基于IoT的人員考勤及體溫監測一體化系統的設計與實現

李重志，張俊豪，葛鑫越，劉佳佳，申海洋

（巢湖學院電子工程學院，安徽合肥 238024)

0 引言

在各類企事業單位的日常管理中，常通過打卡考勤的方式對員工的出勤情況進行跟蹤，防止人員缺勤，脫崗。同時，由于各類傳染病往往會伴隨體溫異常的現象，所以也會通過要求人員自主上報體溫信息，再通過集中統計的方式來獲取全體人員體溫信息，以防傳染病的擴散[1-2]。在日常工作中發現部分人員在考勤時存在代替他人考勤，謊報、漏報體溫信息的現象，給管理工作帶來風險[3]。

為解決這一問題，本文提出了一種基于IoT 的人員考勤及體溫監測一體化系統的設計與實現方案，系統以LCS6260[4]模塊為控制核心，同時結合指紋識別模塊和溫度傳感器模塊來實現系統的運作。具體實施方法如下：

1)通過指紋識別模塊識別人員身份信息，信息無誤后通過互聯網自動幫助人員進行日常的打卡簽到。在鑒別人員身份的同時，對人員的體溫進行準確的測量。一并完成了打卡和體溫檢測工作；

2)在進行身份識別的同時，溫度傳感器將會采集人員的體溫數據，并與身份信息數據通過無線網絡傳輸到云端數據庫當中；

3)完成采集后，云端MySQL數據庫會同步接收信息數據，并將信息安全保存；

4)通過查看登錄物聯網應用平臺，可以直觀地對人員身份信息和體溫數據進行審閱，異常數據將由不同顏色的字體顯示。實現對人員打卡和體溫數據集中存儲、備份。方便管理人員，對全體人員動態進行綜合分析、管控。

綜上所述，本項目設計的系統具有較好的社會效益，可用在各類的單位日常考勤和流行病的防控中，具有一定的實際應用價值和商業價值，本系統已申請國家發明專利。

1 系統結構

1.1 系統總體結構設計

基于IoT 的人員考勤及體溫監測一體化系統，包含了指紋身份識別模塊、非接觸式體溫檢測模塊、無線網絡傳輸、數據庫系統和物聯網應用平臺。具體硬件設計以LCS6260 無線模塊為核心，結合MAX30205溫度傳感器、AS60X指紋辨識模塊，SSD1306顯示模塊構成。

AS60X指紋辨識模塊用于識別用戶身份信息，其功能在于可以通過指紋來準確辨別用戶身份，避免了代簽的情況發生。MAX30205溫度傳感器在識別人員身份的同時采集當前用戶的體溫數據。利用LCS6260 無線模塊連接無線網絡實現數據的傳輸和維持系統的正常運行[5]。本系統在數據庫中錄入所有用戶人員的聯系方式，所有的數據將與用戶的聯系方式以列表的形式儲存，以便能夠第一時間確定身體發生異常的人員，針對各種特殊情況能夠及時進行處理[6]。系統的結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 系統工作流程

首先，系統初始化，將所有用戶的指紋信息、聯系方式、姓名編號等信息提前錄入到數據庫當中。當系統連接上網絡時，溫度傳感器和指紋識別模塊將同時啟用。采集到的數據將通過無線網絡安全地傳輸到數據庫中進行保存。所有的數據將會在下一次測量后進行更新，以保證數據的時效性和準確性。倘若出現人員體溫信息異常或未成功測取的情況，系統會通過OLED 顯示屏提示該名用戶，用戶可以再次使用系統進行重新測量。管理人員也可通過登錄網站平臺對信息進行監控管理，及時聯系到身體狀況發生異常的人員，為每一位人員提供一個相對安全的環境。系統流程圖如圖2所示。

圖2 系統流程圖

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

綜合系統整體性能，將采用常用的USB接口的方式進行供電，輸出電壓為3.3V/5V。為系統的運行提供了可靠保障。

2.2 指紋識別模塊設計

AS60X功能模塊，利用光的反射、折射原理，發射出的光源在指紋上折射的多個角度及反射回去的光線明暗變化會不一樣。CMOS、CCD 等光學電子器件就會收到明暗程度不同的數據信息，進而實現指紋識別。該功能模塊配備了USB 通信接口、串口，不必研究復雜的圖像數據處理方法及指紋數據識別算法，只要進行簡單的串口、USB 通信協議便對模塊進行控制。AS608X指紋識別模塊搭載的芯片具有DSP運算單元，集合了指紋識別算法，能穩定高效地收集圖像數據并分析指紋的特征，性能安全可靠。

2.3 溫度傳感器模塊設計

系統采用MAX30205溫度傳感器作為測溫模塊，高精度和低電壓操作有助于減少測溫出錯的概率，利用高分辨率Σ-Δ 型模數轉換器(ADC)將體溫測量數據轉換為數字形式。通過I2C兼容2線串行接口進行通信。I2C串行接口支持標準寫字節、讀字節、發送字節和接收字節命令，以便讀取溫度數據。傳感器采用2.7V 至3.3V 供電電壓范圍、600μA 低供電電流，理論精度可以達到0.1℃，性能穩定，并且數字化功能更容易集成到其他的系統當中。

