群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

林軍 楊成菊

【摘 要】 近些年不斷出現(xiàn)各種傳染性病毒，體溫是判斷是否感染的一個重要指標(biāo)。針對群體體溫監(jiān)控的需要，設(shè)計了該款基于ZigBee 的無線網(wǎng)絡(luò)體溫監(jiān)控系統(tǒng)，來代替繁瑣的人工監(jiān)測，該系統(tǒng)是一種基于TSic506數(shù)字型溫度傳感器和ZigBee技術(shù)的群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)。被測人手帶特制腕表作為群體體溫監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的采集終端節(jié)點，實現(xiàn)對人體體溫、心率等體征數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，對超出閾值的能及時發(fā)現(xiàn)并通知相關(guān)人員處理，從而阻斷疑似病例傳播，該系統(tǒng)的實現(xiàn)不僅能極大提高監(jiān)測人員的工作效率，也能進(jìn)一步避免人因測試體溫而感染病毒的風(fēng)險。

【關(guān)鍵詞】 群體體溫;ZigBee技術(shù);STM32F嵌入式及傳感器技術(shù);監(jiān)控系統(tǒng)

體溫是判斷人身體健康好壞的重要依據(jù)，也是現(xiàn)在判斷新冠狀病毒病情的一種最常規(guī)的方法。目前采集體溫數(shù)據(jù)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(shè)計了以CC2530微處理器芯片為核心，Tsic506數(shù)字傳感器為溫度采集芯片的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用TI公司的Z_Stack和LAREW來搭建系統(tǒng)軟件平臺，通過系統(tǒng)功能測試來實現(xiàn)群體體溫監(jiān)控。

1群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)的總體目標(biāo)就是利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)收集和監(jiān)測校園內(nèi)師生的體溫狀況，預(yù)防疾病傳播。實現(xiàn)對象以學(xué)校為例，群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的對象是校園內(nèi)的全體成員，滿足群體監(jiān)控的要求。系統(tǒng)總體設(shè)計給每個學(xué)生分配一個腕表作為采集體溫的終端節(jié)點，在學(xué)校的教室、宿舍等學(xué)生常在的場所安裝路由節(jié)點作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，每棟教學(xué)樓和宿舍樓安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點以及一臺PC形成獨立無線網(wǎng)絡(luò)。

1.1監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

該體溫監(jiān)控系統(tǒng)通過體溫傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的終端采集節(jié)點、中繼轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點以及發(fā)起網(wǎng)絡(luò)工作的協(xié)調(diào)器節(jié)點再到STM32處理器和PC處理、分析、顯示數(shù)據(jù)。群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

我們采用ZigBee技術(shù)自組網(wǎng)方式，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間都是相互連接來實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布局。ZigBee技術(shù)主要特點：（1）發(fā)射功率在1mV，功耗低。（2）ZigBee協(xié)議的復(fù)雜度和存儲容量都不高，系統(tǒng)成本大為降低。（3）采用CSMA/CA機(jī)制和AES-128加密，可較好穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。（4）支持65000個節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)，可滿足較大網(wǎng)絡(luò)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(jù)過長的時間。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，連接地址碼分為16bit短地址或者64bit長地址，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行自己的需求開發(fā)。

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取

實際運(yùn)用中，主要由3種組網(wǎng)構(gòu)成，分別是星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)及網(wǎng)狀型網(wǎng)結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是點對點形網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)根據(jù)設(shè)置可分為樹形和網(wǎng)形。群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)器、路由器和采集終端作為它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。這三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(tǒng)有更好的可行性，保證被測者體溫數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，對采集終端進(jìn)行優(yōu)化。本系統(tǒng)采用三種監(jiān)測方式相結(jié)合，一種為檢測人員在PC機(jī)上直接發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給采集終端，采集終端得到指令后采集體溫數(shù)據(jù)并將其通過路由器上傳;另一種是學(xué)生按時使用佩戴設(shè)備（采集終端）對自己的體溫進(jìn)行檢測，采集終端再將數(shù)據(jù)通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器;最后一種是將終端設(shè)置為定時采集。后面兩種可以設(shè)置閾值，終端采集的體溫數(shù)據(jù)不超過閾值的只采集不上傳。

2監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

如上所述群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和采集終端節(jié)點所組成。協(xié)調(diào)器、路由器和采集終端為同一種設(shè)備，它們所發(fā)揮的功能由所使用的軟件來設(shè)置。設(shè)備采用的是ZigBee Pro協(xié)議，DZDO_COORDINATOR是協(xié)調(diào)器功能配置，DRTR_NWK是表示將該設(shè)備配置為路由器。

