物联网技术在学生体温监测定位系统中的应用研究

苗 玥 王润文 邢俊凤

（1.内蒙古包头医学院计算机科学与技术系 内蒙古 014040；2.内蒙古包头师范学院计算机科学与技术系 内蒙古 014040）

0 引言

近些年来，因各种流感病毒引起的疾病层出不穷，如何高效控制这些疾病的传播成为全世界共同探讨的问题。而这些疾病在发病期间常伴有发烧发热现象，因此体温实时测量和监控显得尤为重要。校园是人群居住比较密集的地方，成为传染性疾病爆发的高危区。目前，学校普遍采取人工或集中式测量方式，这些方式在发现疑似病例和及时处理的实时性方面较差，不仅耽误了治疗时间，还会增加医护和其他测量人员被感染的几率。

物联网技术应用比较广泛，主要应用在环境检测、智能交通、医疗护理、城市建设、农业、工业自动化、智能电网等领域。当前，世界各国的物联网基本都处于技术研究与试验阶段：美、日、韩、欧盟等国都投入巨资深入研究探索物联网，并启动了以物联网为基础的国家性区域战略规划[1～5]。我国物联网的研究已经纳入重点产业振兴计划中，2010年《政府工作报告》中，再次指出：将“加快物联网的研发应用”。

《物联网白皮书（2011）》认为：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络的延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互连，进行计算机、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的[6]。

随着无线网络技术的不断发展与成熟，无线测温系统的研发在国内外都获得较好的成果。传统的有线体温监测系统中，采用有线传输方式将温度传感器通过分线器与主控机相连。这样必然导致系统布线复杂、成本高、故障率高并且难以维护、系统可扩展性差以及移动性能差等缺点。基于这种情况，提出了本项目的研究，采用物联网技术实现无线温度测量和定位。

1 基于物联网的学生体温监测定位系统的设计和实现

该系统通过无线传感器采集到体温数据，并自动上传至汇聚节点，通过节点的串口将数据传至 PC机，并保存到数据库服务器中，远程监控人员通过浏览器可以随时获得体温数据，有不正常的体温时，系统出现报警功能，并且通过红外传感器设备定位体温异常学生的位置。

1.1 技术路线

本系统的建设采取如下总体技术思路，兼并考虑平台的整体性与可扩充性，具体解决问题及路线如图1所示[7]。

（1）构建软件平台：本系统采用主流VS平台、大型关系数据库技术、现代网络通讯技术，充分考虑网络环境开放性的基础上，形成完备、准确的实时体温监控定位系统。

（2）采用面向对象的软件设计思想：在软件开发技术中，面向对象的软件开发技术成为当今主流。本平台的建设与开发将采用面向对象的软件工程方法。

（3）面向服务的软件架构（SOA）的应用：系统软件架构将尽可能采用面向服务的软件架构 SOA（Service-Oriented Architecture）。系统设计与开发过程中尽可能将系统应用程序功能封装和发布为Web服务（Web Service），通过服务注册和服务目录，提供Web服务，使系统的功能可以采用松耦合的方式实现集成，并使平台具有可扩展性。

图1 技术路线图

1.2 系统结构

（1）下位机部分

本系统采用树状结构底层网络的拓扑结构，主要采用基于ZigBee传办输协议的无线传感网络，其中每个体温测量终端节点负责采集数据，终端节点之间没有数据通信；终端节点与无线传感器之间进行无线通信，将数据转发到路由节点，然后通过无线传通信的方式将采集的数据及物理地址通过无线传感器转发到协调器，协调器是计算机与无线传感网络的接口。

（2）上位机部分

协调器通过串口RS232将数据发送到PC机，在PC机上利用C/S模式的软件对采集的数据进行加工处理后，保存到服务器的数据库。在此基础上可以开发出基于B/S模式的Web客户端，主要功能可以实现远体温实时监测和体温异常监测及历史体温查询等操作。

1.3 软件主要模块

在需求分析的基础上确定了总体的工作方案，在规定的时间段内，通过测温终端对学生进行体温测定，并自动将数据上传到协调器，通过协调器的串口将数据保存到数据库服务器中，远程监控人员通过浏览器及时监控和定位异常体温的学生，具体功能模块如图所示：