2.4 LCS6260

LCS6260 是一款小尺寸低成本串口Wi-Fi 模塊，具有強大的片上處理和存儲能力，符合802.11b/g/n 無線模塊標準，同時支持UART-Wi-Fi以太網數據傳輸。該模塊具有一個完整的Wi-Fi 網絡體系，僅需要通過利用串口使用AT 指令控制，就可以滿足大部分的網絡功能需求。LCS626還支持擁有SW on-chip 完整的應用程序的超低功率設備的快速程序開發應用。通過與系統的體溫檢測模塊、指紋識別模塊相適應，實現了系統的穩定運行。

2.5 顯示模塊設計

系統采用SSD1306 作為顯示模塊的驅動芯片[7]，SSD1306 是一款單片CMOS OLED/PLED 驅動器。總體分辨率達到128×64，采用I2C 通信方式同LCS6260無線模塊進行連接，具有良好顯示效果和便攜性特點，通過使用SSD1306,可便捷地使用UI 人機互動界面，引導用戶完成采集工作。

系統實物及使用實例，如圖3所示。

圖3 系統實物及使用演示

3 系統軟件設計

在服務器中利用MQTT協議功能與系統的感知層進行信息數據的相互交換，系統的感知層在完成信息采集之后，使用MQTT 協議對數據進行json格式編輯，通過網絡傳輸到Web 平臺。在設計過程中，鑒于社會的切實需要，對物聯網應用平臺服務器的安全性與穩定性有極高的標準，而阿里云物聯網平臺服務器廣泛應用于工業和家庭物聯網領域，具有很高的穩定性、可靠性保障。因此本系統的應用MQTT 服務器使用阿里云物聯網服務器。同時配套設計出Web 應用平臺，通過個人移動端便可登錄，實現對信息數據的管理和監測功能。

3.1 物聯網應用平臺設計

基于阿里云物聯網平臺IoT Studio 開發了Web 應用平臺，如圖4 所示，通過登錄該應用平臺可直觀地查看當前全部用戶的身份和其體溫信息。設計體溫過高預警功能，當體溫超過37.2℃時，體溫用紅色顯示，并進行體溫異常提醒。

圖4 物聯網應用平臺頁面

圖5 數據庫界面

3.2 MySQL數據庫設計

基于云端Windows Server 2008R2 服務器，安裝MySQL 服務器[8-9]后，創建并設計數據庫表單，如圖4所示，共有iduser_name emperature ime el_phone等五個字段,該MySQL用以對采集的信息數據進行存儲。而數據庫的建立，首先為溫度補償算法提供數據支持，同時也為流行病的防控提供可靠的數據支撐。

4 系統性能的測試分析

為驗證系統在不同條件下的有效性和可靠性，我們以某高校宿舍為例進行了實際測試，本次系統的測試擬對多名人員的身份和體溫信息進行采集。測試步驟如下：

1)錄入被測對象人員的指紋信息。將被防控對象人員的指紋信息錄入系統中，待后期使用時進行識別。

2)利用系統進行身份鑒別和體溫采集。只需將手掌伸入到裝置當中，用已經錄取過信息的手指按壓在指紋識別器上，手腕處會自然地貼在體溫傳感器上，等待OLED 上的顯示的檢測引導提示信息。指紋識別模塊開始對人員身份進行識別，在進行人員身份識別的同時，手腕處的體溫傳感器獲取當前人員體溫。獲取到的身份和體溫信息后，LCS6260模塊利用Wi-Fi 無線網絡將采集的測量數據傳送至MySQL 服務器。數據結果如圖6所示。

圖6 系統使用實測

為避免實驗測量中的數據具有偶然性，將對人員進行多組的系統測量和人工測量對比。其次，針對不同時間段人體溫度會發生變化這一問題，將在一天內的早中晚測量不同的實驗數據，以此保證實驗數據的可靠性。結果如表1所示。

表1 測量結果對比表

經過在不同環境、不同時間段的對比測試能夠證明本系統實驗數據的準確性，且能夠保證不同環境下系統都能夠正常執行。系統的有效性和可靠性都滿足需求，在保證人員身份信息可靠的前提下，能夠快速、準確地測量出每一位用戶的體溫數據，并將每個測試人員的準據準確無誤地記錄到對應的身份表格中，對數據進行存檔[10]。

5 總結與展望

項目提出的基于IoT的人員考勤及體溫監測一體化系統設計，實現了身份識別和準確測量體溫的功能，數據傳輸到應用網站平臺和云端數據庫，有利于工作人員實現遠程的管控和查看。

通過測試分析后，系統的性能指標均滿足設計的實際需求：系統在對人員進行每日的考勤任務的同時檢測當前人員的體溫數據，數據通過無線網絡傳輸至云端數據庫，管理人員通過登錄云端MySQL數據庫實現對人員的考勤狀況進行快速統計，大大提高了工作效率，同時體溫監測功能也提供了日常的體溫檢測，為流行病防控提供了參考。

本系統系2022 安徽省高校物聯網應用創新大賽獲獎作品，并受到國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助，項目已經申請國家發明專利。