這三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(fā)數(shù)據(jù)的能力更加穩(wěn)定、可靠。CC2530內(nèi)部有12位的D/A轉(zhuǎn)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(fā)模塊。同時可在線編程最大容量可達(dá)256KB，能夠支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及多種存儲訪問總線。

2.1終端采集模塊

為了更好實現(xiàn)群體監(jiān)測的要求，需對采集終端節(jié)點進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以便使其更加小巧容易使用和攜帶。所以為了減少外設(shè)更好實現(xiàn)小型化，模塊不接調(diào)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(tài)，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(jié)點主要負(fù)責(zé)體溫的數(shù)據(jù)采集，通過路由器節(jié)點發(fā)送至協(xié)調(diào)器，采集終端節(jié)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(shù)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(jīng)放大電路調(diào)制解調(diào)來實現(xiàn)溫度的數(shù)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(tǒng)采用的是IST公司的TSic506溫度傳感器，這款傳感器為單總線數(shù)字輸出，傳感器與CPU之間以一次0.1s的速度實現(xiàn)雙向傳輸，一條數(shù)據(jù)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(nèi)其精度更可達(dá)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(shè)備中。由于TSic506為IC芯片設(shè)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(jié)點模塊

該系統(tǒng)的路由器節(jié)點主要功能是作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，采集終端節(jié)點通過路由器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，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(xié)調(diào)器節(jié)點模塊

該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)工作的發(fā)起者，通過路由器節(jié)點收集采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)，是整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集點，將協(xié)調(diào)器節(jié)點STM32F控制器和PC通信，通過控制器和PC處理解析數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點的框圖和連接圖如圖4，5所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收的信息通過SP1口輸入到STM32F控制器進(jìn)行處理同時通過串口連接到PC端方便檢測人員查看，當(dāng)發(fā)現(xiàn)所顯示的數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時控制器會及時發(fā)出報警信號示警通知相關(guān)人員查看信息及時響應(yīng)。

3監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用的是IAR Embedded Workbench，IAR System功能強(qiáng)大能滿足多種芯片架構(gòu)，可按照編程人員設(shè)定工作環(huán)境。同時利用C語言編程實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧的Z-Stack架構(gòu)。

3.1終端節(jié)點軟件實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器選擇一個任意的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（PANID）來建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立后附近的路由器和采集終端向協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)請求，收到協(xié)調(diào)器同意加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點入網(wǎng)流程如圖6所示。采集終端其功能就是采集體溫，其設(shè)定工作方式主要有定時采集和接收協(xié)調(diào)器指令采集，通過路由器發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，由于在設(shè)計采集終端時能更加小型化，所以在其不作數(shù)據(jù)處理直接發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行處理，采集終端節(jié)點軟件流程如圖7所示

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點在建立網(wǎng)絡(luò)后，通過發(fā)送信標(biāo)幀給臨近的路由器和終端節(jié)點等待其請求入網(wǎng)，收到其入網(wǎng)請求后分配1個獨立的網(wǎng)絡(luò)地址，對收到的信息發(fā)送到STM32控制器進(jìn)行處理，控制器將處理的信號發(fā)送至PC，如果數(shù)據(jù)超過閾值則會觸發(fā)報警提示通知工作人員查看PC端顯示的信息及時處理，協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程如圖8所示。

4監(jiān)控系統(tǒng)測試

通過以上的分析和設(shè)計，選擇一所學(xué)校的教學(xué)樓作為系統(tǒng)測試的場所，找到兩個學(xué)生帶上腕表進(jìn)入不同的教室作為體溫監(jiān)測的終端，將路由器節(jié)點放置樓層的走廊處作為信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，最后將協(xié)調(diào)器節(jié)點、STM32控制器和PC機(jī)放在一間教室中做監(jiān)控機(jī)。

體溫監(jiān)控系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求和采集終端定時采集兩種方式進(jìn)行測試，將系統(tǒng)顯示的體溫與體溫計上顯示的數(shù)值對比，體溫監(jiān)測數(shù)據(jù)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(fù)與水銀溫度計進(jìn)行對比，其兩者的誤差值都在+0.1℃之內(nèi)，滿足測量要求且監(jiān)控系統(tǒng)在通信和功能上都運(yùn)行正常。

5結(jié)語

本文通過對群體體溫監(jiān)測的需求和可行性方面進(jìn)行研究，設(shè)計基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，搭建PC端監(jiān)控平臺，通過硬件和軟件的開發(fā)對采集終端進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了其小型化、低損耗等優(yōu)點，經(jīng)過實測分析以及精度對比，發(fā)現(xiàn)其能夠很好地滿足群體體溫監(jiān)控的需求，減輕工作人員繁重的檢測任務(wù)和降低被感染的風(fēng)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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