基于物联网的学生体温监测定位系统的研究与实现

苗 玥,唐思源,王枝梅

（内蒙古科技大学包头医学院计算机科学与技术系,内蒙古包头,014040）

基于物联网的学生体温监测定位系统的研究与实现

苗 玥,唐思源,王枝梅

（内蒙古科技大学包头医学院计算机科学与技术系,内蒙古包头,014040）

本系统采用高性能、低功耗的无线收发射频芯片和温度传感器进行数据的采集和收发，能够实现数据的实时处理、存储和查询及报警定位功能。

物联网;体温;传感器

0 引言

本系统采用传感器测温的方式将采集到体温数据，通过无线网络自动上传至PC上位机，并保存到数据库服务器中，远程监控人员通过浏览器获取检测实时体温，有不正常的体温时，系统出现报警功能，并且通过传感器设备定位体温异常人员的位置，将异常体温人员的情况反馈到相关部门及时进行隔离或诊治，有助于相关人员做出快速反应。

1 系统设计方案

本系统主要有三部分构成：数据采集模块、无线通信模块和数据处理模块。传感器节点采集到体温数据，通过无线网络的zigbee协议，将采集到的数据利用CC2530无线射频芯片发送和接收，通过串口与上位机相连可以将数据接收并存储在数据库服务器中，由于在上位机端是以一对多的形式在接收数据，所以需要对串口缓冲区进行数据处理和分析，防止被下一次传送来的数据所覆盖，保证采集数据的正确性，设计方案如图1-1所示。

2 系统组成

基于物联网的学生体温监测定位系统主要有传感器、路由器、协调器、Zigbee协议及相关软件构成。

2.1 传感器

因传感器节点比较多，应具有尺寸小、功耗低、适应性强等特点。考虑到成本和体积问题，在节点的硬件方面，不仅要求成本低廉，而且要求具有低功耗及数据处理的能力，具有数据采集、发送和接收及定位等功能，主要包括无线通信模块CC2530、数据处理模块MSP430、电源、时钟、LED 、数字测温组成。其中MSP430主要负责将体温测量的数据进行模数转换和存储， CC2530不对数据进行加工，主要将封装的数据进行发送，同时还负责加入协调器建立的网络，接收上位机传送的指令。

在测温模块中采用数字温度传感器DS18B20，该芯片具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，引脚简单，精度高，可方便地进行温度测量等特点。其工作电压为3～3.5 v，测温范围为-55～125℃ ，在-10～85℃时测温精度为士0.5℃。在体温采集过程中，体温传感器节点可以灵活的接入和退出，而不会影响网络的稳定性，使网络具有调整性和重构性，传感器节点根据协调器的指令能进行体温监测并将采集到的数据传到协调器。

传感器节点软件部分主要包括初始化、数据采集处理、数据传输处理、接收上位机命令和系统休眠五大部分。

2.2 协调器

协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成。协调器节点是整个网络的主要控制者，它通常具有相对于其他节点更强大的功能，主要负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点等功能，在网络建立形成后，还可以执行相应的路由功能，可以参与路由发现、消息转发、允许其他节点加入网络等功能。通过协调器节点管理和调度各传感器节点的工作，其运行直接影响无线网络系统的稳定性。协调器接收到数据后，判断是网络地址还是数据，若是传感器的网络地址，与传感器节点之间建立起通信链路，把该地址存储在网络地址表里；若是传感器采集的数据信息，则以一定格式把传感器节点采集到的体温数据组装成信息帧，通过USB接口上传到上位机。协调器节点采用CC2530F256芯片，该芯片具有串口模块、晶振模块、LED 指示灯、电源模块OLED 显示模块、CC2591 模块，256KB 可编程闪存。通讯接口采用标准的RS232，将收集的数据通过UART转USB通信电路上传到计算机，通过上位机的软件管理模块可以将收集的数据进行统计分析。

2.3 路由器节点

路由器节点主要负责数据转发，不承担数据采集任务。路由节点将采集到的已按照数据帧格式封装的体温数据层层转发到协调器节点，路由节点与终端节点之间进行通信。路由器是网络的中间设备，可以选择已有网络加入，允许传感器节点加入或离开网络，具有路由启动和修复功能，为了降低成本尽量减少路由器的数量，根据实际需求而确定。

2.4 无线通信协议

图1 -1 系统总体框图

常用的通信协议有蓝牙、第三代移动通信、ZigBee、wifi等。其中ZigBee协议是一种近距离、低功耗、经济、高效的无线通信标准。相对于其他无信通信协议来说，ZigBee协议结构简单，占用资源少，更容易实施。ZigBee具有功耗低，发射功率仅为1mw，所以传感器节点可以采用普通电池也能工作很长时间；ZigBee提供了128位高级加密标准安全措施及CSMA/CA信道访问机制，可以保证数据传输的安全性；ZigBee采用自组网通信，支持星型、树型、网状网络等拓扑结构，本系统采用树状结构底层网络的拓扑结构，有16位网络地址，最多容纳65000多个节点。

