基于物聯(lián)網(wǎng)的校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志涵，伯 磊，王雪蓓，路原野，馬一然

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

2020年新冠疫情爆發(fā)，對(duì)全球社會(huì)造成了巨大的危害，靠社會(huì)基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的人類行為面臨著前所未有的沖擊和挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)中央政府的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)、全國(guó)人民的不懈努力，目前我國(guó)在一定程度上已經(jīng)較好地遏制住了疫情的蔓延，但不可否認(rèn)，我們依然將長(zhǎng)期處于疫情常態(tài)化的大環(huán)境下。

控制疫情最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于如何減少人員聚集，而學(xué)校作為防控的關(guān)鍵一環(huán)，其人員自由度大，可以在任意位置自由聚集，分布情況多呈現(xiàn)小范圍集中分布的特點(diǎn)，這無(wú)疑不利于疫情的防控。因此獲取校園各關(guān)鍵場(chǎng)所人員密集程度，依據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘生成直觀的可視化出行參考意見(jiàn)，對(duì)于校園防控智能化尤為重要。

基于上述理念，本文以STM32F429為主控芯片、以LoRa無(wú)線通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)通信基礎(chǔ)、以校園人流量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)為監(jiān)控對(duì)象、以現(xiàn)場(chǎng)LCD顯示屏和云端HTML網(wǎng)頁(yè)為數(shù)據(jù)終端，設(shè)計(jì)并搭建了一款校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)。

1 紅外人體檢測(cè)技術(shù)

1.1 熱釋電紅外傳感器原理

正常體溫下，人身會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)9～10 μm的紅外線，通過(guò)熱釋電紅外傳感器的光學(xué)透鏡（又稱菲涅爾透鏡）增強(qiáng)后能聚集到紅外感應(yīng)源處，感應(yīng)源為熱釋電元件，傳感器電極選用元件的兩個(gè)表面，當(dāng)感受到紅外線匯聚產(chǎn)生的溫度變化后會(huì)造成電荷失衡，電荷由電極向外釋放擴(kuò)散，產(chǎn)生相關(guān)電平信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)傳感器動(dòng)作。

1.2 雙向檢測(cè)算法

如圖1所示，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后間隔約1 m距離處分別放置人體紅外感應(yīng)模塊A和B，感應(yīng)模塊的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為2～3 s，封鎖時(shí)間設(shè)置為0.5 s。

圖1 雙向檢測(cè)算法原理

當(dāng)行人進(jìn)入被監(jiān)測(cè)場(chǎng)所時(shí)，感應(yīng)模塊A首先感應(yīng)到人體經(jīng)過(guò)，并釋放高電平信號(hào)，此后行人經(jīng)過(guò)感應(yīng)模塊B時(shí)，感應(yīng)模塊B發(fā)出高電平信號(hào)；當(dāng)行人外出被監(jiān)測(cè)場(chǎng)所時(shí)，感應(yīng)模塊B首先感應(yīng)到人體經(jīng)過(guò)，釋放高電平信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)感應(yīng)模塊A，釋放高電平信號(hào)。通過(guò)感應(yīng)模塊A、B輸出高電平信號(hào)的先后順序來(lái)判斷行人進(jìn)出被監(jiān)測(cè)場(chǎng)所的動(dòng)作，進(jìn)而獲得監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的人流量信息和監(jiān)測(cè)建筑物的人員累積存量。采用以上雙向檢測(cè)算法能夠使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，具體程序流程如圖2所示。

圖2 雙向檢測(cè)算法程序流程

2 LoRa無(wú)線通信技術(shù)

遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio,LoRa）是一種常用的局域網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，相較于其他無(wú)線通信技術(shù)，LoRa的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)線自組網(wǎng)方便且信道穩(wěn)定、覆蓋范圍大，可實(shí)現(xiàn)數(shù)千米范圍內(nèi)的無(wú)線通信，適用于較長(zhǎng)距離連續(xù)發(fā)送小型數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通常使用電池供電。通信范圍內(nèi)可設(shè)置上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，充分改善信號(hào)接收的靈敏度、效率、損耗，眾多節(jié)點(diǎn)連接至LoRa集中器（又稱為L(zhǎng)oRa網(wǎng)關(guān)），能夠完成與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

LoRa通信包含終端節(jié)點(diǎn)、集中器和服務(wù)器三部分，各節(jié)點(diǎn)與集中器以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與集中器建立直接的信息通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LoRa集中器接收終端節(jié)點(diǎn)輸出的上行鏈路數(shù)據(jù)，將各類數(shù)據(jù)匯聚到獨(dú)立的線程進(jìn)行通信連接，處理多路數(shù)據(jù)并發(fā)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)/專網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由其完成數(shù)據(jù)的解析處理，最終完成數(shù)據(jù)應(yīng)用。通信過(guò)程中，各部分由TCP/IP協(xié)議完成通信連接，任意2個(gè)模塊之間均可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。

