基于物聯網的健康數據監測及新冠肺炎預警系統設計

蔡旭，曹海娟

（山東英才學院 工學院，山東濟南，250104）

0 引言

居民日常的體溫監測等對身體指標的掌握與了解成為疫情防控的一種重要手段。如今進入通信技術和監測技術迅速發展的新時期，醫療監測手段想要進行持續的改良和發展，就要利用物聯網技術對傳統手段進行智能優化和改造,從而使得監測到的信息更加精確和及時，以便確保能夠第一時間就醫治療和居家隔離。

本文研究的是一款基于物聯網的健康數據監測及新冠肺炎預警系統，其集成體溫測試、肺活量測試和通信上報手機系統，通過對人體體溫的紅外測量 以及人體其他指示量的測量，用來監測人體健康情況，并將數據采用 NB-IoT 無線通信技術將接收到的數據傳至 IoT 云平臺，發送到移動基站，信息傳輸到手機，從而可以起到自我監控及時預防的效果，有助于個人能根據相關數據對患者進行疾病的預防和診斷，及時采取有關措施，可有效維護人們的身體健康和生命安全[1]。

1 系統設計方案

1.1 數據采集部分

該部分包括由主控制器為 STM32單片機、健康數據（體溫等）監測的傳感器模塊和 GPS 傳感器、警示燈、提供能量的電源模塊、WIFI無線通信模塊等組成的終端。其中，健康數據監測傳感器模塊和 GPS 傳感器將采集到的人體溫度和位置信息實時進行記錄并數據存儲在控制器中。通過查閱相關治療可知，感染新冠肺炎病毒的病人在感染初期身體會有一定的預警反應，其中當人體體溫高于37.3℃為新型冠狀肺炎疑似感染的預警體溫；因此，我們在該部分設計一定的溫度閥值，當溫度傳感器檢測到體溫已經高于特定閥值溫度（高于37.3℃），系統將該溫度上傳，由上層給出指示，進行數據處理。

1.2 通信部分

由下層數據采集所獲取的數據，根據一定算法進行解析，再將解析過的相應數據通過 NB-IoT 通信模塊發送到移動 NB-IoT基站，由基站經由核心網轉發至中國移動的 One NET 云平臺。該部分作為將物聯網與窄帶通信技術的核心，作為采集部分和用戶應用部分互相通信的中間環節，主要負責了對數據上傳，能夠使相應數據出現在云平臺，并對相應的數據進行平臺內的存儲，不會造成對所采集的數據的流失，同時也把采集部分相關閥值信息進一步的移交到用戶與應用部分，以便進行后續系統的運行以及管理人員對有關數據的處理[2]。該部分系統架構如圖1所示。

圖1 數據通信部分原理圖

1.3 用戶與應用部分

該部分的所有數據和信息接收于來自云平臺的實時數據，并配置相關傳感器資源參數，將數據從OneNET云平臺轉至監測系統的設計好的負責用戶群進行查看的APP上，管理人員可以通過操作界面對健康監測系統進行實時監控，對數據進行提取調用和下行命令轉發，并由APP平臺對數據進一步的存儲和分析處理，最終實現對資源信息的訂閱和調度，便利了對有關信息的掌握。

2 硬件選擇與軟件設計

2.1 硬件選擇

（1）STM32單片機

該系統設計采用STM32F103RCT6，是一種芯體規格是32位的嵌入式微控制器的集成電路(IC)，多種外設與接口，可以實現低差動信號的最高精度測量，實現更高性能與更高精度。STM32F103RCT6 可充分滿足需要監控短路等突變并根據需求迅速采取矯正措施的應用[3]。

該器件還可取消高共模電壓應用中的多個隔離器或電源，從而可減少組件數量，提高穩定性，簡化系統設計。并且該板支持WIFI無線通信模塊和溫度和定位模塊，在一定的范圍內實現無線信息傳輸，有更快的響應時間，提高了系統性能；該板是操作較為簡單的嵌入式開發板，性價比高，可用于物聯網系統的開發上。

（2）溫度傳感器

該系統采用了適配于STM32的DS18B20溫度傳感器,是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，該傳感器溫度測量范圍為 -55℃～+125℃，測量誤差僅為±0.5℃，同時具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點,其獨特的單線接口方式，使得DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現雙向通信。

（3）GPS傳感器

系統里的GPS傳感器采用了Air530 模塊，具有高性能、高集成度的特點，并且支持多種衛星導航系統，包括中國的 BDS（北斗衛星導航系統），美國的 GPS，俄羅斯的 GLONASS，歐盟的 GALILEO，日本的 QZSS 以及衛星增強系統 SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。AT6558 是一款真正意義的六合一多模衛星導航定位芯片，包含 32 個跟蹤通道，可以同時接收六個衛星導航系統的 GNSS 信號，并且實現聯合定位、導航與授時。該模塊適用于車載導航、手持定位、可穿戴設備多模衛星定位導航、體積小、功耗低，可用于車載導航、智能穿戴、無人機等 GNSS 定位的應用中。而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開發周期。采用了射頻基帶一體化設計，而且也集成了射頻前端、基帶處理、RAM、FLASH 存儲、RTC 和電源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信號的地方，也能快速、準確的定位。使用該模塊可以清晰的且精準的定位到目標。