3 系统软件组成

3.1 上位机软件模块

上位机主要完成数据的采集、数据存储及命令发送等功能。首先接收由协调器与PC上位机相连的USB转UART接口模块采集到的数据，并按协议帧的格式对数据进行解析，将解析过的数据利用C/S模式的串口通信软件保存到服务器数据库中；通过串口通信软件可以把数据库中的命令发送到传感器终端。在此基础上可以利用基于B/S模式的Web客户端对数据库服务器中的数据进行实时分析和处，实现远程体温实时监测和体温异常监测及历史体温查询等操作。

为避免数据传送到上位机时被覆盖，需要对串口进行管理和编程。在编程实现过程中采用了Serialport类，SerialPort类串口数据的读取和写入操作有很大的不同。对于串口的读取操作有线程实时读串口和事件触发两种方法，前者要不断进行轮询，效率不高，所以采用事件触发的方式进行。由于串口不知道数据何时到达，只要有数据到达时就触发DataReceived事件，通过调用ReadExisting方法来实现数据的读取，使用Write方法把数据写到缓冲区。

在上位机管理软件开发中主要采用面向对象技术，该管理软件的功能还有查看整个传感器节点的网络拓扑结构，在查看某个节点的时，只需点击某个节点即可显示地址、位置、实时温度值及历史体温数据曲线。此外还有节点配置模块，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。此外，还用到了ADO.NET技术，它是微软公司提供访问数据库的一组类库，主要包含数据库提供程序Provider和DataSet两个成员，利用提供程序可以实现数据库的连接及对数据库执行增加、删除、修改、查询等操作，通过DataSet可以实现断开式连接，这种方式降低了对数据库服务器访问的负荷。

3.2 基于B/S模式的体温在线监控模块

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。主要实现的功能是用户管理、异常报警、历史查询、实时监控等几个方面。可以查看某个学生的历史体温信息，通知学生重测体温，获取学生位置和某个学生最近的体温曲线统计图等基本信息；能够查询异常学生体温、位置，并把异常学生的信息发给相关管理员或医护人员，对异常学生进行重点监护和隔离，防止出现交叉感染。

3.3 无线网络定位设计

在定位方面，需要三种设备，分别是参考节点、协调器节点、需要定位的节点；还需要基于信号强度的测量参数RSSI。RSSI是指无线射频芯片中发射的信号强度，在基于RSSI的测距机制中，发射节点发射信号，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论模型将传输损耗转化为距离。其中协调器节点中的CC2530具有一个定位引擎硬件核心，其功能主要是计算无线传感器网络中定位节点的位置坐标。定位过程首先要进行测距，由于定位节点的位置在定位区域是变化的，需要通过RSSI传播模型测量每个参考节点和定位节点的距离；利用定位算法计算出定位节点的位置，然后该定位节点把计算的位置信息发送给协调器，通过串口传给上位机存储定位节点的位置。

4 结语

基于物联网的学生体温监测定位系统实现了无线测量，提高了测温效率，降低感染率，增强安全性；本文通过使用传感器及无线网络将采集到的温度数据上传到上位机上，可以对体温进行实时监控，对于超过上限温度进行自动报警，起到了实时监控的作用。

[1] 苗玥.物联网技术在学生体温监测定位系统中的应用研究[j].网络安全技术与应用，2014.9

[2] 郑进媛.基于WSN的可穿戴式生命特征监护设备的研制[D].重庆:重庆大学，2008.

[3] 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.

[4] 章伟聪.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[j]计算机系统应用, 2011.07

[5] 杨琳.基于CC2430的无线温度测量系统设计[D].西安：西安工业大学，2012

苗玥，（1973.9）内蒙古包头人，副教授，硕士研究生，主要研究领域：计算机应用、网络编程、物联网技术。

The internet of things technology application research in the student body temperature monitoring and positioning system

Miao Yue,Tang Siyuan,Wang Zhimei
(Department of Computer Science And Technology,Baotou Medical College,Baotou 014040, Neimenggu,China)

This system adopts the high performance and low power wireless transceiver rf chip and temperature sensors for data acquisition and sending and receiving,can realize the data real-time processing,storage and query and positioning alarm function.

Internet of things;body temperature;sensor

TP393

A

本文系内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目，项目名称：“基于物联网的学生体温监控定位系统关键技术研究”，项目编号： NJZY13251