校园新冠疫情监测系统中监测手环研究与设计

王亚丽，郝传柱

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

市场上手环是一种常见的智能设备，通常具有记录用户运动状况、检测健康、与移动设备进行通信等功能，人们可以通过智能手环，获取自己一天中的步数、能耗、行走里程，还能检测自己的心率、代谢率、体表温度和血压等健康信息，随着时代的发展，现在市场上的手环还兼具移动支付、和朋友通信等更强大的功能。

学生在校期间学校需每天安排大量人员在教学楼、宿舍、餐厅等地方进行体温测量，需要耗费更多的工作人员。通过对疫情严重性的了解以及国内外智能手环产品的发展现状进行分析，发现目前已有的智能手环大多在多功能研发、使用范畴等方面进行研究，但未对学生管理领域和交互方式进行总结，且未有大规模体温监测方面的研究。因而研究设计一款在学校范围内使用的监测手环。

1 国内外关于智能手环的研究

一个优质智能手环产品的诞生可以作为一种很好的方式来记录人的身体动作以及健康情况，并将许多附加健康功能加入产品，比如锻炼情况、睡眠监测、卡路里消耗等持续性功能。

在1972年，美国手表厂商汉密尔顿钟表推出首款智能手表——Pulsar Time，它可以根据所处环境的光照改变屏幕亮度，并且可以达到“腕上计算”。1982年，日本一家公司推出一款更加智能化的手环，它可以进行编程，可以说是智能手环的“鼻祖”。

直至2019年，智能化已经深入人们的生活，智能手环也已经是各年龄段都在佩戴的产品，功能变得更加丰富，但功能抄袭严重，异形造型居多。大多数的手环采用蓝牙连接的方式，这种连接方式极不稳定，容易出现断连的现象。在山东华宇工学院的资源下以及周旭老师和郝传柱老师的带领，研究并设计一款能监测体温和位置且采用Wi-Fi连接的监测手环。

2 校园新冠疫情监测系统中监测手环的设计分析

2020年的新年被一场疫情打搅，全国人民众志成城，疫情得以控制。但近段时间，多地疫情反反复复出现。在未来一两年仍存在潜在的隐患，学生的体温监控及人员流动控制刻不容缓。

2020年春季开学，面对大量的学生，山东华宇工学院安排人员在各个教学楼、餐厅、宿舍等多处地域进行体温监测，浪费大量人力。目前，市面上出现的智能手环大多是没有体温监测功能，即使有这项功能，也没有办法达到统一获取体温及位置的要求。校园新冠疫情监测系统可以应用在各省中小学、幼儿园及高校，达到能够及时获取学生的体温和位置的目的。

监测手环选用Arduino Nano作为微处理器模块，Arduino Nano是一款8位微控制的智能芯片，其体积小、功能全面。常用的STC 12C5A60S2虽然价格低廉，易于控制，但其计算速度慢，片上数据资源较少，存储容量较小，它难以存储大量的编译器和软件，以实现快速而又准确的响应和控制。并且因为时钟的限制，使得定时精确度不够，外围控制电路大大增加系统工作的不便。STC51系列单片机运算处理速度慢，片上数据库资源少，存储数据库容量小，难以对较多的大容量编译器进行存储，难以实现快速准确的响应和控制。

心率模块选用ADS1292模块，该模块用于生物电位测量，低功耗、双通道、24位模拟前端和心率检测电路。在心电程序的调试过程中，团队中的调试员以心电信号模拟器作为标准信号，对心电信号进行调试，实时采集并记录使用者的心电信号和心电信号波形，实现监测手环显示心率以及手机APP端动态心电图的显示。

加速度计等模块的选择中鉴于CMPedometer系统最低版本需要是iOS8（部分功能需要iOS9），使用范围小，因此该计步器使用者的设备具有一定的要求。但是MPU-6050是目前世界上第一个集成的六轴运动信号处理组件，与多组件解决方案产品相比，避免了陀螺仪组合和加速器的时间轴的差异，并且有广泛的应用范围。最终选用MPU6050六轴传感器来实现监测手环的计步功能。计步程序调试时，调试员将模块固定在手臂上在平地上来回走动，将显示数据与实际步数进行对比调试；同时在多种真实活动场景中进行测试：平地、上下楼梯以及上下坡统计运动步数，多次进行统计，与实际步数进行比较，进行调试。

温度传感测量系统模块首先选择一款LMT70测温模块，LMT70是一款小巧、精度准确、功耗低的导电互补式金属氧化物半导体（CMOS）模拟温度传感器，具有对温度信号的准确输入和输出检测性并使用智能引脚。调试过程中先测量冰水混合物的温度，与冰点0℃作比较，进行校准，再将LMT70传感器对准测量调试员手腕处温度，多次测量求取平均值，与标准温度计实数进行比较，再次进行调试，直至两者所测温度误差在允许范围之内。

监测手环的总电路校园新冠疫情监测系统的监测手环采用Arduino Nano单片机作为主控芯片，以ESP8266作为主控制器，配以TI的模拟前端芯片ADS1292、六轴传感器MPU6050、LMT70温度传感器等外围模块，实现无线运动传感器节点的设计。监测手环的总电路如图1所示。

图1 监测手环总电路

通过腾讯云平台，将温度传感器与GPS芯片收集的学生体温、位置信息经过手机APP显示，体温正常为绿点，体温超过37.3℃为红点，学生在规定时间到达校外区域为黄点，这样管理人员可以实时掌控学生体温及位置。系统设有数据存储调用功能，方便对以往数据进行调用查看，有人体温超标或在隔离期间离开学校区域系统将会报警，通知管理人员进行再次核实。

3 成果展示

监测手环外形如图2所示，系统先对志愿者成员进行初期测试，效果良好，达到预期效果；其次，扩大试验范围，对电气工程学院的学生进行实时监测，预期效果良好；最后，将系统应用于全校学生，每名学生佩戴“智能之星”，学生可以从手机APP端实时了解自己的体温状况如图3所示。服务器端可以实时获取在校学生的体温以及位置，既解决学生忘记体温打卡的事情，又解决学生私自外出的情况。

图2 监测手环外形

图3 手机APP端显示

监测手环是以NB-loT技术为媒介，利用温度传感器与GPS芯片实时收集学生体温与位置信息，将信息传送至上位机，实现对在校生体温及位置的有效检测。监测手环不仅使用方便、操作简单，还可省去大量人工并解决人工的低效问题。

4 结束语

与现有的技术相比，校园新冠疫情监测系统监测手环具有以下4个优点：①该系统的监测范围广。在同一频段内，NB-IoT技术比现有的技术网络接收信号更加灵敏，监测范围也就更广，足以覆盖整个校园；②监测系统续航时间长，应用简便。应用空中接口信令简化、PSM、e－DRX等节能技术降低终端模块的功耗；③性价比高。手环功能特定，仅检测体温；④监测系统监测学生数量大。使用NB-IoT技术减少接受指令的数据，信息接入能力增强，可以监测的学生数量大。

目前装置的初期模型比较大，不便于携带。后期将会采用高集成度的SoC芯片，这种新型SoC芯片由于其高集成度的技术和设计解决方案所制造，它具有运动稳定性强、测量精确度高、反应快速以及价格低等优点，使其更加小型化、便携。