基于物聯(lián)網(wǎng)的健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及新冠肺炎預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡旭，曹海娟

（山東英才學(xué)院 工學(xué)院，山東濟(jì)南，250104）

0 引言

居民日常的體溫監(jiān)測(cè)等對(duì)身體指標(biāo)的掌握與了解成為疫情防控的一種重要手段。如今進(jìn)入通信技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展的新時(shí)期，醫(yī)療監(jiān)測(cè)手段想要進(jìn)行持續(xù)的改良和發(fā)展，就要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)手段進(jìn)行智能優(yōu)化和改造,從而使得監(jiān)測(cè)到的信息更加精確和及時(shí)，以便確保能夠第一時(shí)間就醫(yī)治療和居家隔離。

本文研究的是一款基于物聯(lián)網(wǎng)的健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及新冠肺炎預(yù)警系統(tǒng)，其集成體溫測(cè)試、肺活量測(cè)試和通信上報(bào)手機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)人體體溫的紅外測(cè)量 以及人體其他指示量的測(cè)量，用來(lái)監(jiān)測(cè)人體健康情況，并將數(shù)據(jù)采用 NB-IoT 無(wú)線通信技術(shù)將接收到的數(shù)據(jù)傳至 IoT 云平臺(tái)，發(fā)送到移動(dòng)基站，信息傳輸?shù)绞謾C(jī)，從而可以起到自我監(jiān)控及時(shí)預(yù)防的效果，有助于個(gè)人能根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)患者進(jìn)行疾病的預(yù)防和診斷，及時(shí)采取有關(guān)措施，可有效維護(hù)人們的身體健康和生命安全[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 數(shù)據(jù)采集部分

該部分包括由主控制器為 STM32單片機(jī)、健康數(shù)據(jù)（體溫等）監(jiān)測(cè)的傳感器模塊和 GPS 傳感器、警示燈、提供能量的電源模塊、WIFI無(wú)線通信模塊等組成的終端。其中，健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器模塊和 GPS 傳感器將采集到的人體溫度和位置信息實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄并數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制器中。通過(guò)查閱相關(guān)治療可知，感染新冠肺炎病毒的病人在感染初期身體會(huì)有一定的預(yù)警反應(yīng)，其中當(dāng)人體體溫高于37.3℃為新型冠狀肺炎疑似感染的預(yù)警體溫；因此，我們?cè)谠摬糠衷O(shè)計(jì)一定的溫度閥值，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到體溫已經(jīng)高于特定閥值溫度（高于37.3℃），系統(tǒng)將該溫度上傳，由上層給出指示，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 通信部分

由下層數(shù)據(jù)采集所獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)一定算法進(jìn)行解析，再將解析過(guò)的相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò) NB-IoT 通信模塊發(fā)送到移動(dòng) NB-IoT基站，由基站經(jīng)由核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至中國(guó)移動(dòng)的 One NET 云平臺(tái)。該部分作為將物聯(lián)網(wǎng)與窄帶通信技術(shù)的核心，作為采集部分和用戶應(yīng)用部分互相通信的中間環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)了對(duì)數(shù)據(jù)上傳，能夠使相應(yīng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在云平臺(tái)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺(tái)內(nèi)的存儲(chǔ)，不會(huì)造成對(duì)所采集的數(shù)據(jù)的流失，同時(shí)也把采集部分相關(guān)閥值信息進(jìn)一步的移交到用戶與應(yīng)用部分，以便進(jìn)行后續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)行以及管理人員對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的處理[2]。該部分系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)通信部分原理圖

1.3 用戶與應(yīng)用部分

該部分的所有數(shù)據(jù)和信息接收于來(lái)自云平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并配置相關(guān)傳感器資源參數(shù)，將數(shù)據(jù)從OneNET云平臺(tái)轉(zhuǎn)至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)好的負(fù)責(zé)用戶群進(jìn)行查看的APP上，管理人員可以通過(guò)操作界面對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取調(diào)用和下行命令轉(zhuǎn)發(fā)，并由APP平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的存儲(chǔ)和分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)資源信息的訂閱和調(diào)度，便利了對(duì)有關(guān)信息的掌握。

