基于物聯網的學生體溫監測定位系統的研究與實現

苗 玥,唐思源,王枝梅

（內蒙古科技大學包頭醫學院計算機科學與技術系,內蒙古包頭,014040）

基于物聯網的學生體溫監測定位系統的研究與實現

苗 玥,唐思源,王枝梅

（內蒙古科技大學包頭醫學院計算機科學與技術系,內蒙古包頭,014040）

本系統采用高性能、低功耗的無線收發射頻芯片和溫度傳感器進行數據的采集和收發，能夠實現數據的實時處理、存儲和查詢及報警定位功能。

物聯網;體溫;傳感器

0 引言

本系統采用傳感器測溫的方式將采集到體溫數據，通過無線網絡自動上傳至PC上位機，并保存到數據庫服務器中，遠程監控人員通過瀏覽器獲取檢測實時體溫，有不正常的體溫時，系統出現報警功能，并且通過傳感器設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部門及時進行隔離或診治，有助于相關人員做出快速反應。

1 系統設計方案

本系統主要有三部分構成：數據采集模塊、無線通信模塊和數據處理模塊。傳感器節點采集到體溫數據，通過無線網絡的zigbee協議，將采集到的數據利用CC2530無線射頻芯片發送和接收，通過串口與上位機相連可以將數據接收并存儲在數據庫服務器中，由于在上位機端是以一對多的形式在接收數據，所以需要對串口緩沖區進行數據處理和分析，防止被下一次傳送來的數據所覆蓋，保證采集數據的正確性，設計方案如圖1-1所示。

2 系統組成

基于物聯網的學生體溫監測定位系統主要有傳感器、路由器、協調器、Zigbee協議及相關軟件構成。

2.1 傳感器

因傳感器節點比較多，應具有尺寸小、功耗低、適應性強等特點。考慮到成本和體積問題，在節點的硬件方面，不僅要求成本低廉，而且要求具有低功耗及數據處理的能力，具有數據采集、發送和接收及定位等功能，主要包括無線通信模塊CC2530、數據處理模塊MSP430、電源、時鐘、LED 、數字測溫組成。其中MSP430主要負責將體溫測量的數據進行模數轉換和存儲， CC2530不對數據進行加工，主要將封裝的數據進行發送，同時還負責加入協調器建立的網絡，接收上位機傳送的指令。

在測溫模塊中采用數字溫度傳感器DS18B20，該芯片具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，引腳簡單，精度高，可方便地進行溫度測量等特點。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，體溫傳感器節點可以靈活的接入和退出，而不會影響網絡的穩定性，使網絡具有調整性和重構性，傳感器節點根據協調器的指令能進行體溫監測并將采集到的數據傳到協調器。

傳感器節點軟件部分主要包括初始化、數據采集處理、數據傳輸處理、接收上位機命令和系統休眠五大部分。

2.2 協調器

協調器節點主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成。協調器節點是整個網絡的主要控制者，它通常具有相對于其他節點更強大的功能，主要負責發起建立新的網絡、設定網絡參數、管理網絡中的節點等功能，在網絡建立形成后，還可以執行相應的路由功能，可以參與路由發現、消息轉發、允許其他節點加入網絡等功能。通過協調器節點管理和調度各傳感器節點的工作，其運行直接影響無線網絡系統的穩定性。協調器接收到數據后，判斷是網絡地址還是數據，若是傳感器的網絡地址，與傳感器節點之間建立起通信鏈路，把該地址存儲在網絡地址表里；若是傳感器采集的數據信息，則以一定格式把傳感器節點采集到的體溫數據組裝成信息幀，通過USB接口上傳到上位機。協調器節點采用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。通訊接口采用標準的RS232，將收集的數據通過UART轉USB通信電路上傳到計算機，通過上位機的軟件管理模塊可以將收集的數據進行統計分析。

2.3 路由器節點

路由器節點主要負責數據轉發，不承擔數據采集任務。路由節點將采集到的已按照數據幀格式封裝的體溫數據層層轉發到協調器節點，路由節點與終端節點之間進行通信。路由器是網絡的中間設備，可以選擇已有網絡加入，允許傳感器節點加入或離開網絡，具有路由啟動和修復功能，為了降低成本盡量減少路由器的數量，根據實際需求而確定。

