群體體溫監控系統的設計與實現

林軍 楊成菊

【摘 要】 近些年不斷出現各種傳染性病毒，體溫是判斷是否感染的一個重要指標。針對群體體溫監控的需要，設計了該款基于ZigBee 的無線網絡體溫監控系統，來代替繁瑣的人工監測，該系統是一種基于TSic506數字型溫度傳感器和ZigBee技術的群體體溫監控系統。被測人手帶特制腕表作為群體體溫監控網絡的采集終端節點，實現對人體體溫、心率等體征數據的采集。本系統數據傳輸可靠穩定，對超出閾值的能及時發現并通知相關人員處理，從而阻斷疑似病例傳播，該系統的實現不僅能極大提高監測人員的工作效率，也能進一步避免人因測試體溫而感染病毒的風險。

【關鍵詞】 群體體溫;ZigBee技術;STM32F嵌入式及傳感器技術;監控系統

體溫是判斷人身體健康好壞的重要依據，也是現在判斷新冠狀病毒病情的一種最常規的方法。目前采集體溫數據的手段大部分還是使用水銀溫度計、體溫槍或者是體溫檢測儀等。

本文針對群體人員溫度采集的需要，設計了以CC2530微處理器芯片為核心，Tsic506數字傳感器為溫度采集芯片的ZigBee無線網絡系統，采用TI公司的Z_Stack和LAREW來搭建系統軟件平臺，通過系統功能測試來實現群體體溫監控。

1群體體溫監控系統總體方案

本系統的總體目標就是利用ZigBee無線網絡技術收集和監測校園內師生的體溫狀況，預防疾病傳播。實現對象以學校為例，群體體溫監控系統所監測的對象是校園內的全體成員，滿足群體監控的要求。系統總體設計給每個學生分配一個腕表作為采集體溫的終端節點，在學校的教室、宿舍等學生常在的場所安裝路由節點作為中繼轉發使用，每棟教學樓和宿舍樓安裝協調器節點以及一臺PC形成獨立無線網絡。

1.1監控系統架構

該體溫監控系統通過體溫傳感器采集數據，經ZigBee無線網絡的終端采集節點、中繼轉發的路由節點以及發起網絡工作的協調器節點再到STM32處理器和PC處理、分析、顯示數據。群體體溫監控系統結構框架如圖1所示。

1.2無線傳感器網絡技術

我們采用ZigBee技術自組網方式，每一個網絡節點之間都是相互連接來實現系統的網絡布局。ZigBee技術主要特點：（1）發射功率在1mV，功耗低。（2）ZigBee協議的復雜度和存儲容量都不高，系統成本大為降低。（3）采用CSMA/CA機制和AES-128加密，可較好穩定數據傳輸。（4）支持65000個節點的無線網絡，可滿足較大網絡需求的覆蓋。（5）ZigBee的啟動和傳輸時間只需15ms的通信延時，不用占據過長的時間。

ZigBee無線網絡所使用的頻段是通用的2.4GHZ、858MHZ，這些頻段都是免許可的頻段。其采用IEEE802.15.4的標準作為ZigBee網絡層和應用層的協議，在每一個ZigBee組成的無線網絡內，連接地址碼分為16bit短地址或者64bit長地址，具有較大的網絡容量，用戶可以通過網絡層進行自己的需求開發。

1.3 ZigBee網絡拓撲結構選取

實際運用中，主要由3種組網構成，分別是星型網、樹型網及網狀型網結構。所設計的ZigBee無線網絡的拓撲結構采用的是點對點形網絡，該網絡根據設置可分為樹形和網形。群體體溫監控系統需要協調器、路由器和采集終端作為它的網絡節點。這三種網絡節點在硬件上是一樣的可以通過軟件改變它的功能屬性。為了使該系統有更好的可行性，保證被測者體溫數據的實時性和準確性，對采集終端進行優化。本系統采用三種監測方式相結合，一種為檢測人員在PC機上直接發送指令給協調器，協調器通過ZigBee網絡傳送給采集終端，采集終端得到指令后采集體溫數據并將其通過路由器上傳;另一種是學生按時使用佩戴設備（采集終端）對自己的體溫進行檢測，采集終端再將數據通過路由器轉發給協調器;最后一種是將終端設置為定時采集。后面兩種可以設置閾值，終端采集的體溫數據不超過閾值的只采集不上傳。

2監控系統的硬件設計

如上所述群體體溫監控系統的總體結構，該結構是由協調器節點、路由器節點和采集終端節點所組成。協調器、路由器和采集終端為同一種設備，它們所發揮的功能由所使用的軟件來設置。設備采用的是ZigBee Pro協議，DZDO_COORDINATOR是協調器功能配置，DRTR_NWK是表示將該設備配置為路由器。

這三類網絡節點硬件上所采用的核心芯片是由IT公司研制的CC2530，該芯片搭載2.4G國際通用頻段，將RF與8051處理器完美集成，收發數據的能力更加穩定、可靠。CC2530內部有12位的D/A轉換器、21個通用I/O端口以及2個全雙工通用同步/異步串行收發模塊。同時可在線編程最大容量可達256KB，能夠支持IEEE802.15.4標準以及多種存儲訪問總線。