2 硬件選擇與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

（1）STM32單片機(jī)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6，是一種芯體規(guī)格是32位的嵌入式微控制器的集成電路(IC)，多種外設(shè)與接口，可以實(shí)現(xiàn)低差動(dòng)信號(hào)的最高精度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)更高性能與更高精度。STM32F103RCT6 可充分滿足需要監(jiān)控短路等突變并根據(jù)需求迅速采取矯正措施的應(yīng)用[3]。

該器件還可取消高共模電壓應(yīng)用中的多個(gè)隔離器或電源，從而可減少組件數(shù)量，提高穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并且該板支持WIFI無(wú)線通信模塊和溫度和定位模塊，在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息傳輸，有更快的響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能；該板是操作較為簡(jiǎn)單的嵌入式開(kāi)發(fā)板，性價(jià)比高，可用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上。

（2）溫度傳感器

該系統(tǒng)采用了適配于STM32的DS18B20溫度傳感器,是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，該傳感器溫度測(cè)量范圍為 -55℃～+125℃，測(cè)量誤差僅為±0.5℃，同時(shí)具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn),其獨(dú)特的單線接口方式，使得DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。

（3）GPS傳感器

系統(tǒng)里的GPS傳感器采用了Air530 模塊，具有高性能、高集成度的特點(diǎn)，并且支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的 BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），美國(guó)的 GPS，俄羅斯的 GLONASS，歐盟的 GALILEO，日本的 QZSS 以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。AT6558 是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含 32 個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收六個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的 GNSS 信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。該模塊適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航、體積小、功耗低，可用于車載導(dǎo)航、智能穿戴、無(wú)人機(jī)等 GNSS 定位的應(yīng)用中。而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開(kāi)發(fā)周期。采用了射頻基帶一體化設(shè)計(jì)，而且也集成了射頻前端、基帶處理、RAM、FLASH 存儲(chǔ)、RTC 和電源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信號(hào)的地方，也能快速、準(zhǔn)確的定位。使用該模塊可以清晰的且精準(zhǔn)的定位到目標(biāo)。

（4）WiFi模塊

該系統(tǒng)采用了ESP8266-01S無(wú)線模塊，該模塊為低功耗的UART-WiFi 透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。另外ESP8266是有寄存器的，所以即使重啟連接信息也不會(huì)丟失，重啟后再查詢，發(fā)現(xiàn)后會(huì)重新進(jìn)行自動(dòng)連接。所以我們?cè)谑褂们皶?huì)進(jìn)行檢測(cè)工作即使用電腦ping一下這個(gè)ip，如果發(fā)現(xiàn)ip是可以ping通的，說(shuō)明連接正常。反之再進(jìn)行調(diào)試操作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）操作系統(tǒng)的配置

圖2 硬件部分設(shè)計(jì)電路圖

STM32和ESP8266開(kāi)發(fā)板選擇使用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言且加入FreeRTOS操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理，降低模塊（傳感器，控制）間的耦合性，同時(shí)便利了增刪模塊等功能，提高開(kāi)發(fā)效率。利用FreeRTOS操作系統(tǒng)中添加和拓展傳感器模塊?，F(xiàn)以溫度傳感器為例，通過(guò)自定義溫度傳感器的topic，聲明一種temperature任務(wù)，調(diào)整好任務(wù)的堆棧大小、確認(rèn)所傳遞的溫度參數(shù)。在得到創(chuàng)建任務(wù)成功指令后，進(jìn)一步添加溫度傳感器驅(qū)動(dòng)。同時(shí)為了防止系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸造成的數(shù)據(jù)沖突，這里我們又設(shè)置了在服務(wù)器連接以ping心臟包30s發(fā)送模式事件發(fā)生時(shí)可以執(zhí)行此任務(wù)的設(shè)定，否則將掛起任務(wù)，不予執(zhí)行；為了可以起到所做操作程序且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集而間斷不以過(guò)長(zhǎng)，使每獲取兩次數(shù)據(jù)時(shí)等候進(jìn)行相應(yīng)指令操作的等待時(shí)間較短的設(shè)定，這里通過(guò)邏輯語(yǔ)段設(shè)置了使得溫度得傳感器能夠每隔10s（+0.5s）采集一次數(shù)據(jù)，起到了采集數(shù)據(jù)延遲較小的作用。配置程序如下所示[4]：

