基于Web與傳感器的健康信息平臺(tái)

王 倩， 徐 倫， 張 杰， 占晨龍

（三江學(xué)院a.電子信息工程學(xué)院；b.機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南京 210012）

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，自身健康問題得到重視。“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療”這句口頭禪把“發(fā)現(xiàn)”放在第一位，也足以說明監(jiān)測(cè)自身健康的重要性。

體溫是人體4大基本生命特征之一。近年來，由于新冠疫情的傳播和禽流感的爆發(fā)，發(fā)熱是大部分傳染性疾病的早期癥狀，對(duì)發(fā)熱患者的精準(zhǔn)測(cè)量成為公共衛(wèi)生領(lǐng)域的一項(xiàng)非常重要的工作，而簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)體溫尤為重要［1］。

測(cè)量體溫有兩種方式，接觸式和非接觸式。水銀體溫計(jì)是常用的接觸式產(chǎn)品。紅外輻射測(cè)溫技術(shù)是由于物體自身溫度以電磁波形式向外發(fā)射能量的物理現(xiàn)象［2-3］。這類產(chǎn)品與接觸式相比較，紅外測(cè)溫有著天然的優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)快、便捷、不與被測(cè)人員接觸，不存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。新冠病毒傳播能力極強(qiáng)，各年齡段人群普遍易感［4-5］，目前世界上還存在著各種變異，極難防范。人體感染新型冠狀病毒的臨床表現(xiàn)以發(fā)熱、乏力、干咳為主要表現(xiàn)。病程中發(fā)熱患者占90%以上［6］。如今，非接觸式紅外測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)十分成熟，被廣泛應(yīng)用在航空航天、冶金、電力工業(yè)、質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域［7］。

現(xiàn)在是信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)Web技術(shù)發(fā)展迅猛，Web技術(shù)也被運(yùn)用在各行各業(yè)［8］。Web系統(tǒng)采用的是B/S模式結(jié)構(gòu)，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)與前端網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)通信［9］，不需要大量的人力物力資源［10］。大部分資源存在服務(wù)器端，客戶端只需要安裝瀏覽器即可訪問平臺(tái)。平臺(tái)界面簡(jiǎn)單明了，管理員上手簡(jiǎn)單，能很好地適應(yīng)廣大人員的使用。基于Web的健康信息管理平臺(tái)將軟硬件結(jié)合，以便被測(cè)人員基本信息的統(tǒng)計(jì)和體溫測(cè)量，實(shí)驗(yàn)專門的健康信息平臺(tái)。

1 健康信息平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀

國外，非接觸式體溫計(jì)方面起步比較早，而且對(duì)非接觸式體溫計(jì)的研究發(fā)展非常重視，已經(jīng)取得了比較明顯的成果。

我國防控新冠疫情的方針為“外防輸入，內(nèi)防反彈”［11］，為避免交叉感染，各地在火車站、機(jī)場(chǎng)、客運(yùn)站等交通樞紐，以及醫(yī)院、商超等人員密集地紛紛采用非接觸式無感測(cè)溫方式，實(shí)行人員體溫檢測(cè)，快速篩查疑似患者，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人員快速高效通行，避免人群聚集，降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)防控新型冠狀病毒感染具有重要意義。

國內(nèi)非接觸式紅外體溫檢測(cè)技術(shù)在2003年“非典”疫情出現(xiàn)后得到迅速發(fā)展，短時(shí)間內(nèi)共研制出紅外體溫檢測(cè)儀。之后此類產(chǎn)品及技術(shù)更得到提升和普及。近幾年比較好的產(chǎn)品有iHealth非接觸式紅外體溫計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±0.2℃。

無論是國內(nèi)還是國外，非接觸式測(cè)溫產(chǎn)品大都沒有聯(lián)系到信息管理，有相應(yīng)功能的產(chǎn)品也只是曇花一現(xiàn)。紅外熱成像通常只會(huì)在政府機(jī)構(gòu)在防控疫情的時(shí)候會(huì)用到，但也只是初步篩選，并不會(huì)重復(fù)記錄和存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)一款健康信息平臺(tái)，為防控疫情出一份力。