（1）体温采集数据存储模块：数据存储模块用于把数据存储在服务器端；

（2）节点配置模块：主要实现的功能是将学生信息与终端节点信息绑定，路由节点信息与宿舍号绑定，方便我们查询相关信息。在信息绑定的过程中，管理员可以对这些绑定信息进行增加、删除、修改、查看等基本操作。

（3）报表生成模块：用于显示学生的历史体温数据；对历史数据的管理功能"主要实现的功能是查看单个学生的历史体温信息，通知单个学生重测体温，重新获取学生位置和单个学生最近一周内的体温曲线统计图等基本信息。

（4）基于B/S结构的报警模块：用于显示异常学生体温、位置等相关信息。

2 数据库设计

本系统主要采用 SQLServer2008来进行软件数据库的设计，SQLServer2008具有分布式处理数据和强大的数据库管理的功能。在设计数据库时尽量采取减少数据冗余的原则和各张表之间尽可能关系简单的原则进行，尽量做到便于功能扩展和维护[8～9]。本系统中设计的表有学生信息表（ID、姓名、专业、年级、宿舍号、辅导员等基本信息）、路由节点信息表（宿舍号和路由节点基本信息）、用户表（ID、姓名、密码）、温度表（温度、时间和路由节点信息）、报警表（温度、节点信息、日期、报警类型）、温度限度表（上限值、下限值、连接信息等）。

3 系统解决的主要问题

（1）网络拓扑结构：根据学校宿舍的布局，构建合适的网络结构，需要考虑传输距离和覆盖范围，本系统采用树形拓扑结构。通过对比不同的无线传输网络协议，需要采用Zigbee无线网络协议，该协议具有射频传输成本低，功耗低等特点。在原有 Zigbee 协议栈基础上进行修改后，设计出适合本系统的应用程序，主要包括节点组网程序、数据传输程序、数据采集程序和串口通信程序等。

（2）终端节点设计：在本项目中需要的硬件分别有终端节点、路由器、协调器及 PC机等。终端节点的功能主要负责数据采集及处理和红外定位功能，其主要的硬件包含温度采集模块、红外检测模块、无线射频芯片、数据处理芯片、液晶显示模块及电源模块。因为终端节点数目比较多，所以要考虑成本问题及体积问题，节点的硬件成本要低廉，要具有低功耗的特点及数据处理的能力。此外，考虑到在实际应用中，不止采集温度值，可能还要采集更多的数据参数比如心跳、呼吸等，在设计终端节点时预留接口以备系统扩充使用。

（3）传输信号：在信号传输方面，考虑到障碍物会对信号传输过程有阻碍作用，信号会出现丢包现象，所以在终端节点的无线射频模块中使用 CC2530芯片。其具有支持IEEE802.15.4 协议、超低电流消耗和高速的数据传输速率等多方面优点。

（4）定位算法设计：接收节点根据发射节点的发射信号强度和收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传播损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。通过综合考虑节点规模、成本和精度要求，本项目采取与距离无关的基于RSSI的定位算法。

（5）软件设计：在硬件系统的基础上对系统软件进行分类设计，本系统主要有数据采集和业务服务两个平台构成。其中数据采集平台中的温度采集模块可以对体温进行采集。业务服务平台是整个系统的核心。业务服务平台包括的主要涉及有：用户管理、节点管理、异常报警、历史查询、实时监控等几个方面。

4 结语

通过本系统的研制，不仅解决了一次只能测量一个人的体温问题，而且可以降低测量的劳动量，提高测温效率，降低感染率，增强安全性；通过本课题的研究，不仅真正起到实时监控体温的作用，而且还可以进一步探索和拓展物联网技术的应用，具有一定的理论意义和实用价值。

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[5]YuSN，ChengJC.Awireless Physiologial Signal Monitoring System with Integrated Bluetooth And Wi-Fi Technologies[J].Annual International Conference of the IEEE，2005.1（4）：2203-2206.

[6]工业和信息化部电信研究院.物联网白皮书（2011）.

[7]刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学，2010，37（6）：1-10．

[8]邓良松，刘海岩，陆丽娜.软件工程[M].西安电子科技大学出版社，2004.6.

[9]萨师煊，王珊.数据库系统概论[M].高等教育出版社，2006.5.