3 數(shù)據(jù)可視化

萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，大數(shù)據(jù)已經(jīng)深刻融入每個(gè)人的生活中，如何提取有效信息、充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值是信息科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)可視化便是其中重要的應(yīng)用。其采用計(jì)算機(jī)技術(shù)將大數(shù)據(jù)以圖形或者圖像的形式顯示出來(lái)，包含數(shù)據(jù)展示、處理和分析等。

動(dòng)態(tài)性、交互性和多樣性為數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的三大原則。數(shù)據(jù)可視化界面具備動(dòng)態(tài)性，可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并更新顯示；具備人機(jī)交互性，可通過(guò)人為操作實(shí)現(xiàn)各界面功能的展示以及界面之間的跳轉(zhuǎn)；具備多樣性，可以實(shí)現(xiàn)多種不同種類數(shù)據(jù)、控件的同時(shí)展示。

4 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

多組搭載人體紅外感應(yīng)模塊的STM32F429主控芯片、LoRa節(jié)點(diǎn)和集中器組成的數(shù)據(jù)采集模塊可實(shí)時(shí)獲取校園各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的人流量數(shù)據(jù)。由Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序組成網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)采集模塊，隨后搭建以LoRa無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)、校園人流量數(shù)據(jù)和疫情數(shù)據(jù)為傳輸對(duì)象、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為數(shù)據(jù)接收對(duì)象的校園物聯(lián)網(wǎng)，獲取的數(shù)據(jù)由軟件驅(qū)動(dòng)程序清洗并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，供人機(jī)交互界面調(diào)用、分析，完成在現(xiàn)場(chǎng)LCD和云端HTML終端的展示，整體框架如圖3所示。

圖3 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計(jì)

4.2.1 人流量數(shù)據(jù)采集模塊

人流量數(shù)據(jù)采集模塊由多組STM32F429主控芯片、HCSR501人體紅外感應(yīng)模塊、LoRa節(jié)點(diǎn)模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)校園人流量數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。數(shù)據(jù)采集使用雙向檢測(cè)算法，由主控芯片進(jìn)行計(jì)數(shù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送通過(guò)串口輸出校園人流量數(shù)據(jù)并通過(guò)LoRa節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送至校園物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人流量數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)采集模塊

網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)采集模塊由網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序和TCP客戶端程序組成，網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序獲取疫情數(shù)據(jù)，并通過(guò)TCP客戶端程序發(fā)送至校園物聯(lián)網(wǎng)。

4.2.3 校園物聯(lián)網(wǎng)

校園物聯(lián)網(wǎng)圍繞LoRa無(wú)線通信技術(shù)組建，由LoRa集中器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，數(shù)據(jù)的傳輸、清洗與存儲(chǔ)將在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)。LoRa集中器接收的人流量數(shù)據(jù)被發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)服務(wù)器本身接收網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)由軟件清洗后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，隨著監(jiān)控的進(jìn)行實(shí)時(shí)完成更新，供數(shù)據(jù)可視化界面調(diào)用、分析。校園物聯(lián)網(wǎng)模型如圖5所示。

圖5 校園物聯(lián)網(wǎng)模型

4.2.4 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊由現(xiàn)場(chǎng)LCD終端和云端HTML終端組成，前者基于emWin進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，后者基于HTML語(yǔ)言設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并在可視化界面上展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園人流量數(shù)據(jù)和疫情數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

5 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 人流量數(shù)據(jù)采集

選用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊作為校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生與采集器，該模塊基于熱釋電紅外傳感器原理進(jìn)行人體感應(yīng)，在檢測(cè)到人體經(jīng)過(guò)時(shí)釋放高電平，觸發(fā)方式分為不可重復(fù)和可重復(fù)觸發(fā)兩種，前者感應(yīng)到釋放高電平后，自動(dòng)延時(shí)恢復(fù)低電平輸出；后者在人體經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)持續(xù)釋放高電平，直至人體離開(kāi)后延時(shí)恢復(fù)低電平輸出。

考慮校園局部人流量的密集趨勢(shì)，選取教學(xué)樓、圖書(shū)館、食堂和逸夫樓實(shí)驗(yàn)樓4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，感應(yīng)模塊的觸發(fā)方式選用可重復(fù)觸發(fā)方式。

5.2 網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)采集

考慮到當(dāng)下國(guó)內(nèi)整體疫情形勢(shì)穩(wěn)定，當(dāng)前階段本地和國(guó)外的疫情信息會(huì)被著重關(guān)注，因此在獲取國(guó)內(nèi)疫情數(shù)據(jù)的同時(shí)，增加了新聞信息、本地各地區(qū)的疫情數(shù)據(jù)以及國(guó)外疫情數(shù)據(jù)和重點(diǎn)國(guó)家疫情數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源選用騰訊新聞，數(shù)據(jù)獲取通過(guò)Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序?qū)崿F(xiàn)，運(yùn)用Request庫(kù)和Beautifulsoup庫(kù)調(diào)用API接口，獲取源數(shù)據(jù)。

5.3 數(shù)據(jù)接收、清洗與存儲(chǔ)