2 健康信息平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1 健康信息平臺(tái)工作原理

健康信息平臺(tái)主要是圍繞著微處理器和服務(wù)器2部分進(jìn)行。①微處理器通過控制二維碼掃描模塊采集身份數(shù)據(jù)，采集成功后通過按鍵控制非接觸式紅外測(cè)溫模塊開始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)模塊采集完數(shù)據(jù)并發(fā)送后，微處理器接收并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為身份信息和體溫信息，通過WiFi模塊發(fā)送HTTP請(qǐng)求到本機(jī)服務(wù)器中。②服務(wù)器攔截到相關(guān)請(qǐng)求，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。打開瀏覽器健康信息平臺(tái)頁面并登錄，服務(wù)器會(huì)驗(yàn)證權(quán)限，有管理員權(quán)限才能查看體溫信息，非管理員只能看到本人信息。在查看人員相關(guān)信息期間，健康信息平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)由LED指示燈模塊顯示出來。若發(fā)現(xiàn)有疑似發(fā)熱人員，在頁面會(huì)有相應(yīng)的提醒；若體溫為未知狀態(tài)或過時(shí)狀態(tài)，也會(huì)有相應(yīng)的提醒。平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2.2 健康信息平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

健康信息平臺(tái)是以STM32F103單片機(jī)和Web為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，整體模塊包括非接觸式紅外測(cè)溫、WiFi、二維碼掃描、LED指示燈、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器后端和網(wǎng)頁前端等模塊。平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

STM32F103作為單片機(jī)主控芯片MCU，采集二維碼和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)體溫的無接觸、快速且高準(zhǔn)確度的測(cè)量，利用無線串口將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至PC端進(jìn)行顯示［12］，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過WiFi發(fā)送到后端服務(wù)器，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)分析顯現(xiàn)在LED指示燈模塊上。終端根據(jù)服務(wù)器編輯的代碼對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫到前端頁面的交互，可讓前端網(wǎng)頁顯示單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)硬件電路組成

硬件包括STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)、非接觸式紅外測(cè)溫、二維碼掃描、WiFi和LED指示燈等模塊。STM32單片機(jī)主要作為整個(gè)平臺(tái)的控制中心，收集各個(gè)模塊的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反饋出符合設(shè)計(jì)邏輯的判斷，硬件電路在很大程度上保證了整個(gè)硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 平臺(tái)各模塊硬件電路設(shè)計(jì)

（1）STM32F103C8T6單片機(jī)設(shè)計(jì)。由主控芯片、穩(wěn)壓、時(shí)鐘、復(fù)位、SWD下載等電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路輸出的電壓是保證最小系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路是電容3點(diǎn)式振蕩電路再加上晶振的電路。復(fù)位電路：復(fù)位電路是把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路。

（2）非接觸式紅外測(cè)溫模塊。此模塊采用自帶MCU將MLX90614支持的IIC通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為UART協(xié)議。模塊原理如圖3所示。

模塊VCC端可連接3～5 V的穩(wěn)定電壓，GND端要與單片機(jī)共地。當(dāng)有正常供電MLX90614就自己開始發(fā)射紅外線采樣，采樣完通過SCL/SDA以IIC協(xié)議的方式發(fā)送采樣數(shù)據(jù)幀給MCU（STC8G1K17），以UART協(xié)議的方式輸出采樣數(shù)據(jù)幀。RC端連接單片機(jī)的UART_Tx，TD端連接單片機(jī)的UART_Rx，單片機(jī)就可用UART串口的方式與MLX90614通信了。模塊內(nèi)部簡(jiǎn)圖如圖4所示。

