物聯網技術在學生體溫監測定位系統中的應用研究

苗 玥 王潤文 邢俊鳳

（1.內蒙古包頭醫學院計算機科學與技術系 內蒙古 014040；2.內蒙古包頭師范學院計算機科學與技術系 內蒙古 014040）

0 引言

近些年來，因各種流感病毒引起的疾病層出不窮，如何高效控制這些疾病的傳播成為全世界共同探討的問題。而這些疾病在發病期間常伴有發燒發熱現象，因此體溫實時測量和監控顯得尤為重要。校園是人群居住比較密集的地方，成為傳染性疾病爆發的高危區。目前，學校普遍采取人工或集中式測量方式，這些方式在發現疑似病例和及時處理的實時性方面較差，不僅耽誤了治療時間，還會增加醫護和其他測量人員被感染的幾率。

物聯網技術應用比較廣泛，主要應用在環境檢測、智能交通、醫療護理、城市建設、農業、工業自動化、智能電網等領域。當前，世界各國的物聯網基本都處于技術研究與試驗階段：美、日、韓、歐盟等國都投入巨資深入研究探索物聯網，并啟動了以物聯網為基礎的國家性區域戰略規劃[1～5]。我國物聯網的研究已經納入重點產業振興計劃中，2010年《政府工作報告》中，再次指出：將“加快物聯網的研發應用”。

《物聯網白皮書（2011）》認為：物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡的延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互連，進行計算機、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物的信息交互和無縫連接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的[6]。

隨著無線網絡技術的不斷發展與成熟，無線測溫系統的研發在國內外都獲得較好的成果。傳統的有線體溫監測系統中，采用有線傳輸方式將溫度傳感器通過分線器與主控機相連。這樣必然導致系統布線復雜、成本高、故障率高并且難以維護、系統可擴展性差以及移動性能差等缺點?；谶@種情況，提出了本項目的研究，采用物聯網技術實現無線溫度測量和定位。

1 基于物聯網的學生體溫監測定位系統的設計和實現

該系統通過無線傳感器采集到體溫數據，并自動上傳至匯聚節點，通過節點的串口將數據傳至 PC機，并保存到數據庫服務器中，遠程監控人員通過瀏覽器可以隨時獲得體溫數據，有不正常的體溫時，系統出現報警功能，并且通過紅外傳感器設備定位體溫異常學生的位置。

1.1 技術路線

本系統的建設采取如下總體技術思路，兼并考慮平臺的整體性與可擴充性，具體解決問題及路線如圖1所示[7]。

（1）構建軟件平臺：本系統采用主流VS平臺、大型關系數據庫技術、現代網絡通訊技術，充分考慮網絡環境開放性的基礎上，形成完備、準確的實時體溫監控定位系統。

（2）采用面向對象的軟件設計思想：在軟件開發技術中，面向對象的軟件開發技術成為當今主流。本平臺的建設與開發將采用面向對象的軟件工程方法。

（3）面向服務的軟件架構（SOA）的應用：系統軟件架構將盡可能采用面向服務的軟件架構 SOA（Service-Oriented Architecture）。系統設計與開發過程中盡可能將系統應用程序功能封裝和發布為Web服務（Web Service），通過服務注冊和服務目錄，提供Web服務，使系統的功能可以采用松耦合的方式實現集成，并使平臺具有可擴展性。

圖1 技術路線圖

1.2 系統結構

（1）下位機部分

本系統采用樹狀結構底層網絡的拓撲結構，主要采用基于ZigBee傳辦輸協議的無線傳感網絡，其中每個體溫測量終端節點負責采集數據，終端節點之間沒有數據通信；終端節點與無線傳感器之間進行無線通信，將數據轉發到路由節點，然后通過無線傳通信的方式將采集的數據及物理地址通過無線傳感器轉發到協調器，協調器是計算機與無線傳感網絡的接口。

（2）上位機部分

協調器通過串口RS232將數據發送到PC機，在PC機上利用C/S模式的軟件對采集的數據進行加工處理后，保存到服務器的數據庫。在此基礎上可以開發出基于B/S模式的Web客戶端，主要功能可以實現遠體溫實時監測和體溫異常監測及歷史體溫查詢等操作。

1.3 軟件主要模塊

在需求分析的基礎上確定了總體的工作方案，在規定的時間段內，通過測溫終端對學生進行體溫測定，并自動將數據上傳到協調器，通過協調器的串口將數據保存到數據庫服務器中，遠程監控人員通過瀏覽器及時監控和定位異常體溫的學生，具體功能模塊如圖所示：