校園物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包含校園人流量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)，校園人流量數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa集中器打包后以字符串的方式發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)疫情源數(shù)據(jù)通常以字典和列表的嵌套組合形式存儲(chǔ)于網(wǎng)頁(yè)中。數(shù)據(jù)的接收、清洗與存儲(chǔ)均由Python程序?qū)崿F(xiàn)，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收、清洗與存儲(chǔ)程序流程

校園人流量數(shù)據(jù)包含當(dāng)前時(shí)間進(jìn)出總?cè)藬?shù)、可容納人數(shù)、人員累積存量和當(dāng)前可進(jìn)入人數(shù)；網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)包括國(guó)內(nèi)外疫情數(shù)據(jù)、新聞信息數(shù)據(jù)和本地疫情數(shù)據(jù)，使用Request庫(kù)和Beautifulsoup庫(kù)獲取源數(shù)據(jù)，運(yùn)用JSON和RE正則表達(dá)式解析數(shù)據(jù)，并新建字典類型數(shù)據(jù)。

建立的字典類型數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后生成二維標(biāo)簽數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

5.4 數(shù)據(jù)可視化

依據(jù)監(jiān)控原則，本文設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)LCD和云端HTML 2個(gè)展示終端，并完成校園人流量數(shù)據(jù)中的場(chǎng)所可容納人數(shù)、監(jiān)測(cè)時(shí)間段進(jìn)出人數(shù)、當(dāng)前人員累積存量、當(dāng)前可進(jìn)入人數(shù)和網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)中的國(guó)內(nèi)外疫情、北京各地區(qū)疫情數(shù)據(jù)、新聞數(shù)據(jù)等的可視化操作。

5.4.1 現(xiàn)場(chǎng)LCD終端界面

現(xiàn)場(chǎng)LCD終端界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)校園人流量數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及本地各區(qū)現(xiàn)有病例的展示，由系統(tǒng)界面、校園人流量數(shù)據(jù)界面和本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面構(gòu)成。

系統(tǒng)界面展示校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的基本信息，并設(shè)置2個(gè)跳轉(zhuǎn)界面功能控件，可跳轉(zhuǎn)至校園人流量數(shù)據(jù)和本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)界面

校園人流量數(shù)據(jù)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)出人數(shù)并計(jì)算人員累積存量，與可容納人數(shù)對(duì)比，提供當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)擁擠情況，并將不同的擁堵情況用不同的顏色加以區(qū)分，綠色為通暢，紅色為擁堵。校園人流量數(shù)據(jù)界面如圖8所示。

圖8 校園人流量數(shù)據(jù)界面

本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面展示本地各區(qū)的現(xiàn)有確診人數(shù)，在北京市地圖上各區(qū)對(duì)應(yīng)位置顯示，實(shí)現(xiàn)疫情數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)展示。本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

5.4.2 云端HTML終端界面

云端HTML終端界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外疫情數(shù)據(jù)、校園人流量數(shù)據(jù)的監(jiān)控分析以及疫情新聞的展示，主要由主界面、校園人流量數(shù)據(jù)界面和新聞信息界面構(gòu)成。

主界面展示國(guó)內(nèi)外疫情數(shù)據(jù)，其中，國(guó)內(nèi)當(dāng)日新增確診人數(shù)和現(xiàn)有確診人數(shù)以數(shù)字形式呈現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外近期確診人數(shù)和新增確診人數(shù)分別以柱狀圖和折線圖的形式呈現(xiàn)，國(guó)內(nèi)各類型人員統(tǒng)計(jì)和部分國(guó)家確診人數(shù)以餅形圖的形式呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，實(shí)時(shí)展示疫情數(shù)據(jù)。疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

校園人流量數(shù)據(jù)界面將各場(chǎng)所的當(dāng)前累積人數(shù)和可進(jìn)入人數(shù)以進(jìn)度條的形式展示，實(shí)現(xiàn)兩數(shù)據(jù)的視覺(jué)對(duì)比，更加直觀，如圖11所示。

圖11 校園人流量數(shù)據(jù)界面

新聞信息界面展示國(guó)內(nèi)新聞信息，將各新聞的標(biāo)題附加在彩色圓形圖案上，能夠方便用戶實(shí)時(shí)快速地了解全國(guó)疫情信息。新聞信息展示界面如圖12所示。

圖12 新聞信息展示界面

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STM32主控芯片搭配HCSR501人體紅外感應(yīng)模塊定點(diǎn)、定時(shí)采集人流量數(shù)據(jù)，搭建了以LoRa無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的校園物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)對(duì)相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)輿情信息快速爬取、分析、存儲(chǔ)，將校園人流量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)得到的疫情數(shù)據(jù)從后臺(tái)傳輸至終端，形成具備人機(jī)交互界面的校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)。并可以通過(guò)改變監(jiān)控場(chǎng)景快速適配新的疫情防控環(huán)境。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)場(chǎng)所人流量數(shù)據(jù)的正確統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)也能夠準(zhǔn)確通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸，并在終端界面展示。