基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)測定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

苗 玥,唐思源,王枝梅

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,內(nèi)蒙古包頭,014040）

基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)測定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

苗 玥,唐思源,王枝梅

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,內(nèi)蒙古包頭,014040）

本系統(tǒng)采用高性能、低功耗的無線收發(fā)射頻芯片和溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理、存儲和查詢及報警定位功能。

物聯(lián)網(wǎng);體溫;傳感器

0 引言

本系統(tǒng)采用傳感器測溫的方式將采集到體溫?cái)?shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)自動上傳至PC上位機(jī)，并保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過瀏覽器獲取檢測實(shí)時體溫，有不正常的體溫時，系統(tǒng)出現(xiàn)報警功能，并且通過傳感器設(shè)備定位體溫異常人員的位置，將異常體溫人員的情況反饋到相關(guān)部門及時進(jìn)行隔離或診治，有助于相關(guān)人員做出快速反應(yīng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到體溫?cái)?shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)的zigbee協(xié)議，將采集到的數(shù)據(jù)利用CC2530無線射頻芯片發(fā)送和接收，通過串口與上位機(jī)相連可以將數(shù)據(jù)接收并存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，由于在上位機(jī)端是以一對多的形式在接收數(shù)據(jù)，所以需要對串口緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，防止被下一次傳送來的數(shù)據(jù)所覆蓋，保證采集數(shù)據(jù)的正確性，設(shè)計(jì)方案如圖1-1所示。

2 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)測定位系統(tǒng)主要有傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、Zigbee協(xié)議及相關(guān)軟件構(gòu)成。

2.1 傳感器

因傳感器節(jié)點(diǎn)比較多，應(yīng)具有尺寸小、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。考慮到成本和體積問題，在節(jié)點(diǎn)的硬件方面，不僅要求成本低廉，而且要求具有低功耗及數(shù)據(jù)處理的能力，具有數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和接收及定位等功能，主要包括無線通信模塊CC2530、數(shù)據(jù)處理模塊MSP430、電源、時鐘、LED 、數(shù)字測溫組成。其中MSP430主要負(fù)責(zé)將體溫測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲， CC2530不對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，主要將封裝的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，同時還負(fù)責(zé)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，接收上位機(jī)傳送的指令。

在測溫模塊中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該芯片具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，引腳簡單，精度高，可方便地進(jìn)行溫度測量等特點(diǎn)。其工作電壓為3～3.5 v，測溫范圍為-55～125℃ ，在-10～85℃時測溫精度為士0.5℃。在體溫采集過程中，體溫傳感器節(jié)點(diǎn)可以靈活的接入和退出，而不會影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，使網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)整性和重構(gòu)性，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器的指令能進(jìn)行體溫監(jiān)測并將采集到的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器。

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件部分主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)傳輸處理、接收上位機(jī)命令和系統(tǒng)休眠五大部分。

2.2 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它通常具有相對于其他節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)大的功能，主要負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)等功能，在網(wǎng)絡(luò)建立形成后，還可以執(zhí)行相應(yīng)的路由功能，可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)等功能。通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)管理和調(diào)度各傳感器節(jié)點(diǎn)的工作，其運(yùn)行直接影響無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，判斷是網(wǎng)絡(luò)地址還是數(shù)據(jù)，若是傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址，與傳感器節(jié)點(diǎn)之間建立起通信鏈路，把該地址存儲在網(wǎng)絡(luò)地址表里；若是傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，則以一定格式把傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)組裝成信息幀，通過USB接口上傳到上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2530F256芯片，該芯片具有串口模塊、晶振模塊、LED 指示燈、電源模塊OLED 顯示模塊、CC2591 模塊，256KB 可編程閃存。通訊接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232，將收集的數(shù)據(jù)通過UART轉(zhuǎn)USB通信電路上傳到計(jì)算機(jī)，通過上位機(jī)的軟件管理模塊可以將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 路由器節(jié)點(diǎn)

路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。路由節(jié)點(diǎn)將采集到的已按照數(shù)據(jù)幀格式封裝的體溫?cái)?shù)據(jù)層層轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。路由器是網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備，可以選擇已有網(wǎng)絡(luò)加入，允許傳感器節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有路由啟動和修復(fù)功能，為了降低成本盡量減少路由器的數(shù)量，根據(jù)實(shí)際需求而確定。

2.4 無線通信協(xié)議

圖1 -1 系統(tǒng)總體框圖

常用的通信協(xié)議有藍(lán)牙、第三代移動通信、ZigBee、wifi等。其中ZigBee協(xié)議是一種近距離、低功耗、經(jīng)濟(jì)、高效的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。相對于其他無信通信協(xié)議來說，ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，占用資源少，更容易實(shí)施。ZigBee具有功耗低，發(fā)射功率僅為1mw，所以傳感器節(jié)點(diǎn)可以采用普通電池也能工作很長時間；ZigBee提供了128位高級加密標(biāo)準(zhǔn)安全措施及CSMA/CA信道訪問機(jī)制，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕籞igBee采用自組網(wǎng)通信，支持星型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用樹狀結(jié)構(gòu)底層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有16位網(wǎng)絡(luò)地址，最多容納65000多個節(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件組成