（1）體溫采集數據存儲模塊：數據存儲模塊用于把數據存儲在服務器端；

（2）節點配置模塊：主要實現的功能是將學生信息與終端節點信息綁定，路由節點信息與宿舍號綁定，方便我們查詢相關信息。在信息綁定的過程中，管理員可以對這些綁定信息進行增加、刪除、修改、查看等基本操作。

（3）報表生成模塊：用于顯示學生的歷史體溫數據；對歷史數據的管理功能"主要實現的功能是查看單個學生的歷史體溫信息，通知單個學生重測體溫，重新獲取學生位置和單個學生最近一周內的體溫曲線統計圖等基本信息。

（4）基于B/S結構的報警模塊：用于顯示異常學生體溫、位置等相關信息。

2 數據庫設計

本系統主要采用 SQLServer2008來進行軟件數據庫的設計，SQLServer2008具有分布式處理數據和強大的數據庫管理的功能。在設計數據庫時盡量采取減少數據冗余的原則和各張表之間盡可能關系簡單的原則進行，盡量做到便于功能擴展和維護[8～9]。本系統中設計的表有學生信息表（ID、姓名、專業、年級、宿舍號、輔導員等基本信息）、路由節點信息表（宿舍號和路由節點基本信息）、用戶表（ID、姓名、密碼）、溫度表（溫度、時間和路由節點信息）、報警表（溫度、節點信息、日期、報警類型）、溫度限度表（上限值、下限值、連接信息等）。

3 系統解決的主要問題

（1）網絡拓撲結構：根據學校宿舍的布局，構建合適的網絡結構，需要考慮傳輸距離和覆蓋范圍，本系統采用樹形拓撲結構。通過對比不同的無線傳輸網絡協議，需要采用Zigbee無線網絡協議，該協議具有射頻傳輸成本低，功耗低等特點。在原有 Zigbee 協議?；A上進行修改后，設計出適合本系統的應用程序，主要包括節點組網程序、數據傳輸程序、數據采集程序和串口通信程序等。

（2）終端節點設計：在本項目中需要的硬件分別有終端節點、路由器、協調器及 PC機等。終端節點的功能主要負責數據采集及處理和紅外定位功能，其主要的硬件包含溫度采集模塊、紅外檢測模塊、無線射頻芯片、數據處理芯片、液晶顯示模塊及電源模塊。因為終端節點數目比較多，所以要考慮成本問題及體積問題，節點的硬件成本要低廉，要具有低功耗的特點及數據處理的能力。此外，考慮到在實際應用中，不止采集溫度值，可能還要采集更多的數據參數比如心跳、呼吸等，在設計終端節點時預留接口以備系統擴充使用。

（3）傳輸信號：在信號傳輸方面，考慮到障礙物會對信號傳輸過程有阻礙作用，信號會出現丟包現象，所以在終端節點的無線射頻模塊中使用 CC2530芯片。其具有支持IEEE802.15.4 協議、超低電流消耗和高速的數據傳輸速率等多方面優點。

（4）定位算法設計：接收節點根據發射節點的發射信號強度和收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳播損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。通過綜合考慮節點規模、成本和精度要求，本項目采取與距離無關的基于RSSI的定位算法。

（5）軟件設計：在硬件系統的基礎上對系統軟件進行分類設計，本系統主要有數據采集和業務服務兩個平臺構成。其中數據采集平臺中的溫度采集模塊可以對體溫進行采集。業務服務平臺是整個系統的核心。業務服務平臺包括的主要涉及有：用戶管理、節點管理、異常報警、歷史查詢、實時監控等幾個方面。

4 結語

通過本系統的研制，不僅解決了一次只能測量一個人的體溫問題，而且可以降低測量的勞動量，提高測溫效率，降低感染率，增強安全性；通過本課題的研究，不僅真正起到實時監控體溫的作用，而且還可以進一步探索和拓展物聯網技術的應用，具有一定的理論意義和實用價值。

[1]侯培國，雷巧玲.基于無線傳感器網絡的空氣質量監測系統[j].工業儀表與自動化裝置，2009（3）：109-112.

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[5]YuSN，ChengJC.Awireless Physiologial Signal Monitoring System with Integrated Bluetooth And Wi-Fi Technologies[J].Annual International Conference of the IEEE，2005.1（4）：2203-2206.

[6]工業和信息化部電信研究院.物聯網白皮書（2011）.

[7]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010，37（6）：1-10．

[8]鄧良松，劉海巖，陸麗娜.軟件工程[M].西安電子科技大學出版社，2004.6.

[9]薩師煊，王珊.數據庫系統概論[M].高等教育出版社，2006.5.