2.4 無線通信協議

圖1 -1 系統總體框圖

常用的通信協議有藍牙、第三代移動通信、ZigBee、wifi等。其中ZigBee協議是一種近距離、低功耗、經濟、高效的無線通信標準。相對于其他無信通信協議來說，ZigBee協議結構簡單，占用資源少，更容易實施。ZigBee具有功耗低，發射功率僅為1mw，所以傳感器節點可以采用普通電池也能工作很長時間；ZigBee提供了128位高級加密標準安全措施及CSMA/CA信道訪問機制，可以保證數據傳輸的安全性；ZigBee采用自組網通信，支持星型、樹型、網狀網絡等拓撲結構，本系統采用樹狀結構底層網絡的拓撲結構，有16位網絡地址，最多容納65000多個節點。

3 系統軟件組成

3.1 上位機軟件模塊

上位機主要完成數據的采集、數據存儲及命令發送等功能。首先接收由協調器與PC上位機相連的USB轉UART接口模塊采集到的數據，并按協議幀的格式對數據進行解析，將解析過的數據利用C/S模式的串口通信軟件保存到服務器數據庫中；通過串口通信軟件可以把數據庫中的命令發送到傳感器終端。在此基礎上可以利用基于B/S模式的Web客戶端對數據庫服務器中的數據進行實時分析和處，實現遠程體溫實時監測和體溫異常監測及歷史體溫查詢等操作。

為避免數據傳送到上位機時被覆蓋，需要對串口進行管理和編程。在編程實現過程中采用了Serialport類，SerialPort類串口數據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時讀串口和事件觸發兩種方法，前者要不斷進行輪詢，效率不高，所以采用事件觸發的方式進行。由于串口不知道數據何時到達，只要有數據到達時就觸發DataReceived事件，通過調用ReadExisting方法來實現數據的讀取，使用Write方法把數據寫到緩沖區。

在上位機管理軟件開發中主要采用面向對象技術，該管理軟件的功能還有查看整個傳感器節點的網絡拓撲結構，在查看某個節點的時，只需點擊某個節點即可顯示地址、位置、實時溫度值及歷史體溫數據曲線。此外還有節點配置模塊，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。此外，還用到了ADO.NET技術，它是微軟公司提供訪問數據庫的一組類庫，主要包含數據庫提供程序Provider和DataSet兩個成員，利用提供程序可以實現數據庫的連接及對數據庫執行增加、刪除、修改、查詢等操作，通過DataSet可以實現斷開式連接，這種方式降低了對數據庫服務器訪問的負荷。

3.2 基于B/S模式的體溫在線監控模塊

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。主要實現的功能是用戶管理、異常報警、歷史查詢、實時監控等幾個方面。可以查看某個學生的歷史體溫信息，通知學生重測體溫，獲取學生位置和某個學生最近的體溫曲線統計圖等基本信息；能夠查詢異常學生體溫、位置，并把異常學生的信息發給相關管理員或醫護人員，對異常學生進行重點監護和隔離，防止出現交叉感染。

3.3 無線網絡定位設計

在定位方面，需要三種設備，分別是參考節點、協調器節點、需要定位的節點；還需要基于信號強度的測量參數RSSI。RSSI是指無線射頻芯片中發射的信號強度，在基于RSSI的測距機制中，發射節點發射信號，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論模型將傳輸損耗轉化為距離。其中協調器節點中的CC2530具有一個定位引擎硬件核心，其功能主要是計算無線傳感器網絡中定位節點的位置坐標。定位過程首先要進行測距，由于定位節點的位置在定位區域是變化的，需要通過RSSI傳播模型測量每個參考節點和定位節點的距離；利用定位算法計算出定位節點的位置，然后該定位節點把計算的位置信息發送給協調器，通過串口傳給上位機存儲定位節點的位置。

4 結語

基于物聯網的學生體溫監測定位系統實現了無線測量，提高了測溫效率，降低感染率，增強安全性；本文通過使用傳感器及無線網絡將采集到的溫度數據上傳到上位機上，可以對體溫進行實時監控，對于超過上限溫度進行自動報警，起到了實時監控的作用。

[1] 苗玥.物聯網技術在學生體溫監測定位系統中的應用研究[j].網絡安全技術與應用，2014.9

[2] 鄭進媛.基于WSN的可穿戴式生命特征監護設備的研制[D].重慶:重慶大學，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協議棧設計無線網絡傳感器節點[j]計算機系統應用, 2011.07

[5] 楊琳.基于CC2430的無線溫度測量系統設計[D].西安：西安工業大學，2012

苗玥，（1973.9）內蒙古包頭人，副教授，碩士研究生，主要研究領域：計算機應用、網絡編程、物聯網技術。

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

本文系內蒙古自治區高等學校科學研究資助項目，項目名稱：“基于物聯網的學生體溫監控定位系統關鍵技術研究”，項目編號： NJZY13251