3.3 WiFi模塊

此模塊采用DIP-8封裝。使用時(shí)模塊RX端連接單片機(jī)的UART_Tx端，TX端連接單片機(jī)的UART_Rx端，EN使能端和RST復(fù)位端默認(rèn)高電平。若需要重新上電（重啟），拉低EN然后再拉高即可；若需要回到初始狀態(tài)，拉低RST然后再拉高即可。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本平臺(tái)選擇了STM32CubeIDE作為開發(fā)硬件的軟件環(huán)境。STM32CubeIDE是一個(gè)先進(jìn)的集成開發(fā)環(huán)境，集成了編譯、下載、標(biāo)準(zhǔn)、高級(jí)調(diào)試等必備功能，還包括CPU核心寄存、內(nèi)存和外圍寄存的視圖以及變量監(jiān)視、串行線查看接口或故障分析。此外，STM32CubeIDE基于eclipse開源的軟件，可供提供上百款插件滿足用戶各樣需求。

在純軟件部分，有網(wǎng)頁端和Web服務(wù)器后端，需要編寫HTML語言和Java語言。

4.2 平臺(tái)主流程設(shè)計(jì)

為降低健康信息平臺(tái)程序編寫的難度，采用模塊化編程的方式分別完成平臺(tái)的初始化、數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理、WiFi發(fā)送請(qǐng)求、Web服務(wù)器攔截、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、網(wǎng)頁響應(yīng)的編寫。平臺(tái)主流程框圖如圖5所示。

程序的流程在通電后進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘、UART、中斷、指示燈I/O口、服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫等的初始化，進(jìn)入主程序，并在主程序進(jìn)行循環(huán)等待。

4.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

平臺(tái)初始化后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。數(shù)據(jù)采集分為身份采集和體溫采集2部分。身份采集采用的是二維碼模塊掃描被測(cè)人員id生成的二維碼，達(dá)到識(shí)別當(dāng)前體溫被測(cè)人員的身份。掃描出來的id被暫存在單片機(jī)的數(shù)組變量里，等體溫?cái)?shù)據(jù)采集完畢，把id和體溫封裝成一組數(shù)據(jù)，等待單片機(jī)的下一步指示。數(shù)據(jù)采集流程框圖如圖6所示。

二維碼采集結(jié)束以后，體溫采集由按鍵控制開始，系統(tǒng)進(jìn)入等待，為時(shí)5 s，若超時(shí)，LED指示會(huì)有提醒，系統(tǒng)退出整個(gè)采集過程，重新從二維碼采集開始。體溫采集中，非接觸式紅外測(cè)溫模塊每采集一次都會(huì)發(fā)送一段數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀具體參數(shù)見表1。其中，數(shù)據(jù)結(jié)果的56 bit數(shù)據(jù)見表2。

表1 GY614V3模塊數(shù)據(jù)幀說明

表2 數(shù)據(jù)結(jié)果幀說明

根據(jù)模塊說明書，可以清晰得到各結(jié)果的數(shù)值。TO為目標(biāo)溫度、TA為環(huán)境溫度、BO為額溫。

發(fā)射率

式中，LOW為數(shù)據(jù)幀結(jié)果中的低8位。

目標(biāo)溫度

式中，HIGH為數(shù)據(jù)幀結(jié)果中的高8位。

環(huán)境溫度

額頭溫度轉(zhuǎn)換體溫

4.4 WiFi模塊程序設(shè)計(jì)

采集完數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器。采用的是WiFi模塊（ESP-01S）連接Web服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求的方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)-串口的指令轉(zhuǎn)發(fā)［13］。WiFi模塊流程框圖如圖7所示。

ESP-01S支持多種通信協(xié)議，選用UART作為單片機(jī)與WiFi模塊之間的“橋梁”，通信率默認(rèn)為115.2 Kbit/s。此模塊主要是通過AP指令控制的。