3.1 上位機(jī)軟件模塊

上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲及命令發(fā)送等功能。首先接收由協(xié)調(diào)器與PC上位機(jī)相連的USB轉(zhuǎn)UART接口模塊采集到的數(shù)據(jù)，并按協(xié)議幀的格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將解析過的數(shù)據(jù)利用C/S模式的串口通信軟件保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；通過串口通信軟件可以把數(shù)據(jù)庫中的命令發(fā)送到傳感器終端。在此基礎(chǔ)上可以利用基于B/S模式的Web客戶端對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析和處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程體溫實(shí)時監(jiān)測和體溫異常監(jiān)測及歷史體溫查詢等操作。

為避免數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)時被覆蓋，需要對串口進(jìn)行管理和編程。在編程實(shí)現(xiàn)過程中采用了Serialport類，SerialPort類串口數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作有很大的不同。對于串口的讀取操作有線程實(shí)時讀串口和事件觸發(fā)兩種方法，前者要不斷進(jìn)行輪詢，效率不高，所以采用事件觸發(fā)的方式進(jìn)行。由于串口不知道數(shù)據(jù)何時到達(dá)，只要有數(shù)據(jù)到達(dá)時就觸發(fā)DataReceived事件，通過調(diào)用ReadExisting方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，使用Write方法把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)。

在上位機(jī)管理軟件開發(fā)中主要采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，該管理軟件的功能還有查看整個傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在查看某個節(jié)點(diǎn)的時，只需點(diǎn)擊某個節(jié)點(diǎn)即可顯示地址、位置、實(shí)時溫度值及歷史體溫?cái)?shù)據(jù)曲線。此外還有節(jié)點(diǎn)配置模塊，主要實(shí)現(xiàn)的功能是將學(xué)生信息與終端節(jié)點(diǎn)信息綁定，路由節(jié)點(diǎn)信息與宿舍號綁定，方便我們查詢相關(guān)信息。此外，還用到了ADO.NET技術(shù)，它是微軟公司提供訪問數(shù)據(jù)庫的一組類庫，主要包含數(shù)據(jù)庫提供程序Provider和DataSet兩個成員，利用提供程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接及對數(shù)據(jù)庫執(zhí)行增加、刪除、修改、查詢等操作，通過DataSet可以實(shí)現(xiàn)斷開式連接，這種方式降低了對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器訪問的負(fù)荷。

3.2 基于B/S模式的體溫在線監(jiān)控模塊

在規(guī)定的時間段內(nèi)，通過測溫終端對學(xué)生進(jìn)行體溫測定，并自動將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器的串口將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過瀏覽器及時監(jiān)控和定位異常體溫的學(xué)生。主要實(shí)現(xiàn)的功能是用戶管理、異常報警、歷史查詢、實(shí)時監(jiān)控等幾個方面。可以查看某個學(xué)生的歷史體溫信息，通知學(xué)生重測體溫，獲取學(xué)生位置和某個學(xué)生最近的體溫曲線統(tǒng)計(jì)圖等基本信息；能夠查詢異常學(xué)生體溫、位置，并把異常學(xué)生的信息發(fā)給相關(guān)管理員或醫(yī)護(hù)人員，對異常學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)護(hù)和隔離，防止出現(xiàn)交叉感染。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)定位設(shè)計(jì)

在定位方面，需要三種設(shè)備，分別是參考節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、需要定位的節(jié)點(diǎn)；還需要基于信號強(qiáng)度的測量參數(shù)RSSI。RSSI是指無線射頻芯片中發(fā)射的信號強(qiáng)度，在基于RSSI的測距機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號的強(qiáng)度，計(jì)算出信號的傳播損耗，利用理論模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的CC2530具有一個定位引擎硬件核心，其功能主要是計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。定位過程首先要進(jìn)行測距，由于定位節(jié)點(diǎn)的位置在定位區(qū)域是變化的，需要通過RSSI傳播模型測量每個參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的距離；利用定位算法計(jì)算出定位節(jié)點(diǎn)的位置，然后該定位節(jié)點(diǎn)把計(jì)算的位置信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過串口傳給上位機(jī)存儲定位節(jié)點(diǎn)的位置。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)測定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線測量，提高了測溫效率，降低感染率，增強(qiáng)安全性；本文通過使用傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上，可以對體溫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對于超過上限溫度進(jìn)行自動報警，起到了實(shí)時監(jiān)控的作用。

[1] 苗玥.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在學(xué)生體溫監(jiān)測定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[j].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014.9

[2] 鄭進(jìn)媛.基于WSN的可穿戴式生命特征監(jiān)護(hù)設(shè)備的研制[D].重慶:重慶大學(xué)，2008.

[3] 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.

[4] 章偉聰.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[j]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2011.07

[5] 楊琳.基于CC2430的無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012

苗玥，（1973.9）內(nèi)蒙古包頭人，副教授，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)編程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

The internet of things technology application research in the student body temperature monitoring and positioning system

Miao Yue,Tang Siyuan,Wang Zhimei
(Department of Computer Science And Technology,Baotou Medical College,Baotou 014040, Neimenggu,China)

This system adopts the high performance and low power wireless transceiver rf chip and temperature sensors for data acquisition and sending and receiving,can realize the data real-time processing,storage and query and positioning alarm function.

Internet of things;body temperature;sensor

TP393

A

本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究資助項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：“基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)控定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”，項(xiàng)目編號： NJZY13251