皮膚溫度監(jiān)測系統(tǒng)示例。TMP117 數(shù)字溫度傳感器使用窄臂從印刷電路板 (PCB) 的其余部分進行延伸，從而最大限度減少電路板其余部分的熱傳導。

圖 2 顯示了相同雙層柔性 PCB 的疊層。使用柔性板有助于減少總體熱質(zhì)量，從而改善患者監(jiān)測儀的熱響應時間。 在電路板頂部和底部之間省略銅填充會阻止從 TMP117 吸走熱量并增加熱質(zhì)量。

熱接觸

為了對患者皮膚溫度進行可靠測量，需要被監(jiān)測患者與傳感器件之間實現(xiàn)良好的熱接觸。這種熱接觸與電路板其余部分的熱隔離相互配合，可確保報告的溫度盡可能接近患者的實際皮膚溫度。使用 TMP117，牢固的覆銅和接觸過孔可以在電路板下面提供導熱路徑，如圖 3 所示。 焊盤與穿戴者的皮膚直接接觸，并確保該器件的主要熱源來自被監(jiān)測者。

自發(fā)熱

無論選擇何種傳感元件和布局，鑒于醫(yī)用溫度計的嚴格精度要求，均需要了解器件自發(fā)熱影響。由于所選的傳感元件會發(fā)生電阻損耗，因此始終存在一定程度的自發(fā)熱。TMP117 可配置為單次觸發(fā)模式轉換，并可在連續(xù)讀取之間保持關斷模式，從而最大限度減少自發(fā)熱。TMP117 的單次觸發(fā)特性可以使用可配置數(shù)量的平均讀數(shù)來觸發(fā)各個溫度讀數(shù)。人體溫度通常不會在大約幾秒鐘內(nèi)就出現(xiàn)變化，因此以 10 到 60 秒的間隔讀取這些讀數(shù)足以長時間監(jiān)測患者體溫。此方法還具有延長系統(tǒng)有效電池壽命的額外好處。

系統(tǒng)功率

電源要求將根據(jù)整體系統(tǒng)設計而有所不同，但大多數(shù)無線患者監(jiān)測儀需要有足夠的能量存儲，確保能維持數(shù)年的貨架期，并至少有 48 至 72 小時的有效使用壽命。紐扣電池輕而易舉就能滿足這些能量要求，但它們是完全剛性的，可能會讓患者感到不舒服。在一次性貼片中，基于紐扣電池的解決方案可能非常浪費。

另一種能量存儲選擇是使用薄膜柔性電池。由于這些電池的存儲容量很小，若要使用這些電池，總系統(tǒng)功耗必須極小。如果僅進行間歇性溫度監(jiān)測，使用柔性電池供電的系統(tǒng)可以輕松滿足具體應用的電池要求，可確保數(shù)年的貨架期和 48 至 72 小時的有效使用時間。

進行系統(tǒng)權衡

雖然遵循布局建議對于滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601- 2-56 標準至關重要，但還有其他系統(tǒng)設計注意事項。為了使患者感到舒適，最好將非溫度監(jiān)測器件和射頻區(qū)域 保持在盡可能小的面積內(nèi)。保持電路板的填充區(qū)域緊湊有助于減小監(jiān)測儀上使患者感到僵硬的區(qū)域。

對于射頻通信，任何能在柔性 PCB 上工作的無線協(xié)議都是可行的。由于大多數(shù)可穿戴式患者監(jiān)測儀都希望保持低功耗，因此 TI 建議使用低功耗 Bluetooth^? 無線通信鏈路。如果從監(jiān)測儀發(fā)送的信息只有溫度，則可以將監(jiān)測儀配置為連同其配對 ID 一起廣播溫度讀數(shù)。以這種方式發(fā)送信息消除了建立和維持實際連接的必要，甚至可進一步降低系統(tǒng)功耗。

要獲得有關此主題的更多信息，或有關測量溫度的一般性建議，請參閱表 1 中的相關 TI 內(nèi)容。