2.1終端采集模塊

為了更好實現群體監測的要求，需對采集終端節點進行設計優化，以便使其更加小巧容易使用和攜帶。所以為了減少外設更好實現小型化，模塊不接調試端并采用扣板式的電路板，由于采集終端大部分的時間都在睡眠狀態，工作時間不長，因此采用3V左右的紐扣電池就能長時間使用，也便于組裝。

采集終端節點主要負責體溫的數據采集，通過路由器節點發送至協調器，采集終端節點原理圖、接線圖如圖2、圖3所示。

溫度傳感器模塊又分為數字型和模擬型兩種，模擬型的傳感器將信號通過電壓或者電流經放大電路調制解調來實現溫度的數值，但是這種傳感器體積太大不便嵌入到采集終端模塊中。該系統采用的是IST公司的TSic506溫度傳感器，這款傳感器為單總線數字輸出，傳感器與CPU之間以一次0.1s的速度實現雙向傳輸，一條數據線就可完成。TSic506可測量-50°C至150°C的溫度值，特別在5°C至45°C的測量范圍內其精度更可達到±0.1°C，精度更是高于RTD傳感器。TSic506是一種混合信號的溫度傳感器，需要低噪供電，傳感器體積小供電范圍在3V-5V之間，工作電流很低因而所消耗的功率也非常小，只需要一個紐扣電池供電即可，很適合嵌入到一些低功耗的移動設備中。由于TSic506為IC芯片設計，在與微控制器連接時會受到其他芯片供電時的噪聲影響，因此只要在微控制器端口連接一個PC電路將噪聲濾掉即可。

2.2路由器節點模塊

該系統的路由器節點主要功能是作為中繼轉發使用，采集終端節點通過路由器節點向協調器發送數據，其電路不需要與其他硬件相接，只要在軟件中配置就能工作，因此電路相對簡單。

2.3協調器節點模塊

該系統的協調器節點是整個網絡工作的發起者，通過路由器節點收集采集終端節點數據，是整個網絡數據的匯集點，將協調器節點STM32F控制器和PC通信，通過控制器和PC處理解析數據，協調器節點的框圖和連接圖如圖4，5所示。

協調器節點將接收的信息通過SP1口輸入到STM32F控制器進行處理同時通過串口連接到PC端方便檢測人員查看，當發現所顯示的數據超過設定閾值時控制器會及時發出報警信號示警通知相關人員查看信息及時響應。

3監控系統的軟件設計實現

該系統的軟件開發采用的是IAR Embedded Workbench，IAR System功能強大能滿足多種芯片架構，可按照編程人員設定工作環境。同時利用C語言編程實現ZigBee協議棧的Z-Stack架構。

3.1終端節點軟件實現

協調器選擇一個任意的網絡標識（PANID）來建立網絡，網絡建立后附近的路由器和采集終端向協調器發出信標請求，收到協調器同意加入網絡，終端節點入網流程如圖6所示。采集終端其功能就是采集體溫，其設定工作方式主要有定時采集和接收協調器指令采集，通過路由器發送至協調器節點，由于在設計采集終端時能更加小型化，所以在其不作數據處理直接發送至協調器節點進行處理，采集終端節點軟件流程如圖7所示

3.2協調器節點軟件實現

協調器節點在建立網絡后，通過發送信標幀給臨近的路由器和終端節點等待其請求入網，收到其入網請求后分配1個獨立的網絡地址，對收到的信息發送到STM32控制器進行處理，控制器將處理的信號發送至PC，如果數據超過閾值則會觸發報警提示通知工作人員查看PC端顯示的信息及時處理，協調器節點軟件流程如圖8所示。

4監控系統測試

通過以上的分析和設計，選擇一所學校的教學樓作為系統測試的場所，找到兩個學生帶上腕表進入不同的教室作為體溫監測的終端，將路由器節點放置樓層的走廊處作為信號中繼轉發使用，最后將協調器節點、STM32控制器和PC機放在一間教室中做監控機。

體溫監控系統通過協調器節點發送請求和采集終端定時采集兩種方式進行測試，將系統顯示的體溫與體溫計上顯示的數值對比，體溫監測數據如表1所示。

通過PC端請求指令顯示的體溫和定時采集所顯示的體溫反復與水銀溫度計進行對比，其兩者的誤差值都在+0.1℃之內，滿足測量要求且監控系統在通信和功能上都運行正常。

5結語

本文通過對群體體溫監測的需求和可行性方面進行研究，設計基于ZigBee無線網絡監控系統，搭建PC端監控平臺，通過硬件和軟件的開發對采集終端進行優化，實現了其小型化、低損耗等優點，經過實測分析以及精度對比，發現其能夠很好地滿足群體體溫監控的需求，減輕工作人員繁重的檢測任務和降低被感染的風險，在工作的效率和便捷度上都有明顯的提高，具有較好的實用價值。

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