（2）OneNET云平臺(tái)的配置與應(yīng)用設(shè)置

通過(guò)OneNET控制臺(tái)進(jìn)行平臺(tái)創(chuàng)建，同時(shí)使用 MQTT通信協(xié)議將所有設(shè)備接入OneNET 平臺(tái)，這里使用的MQTT協(xié)議是所開(kāi)發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議，是現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)連接的主要選擇，成為了進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)操作的重要組成部分。同時(shí)該協(xié)議支持所有平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部的整體連接。 進(jìn)入云平臺(tái)應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)用添加與編輯，當(dāng)傳感器所得測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)上傳后進(jìn)行配置，這時(shí)由MQTT進(jìn)行介紹發(fā)送處理任務(wù)，即處理發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)和處理接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)流，使其回顯給串口助手接收的數(shù)據(jù)，能在云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與記錄，以達(dá)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后續(xù)分析的效果。若接收的緩沖區(qū)有服務(wù)命令，則將傳感器采集數(shù)據(jù)移交至命令緩沖區(qū)。

（3）topic與命令配置

用戶應(yīng)用層創(chuàng)建APP的topic需要對(duì)系統(tǒng)必要的溫度，定位等傳感主題進(jìn)行配置添加，訂閱App發(fā)布相關(guān)topic，同時(shí)發(fā)布本地模塊狀態(tài)topic，對(duì)控制命令以及控制模塊進(jìn)行初始態(tài)設(shè)置，使得APP能夠?qū)崟r(shí)獲得設(shè)備狀態(tài)并獲取管理員命令，并對(duì)MQTT消息進(jìn)行解碼，根據(jù)需求修改字符判定。這里設(shè)計(jì)了相應(yīng)程序，需要判斷是否已經(jīng)連接APP應(yīng)用的客戶端上，一旦顯示錯(cuò)誤，自動(dòng)退回接收信息步驟。APP應(yīng)用與數(shù)據(jù)管理層的相應(yīng)框架如圖3所示。

圖3 APP應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理層框架圖

（4）上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示部分

在上位機(jī)的系統(tǒng)界面為了便利和可操控強(qiáng)以及實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，我們利用了MSConm、MSFlexGrid插件和Timer插件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在串口調(diào)試的上位機(jī)之上，接收來(lái)自串口所監(jiān)測(cè)和發(fā)送的溫度，和位置信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)包，并連接了相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，在系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行顯示。該上位機(jī)部分集合了連接和斷開(kāi)的功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨時(shí)開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能特點(diǎn)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊下方有體溫的相應(yīng)監(jiān)測(cè)口，實(shí)時(shí)進(jìn)行體溫測(cè)量，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存；同時(shí)，該監(jiān)測(cè)界面添加了經(jīng)度和緯度，以及電子實(shí)時(shí)地圖界面，提高了定位的精準(zhǔn)性，為疫情監(jiān)測(cè)和防控等方面提高了效率。

3 結(jié)論

本文基于OneNET云平臺(tái)設(shè)計(jì)健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及新冠肺炎預(yù)警系統(tǒng)，利用MQTT通信協(xié)議將數(shù)據(jù)采集部分傳感器所采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，并建立APP，通過(guò)遠(yuǎn)程的操控與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人群的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。在設(shè)計(jì)方面，利用了STM32和Esp8266開(kāi)發(fā)板，并融入了FreeRTOS操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理，降低模塊（傳感器，控制）間的耦合性，同時(shí)便利了增刪模塊等功能，提高開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本，也使得管理層的操作更加便捷，對(duì)于疫情的監(jiān)測(cè)起到很大的作用，使得問(wèn)題能及時(shí)有效的解決，病情能即使有效的進(jìn)行治療和隔離。該系統(tǒng)應(yīng)用效率高于人工檢測(cè)的效率，同時(shí)有效降低了監(jiān)測(cè)時(shí)的錯(cuò)誤率。

圖4 APP系統(tǒng)應(yīng)用界面顯示圖