（4）WiFi模塊

該系統采用了ESP8266-01S無線模塊，該模塊為低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，擁有業內極富競爭力的封裝尺寸超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi 無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。另外ESP8266是有寄存器的，所以即使重啟連接信息也不會丟失，重啟后再查詢，發現后會重新進行自動連接。所以我們在使用前會進行檢測工作即使用電腦ping一下這個ip，如果發現ip是可以ping通的，說明連接正常。反之再進行調試操作。

2.2 軟件設計

（1）操作系統的配置

圖2 硬件部分設計電路圖

STM32和ESP8266開發板選擇使用C語言作為開發語言且加入FreeRTOS操作系統進行多任務管理，降低模塊（傳感器，控制）間的耦合性，同時便利了增刪模塊等功能，提高開發效率。利用FreeRTOS操作系統中添加和拓展傳感器模塊。現以溫度傳感器為例，通過自定義溫度傳感器的topic，聲明一種temperature任務，調整好任務的堆棧大小、確認所傳遞的溫度參數。在得到創建任務成功指令后，進一步添加溫度傳感器驅動。同時為了防止系統內部的數據傳輸造成的數據沖突，這里我們又設置了在服務器連接以ping心臟包30s發送模式事件發生時可以執行此任務的設定，否則將掛起任務，不予執行；為了可以起到所做操作程序且能夠進行數據的采集而間斷不以過長，使每獲取兩次數據時等候進行相應指令操作的等待時間較短的設定，這里通過邏輯語段設置了使得溫度得傳感器能夠每隔10s（+0.5s）采集一次數據，起到了采集數據延遲較小的作用。配置程序如下所示[4]：

（2）OneNET云平臺的配置與應用設置

通過OneNET控制臺進行平臺創建，同時使用 MQTT通信協議將所有設備接入OneNET 平臺，這里使用的MQTT協議是所開發的即時通訊協議，是現在網絡連接的主要選擇，成為了進行物聯網操作的重要組成部分。同時該協議支持所有平臺，可以實現所有聯網物品和外部的整體連接。 進入云平臺應用層進行應用添加與編輯，當傳感器所得測試數據通過上傳后進行配置，這時由MQTT進行介紹發送處理任務，即處理發送緩沖區的數據和處理接收緩沖區的數據，并選擇相應數據流，使其回顯給串口助手接收的數據，能在云平臺進行實時顯示與記錄，以達到數據存儲和后續分析的效果。若接收的緩沖區有服務命令，則將傳感器采集數據移交至命令緩沖區。

（3）topic與命令配置

用戶應用層創建APP的topic需要對系統必要的溫度，定位等傳感主題進行配置添加，訂閱App發布相關topic，同時發布本地模塊狀態topic，對控制命令以及控制模塊進行初始態設置，使得APP能夠實時獲得設備狀態并獲取管理員命令，并對MQTT消息進行解碼，根據需求修改字符判定。這里設計了相應程序，需要判斷是否已經連接APP應用的客戶端上，一旦顯示錯誤，自動退回接收信息步驟。APP應用與數據管理層的相應框架如圖3所示。

圖3 APP應用和數據處理層框架圖

（4）上位機系統數據顯示部分

在上位機的系統界面為了便利和可操控強以及實時的特點，我們利用了MSConm、MSFlexGrid插件和Timer插件結合，實現在串口調試的上位機之上，接收來自串口所監測和發送的溫度，和位置信息的相應數據包，并連接了相應數據庫，在系統的區域內進行顯示。該上位機部分集合了連接和斷開的功能，可以實現系統隨時開關進行監測的功能特點；監測數據顯示模塊下方有體溫的相應監測口，實時進行體溫測量，并把數據發送到云平臺進行儲存；同時，該監測界面添加了經度和緯度，以及電子實時地圖界面，提高了定位的精準性，為疫情監測和防控等方面提高了效率。

3 結論

本文基于OneNET云平臺設計健康數據監測及新冠肺炎預警系統，利用MQTT通信協議將數據采集部分傳感器所采集的相應數據上傳至云平臺，并建立APP，通過遠程的操控與管理，實現對人群的實時監控和預警。在設計方面，利用了STM32和Esp8266開發板，并融入了FreeRTOS操作系統進行多任務管理，降低模塊（傳感器，控制）間的耦合性，同時便利了增刪模塊等功能，提高開發效率，降低了開發成本，也使得管理層的操作更加便捷，對于疫情的監測起到很大的作用，使得問題能及時有效的解決，病情能即使有效的進行治療和隔離。該系統應用效率高于人工檢測的效率，同時有效降低了監測時的錯誤率。

圖4 APP系統應用界面顯示圖