4.5 Java程序設(shè)計(jì)

此平臺(tái)的前端網(wǎng)頁主要由HTML語言和AdminLTE-3.0.5搭建，設(shè)計(jì)了用戶注冊(cè)、登錄頁面和被測(cè)人員列表頁面。AdminLTE3是一款開源的模板主題工具，它提供了可重復(fù)使用的組件，內(nèi)置多個(gè)模板頁面，同時(shí)自適應(yīng)多種屏幕分辨率，兼容PC和移動(dòng)端。通過AdminLTE，可快速創(chuàng)建一個(gè)響應(yīng)式的Html5網(wǎng)站。AdminLTE-3.0.5一個(gè)模板效果如圖8所示。

后端服務(wù)器程序的目的在于接收前端發(fā)送的各種請(qǐng)求，攔截不同的請(qǐng)求進(jìn)入不同的方法，實(shí)現(xiàn)不同的功能。本平臺(tái)采用了Java作為開發(fā)服務(wù)器的高級(jí)語言，主要應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)有Spring Boot和Shiro。Spring Boot繼承自Spring體系，是大量開發(fā)框架的整合，它內(nèi)嵌了Tomcat服務(wù)器，支持jar/war項(xiàng)目打包方式，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目快速部署［14］。Apache Shiro是一款用于系統(tǒng)認(rèn)證、角色授權(quán)、系統(tǒng)加密和會(huì)話管理的Java安全框架，提供了一整套系統(tǒng)安全解決方案［15］。

后端服務(wù)器需要面對(duì)2個(gè)場(chǎng)景，一是攔截WiFi模塊發(fā)送的HTTP請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)暫存體溫的功能；二是給用戶添加權(quán)限，當(dāng)用戶進(jìn)入健康信息平臺(tái)頁面時(shí)，進(jìn)行身份權(quán)限驗(yàn)證，擁有管理員權(quán)限的用戶才能轉(zhuǎn)到被測(cè)人員列表頁面，查看或操作被測(cè)人員的信息。

4.6 數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫2種。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用MySQL，以表格的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用Redis，用作存儲(chǔ)被測(cè)人員信息和體溫。在Java代碼中設(shè)置緩存時(shí)間，若緩存超的，Redis會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)刪除。Redis以鍵值對(duì)的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 平臺(tái)測(cè)試

在完成各模塊的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行平臺(tái)總體測(cè)試，首先測(cè)試健康信息平臺(tái)是否能正常使用。把硬件部分，即單片機(jī)和各模塊通電，在IntelliJ IDEA打開服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，等整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)初始化完成，LED指示燈狀態(tài)為綠燈亮，平臺(tái)運(yùn)行正常，等待掃碼和測(cè)溫。具體步驟如下：

步驟1被測(cè)人員注冊(cè)到被測(cè)人員健康信息平臺(tái)，保存生成二維碼圖片，進(jìn)入測(cè)溫區(qū)。

步驟2被測(cè)人員打開手機(jī)信息二維碼至掃碼處掃碼，當(dāng)二維碼掃描模塊蜂鳴器響時(shí)，即掃碼成功。

步驟3管理員把測(cè)溫模塊伸到被測(cè)人員額頭前2～5 cm，按下測(cè)溫按鍵，等到LED指示燈綠燈閃動(dòng)，測(cè)溫成功。

步驟4管理員打開任意設(shè)備瀏覽器，登錄被測(cè)人員健康信息平臺(tái)網(wǎng)頁，查看被測(cè)人員列表和被測(cè)人員的基本信息和體溫。

步驟5管理員篩選疑似發(fā)熱的被測(cè)人員，進(jìn)行相應(yīng)操作管理。

6 結(jié) 語

新冠疫情的肆虐，嚴(yán)重影響了人們的正常生活。堅(jiān)守防疫底線，檢測(cè)好每個(gè)人的體溫，從自覺做起，有必要針對(duì)問題對(duì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，加大投入力度，將基于Web的健康信息平臺(tái)與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，使其發(fā)揮出重要的作用。

平臺(tái)通過非接觸式測(cè)溫模塊采集數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊將單片機(jī)讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)庫中，通過前端網(wǎng)頁與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量體溫以及被測(cè)人員的信息管理。