校園新冠疫情監測系統中監測手環研究與設計

王亞麗，郝傳柱

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

市場上手環是一種常見的智能設備，通常具有記錄用戶運動狀況、檢測健康、與移動設備進行通信等功能，人們可以通過智能手環，獲取自己一天中的步數、能耗、行走里程，還能檢測自己的心率、代謝率、體表溫度和血壓等健康信息，隨著時代的發展，現在市場上的手環還兼具移動支付、和朋友通信等更強大的功能。

學生在校期間學校需每天安排大量人員在教學樓、宿舍、餐廳等地方進行體溫測量，需要耗費更多的工作人員。通過對疫情嚴重性的了解以及國內外智能手環產品的發展現狀進行分析，發現目前已有的智能手環大多在多功能研發、使用范疇等方面進行研究，但未對學生管理領域和交互方式進行總結，且未有大規模體溫監測方面的研究。因而研究設計一款在學校范圍內使用的監測手環。

1 國內外關于智能手環的研究

一個優質智能手環產品的誕生可以作為一種很好的方式來記錄人的身體動作以及健康情況，并將許多附加健康功能加入產品，比如鍛煉情況、睡眠監測、卡路里消耗等持續性功能。

在1972年，美國手表廠商漢密爾頓鐘表推出首款智能手表——Pulsar Time，它可以根據所處環境的光照改變屏幕亮度，并且可以達到“腕上計算”。1982年，日本一家公司推出一款更加智能化的手環，它可以進行編程，可以說是智能手環的“鼻祖”。

直至2019年，智能化已經深入人們的生活，智能手環也已經是各年齡段都在佩戴的產品，功能變得更加豐富，但功能抄襲嚴重，異形造型居多。大多數的手環采用藍牙連接的方式，這種連接方式極不穩定，容易出現斷連的現象。在山東華宇工學院的資源下以及周旭老師和郝傳柱老師的帶領，研究并設計一款能監測體溫和位置且采用Wi-Fi連接的監測手環。

2 校園新冠疫情監測系統中監測手環的設計分析

2020年的新年被一場疫情打攪，全國人民眾志成城，疫情得以控制。但近段時間，多地疫情反反復復出現。在未來一兩年仍存在潛在的隱患，學生的體溫監控及人員流動控制刻不容緩。

2020年春季開學，面對大量的學生，山東華宇工學院安排人員在各個教學樓、餐廳、宿舍等多處地域進行體溫監測，浪費大量人力。目前，市面上出現的智能手環大多是沒有體溫監測功能，即使有這項功能，也沒有辦法達到統一獲取體溫及位置的要求。校園新冠疫情監測系統可以應用在各省中小學、幼兒園及高校，達到能夠及時獲取學生的體溫和位置的目的。

監測手環選用Arduino Nano作為微處理器模塊，Arduino Nano是一款8位微控制的智能芯片，其體積小、功能全面。常用的STC 12C5A60S2雖然價格低廉，易于控制，但其計算速度慢，片上數據資源較少，存儲容量較小，它難以存儲大量的編譯器和軟件，以實現快速而又準確的響應和控制。并且因為時鐘的限制，使得定時精確度不夠，外圍控制電路大大增加系統工作的不便。STC51系列單片機運算處理速度慢，片上數據庫資源少，存儲數據庫容量小，難以對較多的大容量編譯器進行存儲，難以實現快速準確的響應和控制。

心率模塊選用ADS1292模塊，該模塊用于生物電位測量，低功耗、雙通道、24位模擬前端和心率檢測電路。在心電程序的調試過程中，團隊中的調試員以心電信號模擬器作為標準信號，對心電信號進行調試，實時采集并記錄使用者的心電信號和心電信號波形，實現監測手環顯示心率以及手機APP端動態心電圖的顯示。

加速度計等模塊的選擇中鑒于CMPedometer系統最低版本需要是iOS8（部分功能需要iOS9），使用范圍小，因此該計步器使用者的設備具有一定的要求。但是MPU-6050是目前世界上第一個集成的六軸運動信號處理組件，與多組件解決方案產品相比，避免了陀螺儀組合和加速器的時間軸的差異，并且有廣泛的應用范圍。最終選用MPU6050六軸傳感器來實現監測手環的計步功能。計步程序調試時，調試員將模塊固定在手臂上在平地上來回走動，將顯示數據與實際步數進行對比調試；同時在多種真實活動場景中進行測試：平地、上下樓梯以及上下坡統計運動步數，多次進行統計，與實際步數進行比較，進行調試。

溫度傳感測量系統模塊首先選擇一款LMT70測溫模塊，LMT70是一款小巧、精度準確、功耗低的導電互補式金屬氧化物半導體（CMOS）模擬溫度傳感器，具有對溫度信號的準確輸入和輸出檢測性并使用智能引腳。調試過程中先測量冰水混合物的溫度，與冰點0℃作比較，進行校準，再將LMT70傳感器對準測量調試員手腕處溫度，多次測量求取平均值，與標準溫度計實數進行比較，再次進行調試，直至兩者所測溫度誤差在允許范圍之內。

監測手環的總電路校園新冠疫情監測系統的監測手環采用Arduino Nano單片機作為主控芯片，以ESP8266作為主控制器，配以TI的模擬前端芯片ADS1292、六軸傳感器MPU6050、LMT70溫度傳感器等外圍模塊，實現無線運動傳感器節點的設計。監測手環的總電路如圖1所示。

圖1 監測手環總電路

通過騰訊云平臺，將溫度傳感器與GPS芯片收集的學生體溫、位置信息經過手機APP顯示，體溫正常為綠點，體溫超過37.3℃為紅點，學生在規定時間到達校外區域為黃點，這樣管理人員可以實時掌控學生體溫及位置。系統設有數據存儲調用功能，方便對以往數據進行調用查看，有人體溫超標或在隔離期間離開學校區域系統將會報警，通知管理人員進行再次核實。

3 成果展示

監測手環外形如圖2所示，系統先對志愿者成員進行初期測試，效果良好，達到預期效果；其次，擴大試驗范圍，對電氣工程學院的學生進行實時監測，預期效果良好；最后，將系統應用于全校學生，每名學生佩戴“智能之星”，學生可以從手機APP端實時了解自己的體溫狀況如圖3所示。服務器端可以實時獲取在校學生的體溫以及位置，既解決學生忘記體溫打卡的事情，又解決學生私自外出的情況。

圖2 監測手環外形

圖3 手機APP端顯示

監測手環是以NB-loT技術為媒介，利用溫度傳感器與GPS芯片實時收集學生體溫與位置信息，將信息傳送至上位機，實現對在校生體溫及位置的有效檢測。監測手環不僅使用方便、操作簡單，還可省去大量人工并解決人工的低效問題。

4 結束語

與現有的技術相比，校園新冠疫情監測系統監測手環具有以下4個優點：①該系統的監測范圍廣。在同一頻段內，NB-IoT技術比現有的技術網絡接收信號更加靈敏，監測范圍也就更廣，足以覆蓋整個校園；②監測系統續航時間長，應用簡便。應用空中接口信令簡化、PSM、e－DRX等節能技術降低終端模塊的功耗；③性價比高。手環功能特定，僅檢測體溫；④監測系統監測學生數量大。使用NB-IoT技術減少接受指令的數據，信息接入能力增強，可以監測的學生數量大。

目前裝置的初期模型比較大，不便于攜帶。后期將會采用高集成度的SoC芯片，這種新型SoC芯片由于其高集成度的技術和設計解決方案所制造，它具有運動穩定性強、測量精確度高、反應快速以及價格低等優點，使其更加小型化、便攜。