基于ZigBee协议的矿工体温无线监测系统*

樊 强，苗曙光，邵 丹，李 峥，刘忠育

(1.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000;2.中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116;3.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221116)

0 引 言

目前，新冠病毒的防治在全国人民的不懈努力下取得了不错的成绩，然而，由近期印度地区的新冠病毒患者人数骤然攀升的情况可知，对于新冠病毒的防治依旧不容松懈。又因煤炭资源在中国的能源储备中占有较大比重，在未来较长一段时间内对煤炭的开采不会停止。而对于井下作业的煤炭开采工人来说，在空间狭小、空气流通不畅的矿道内更加要注意疫情的防控。发烧是新冠病毒患者的重要表现之一，因此,对矿工人员的体温检测不可避免，而传统的水银体温计及红外额温枪虽然能够较为准确地测量体温，但使用不方便且不够及时。ZigBee通信技术具有网络自组织、自愈以及低功耗的特点，适用于多节点、低功耗、低成本和网络复杂要求的网络通信场景[1]。

针对上述问题，本文参考设计了基于ZigBee协议的矿工体温无线监测系统。该系统采用ZigBee通信技术与传感器节点相结合的方法组成无线传感器网络，然后通过WiFi模块将数据传到云端服务器进行记录和显示以达到远程监测的目的。该系统能够实现对所有井下采矿工人体温的实时监测，及时发现体温异常的采矿人员以采取及时的隔离检查治疗等措施来防止疫情的大面积扩散。因此，该系统具有良好的应用前景和推广价值。

1 整体概述

本文系统按照功能可划分为数据采集、数据处理、数据传输以及数据显示4个部分，系统的整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

数据采集部分主要负责通过体温传感器对矿工的体温数据进行初步的采集；数据处理部分将体温传感器采集到的数据进行处理以得到稳定且直观的体温数据；数据传输部分通过无线网络通信的方式对处理后的数据进行发送和转发以及上传至云端服务器；数据显示部分主要负责对处理后的数据进行实时的显示以达到实时监测的目的。除此之外，为了佩戴方便，系统采取终端设备电池供电的电源设计。

2 各部分设计

2.1 数据采集部分

数据采集部分选用的是LMT70体温采集模块，LMT70芯片体积小、功耗低，非常适用于便携式传感器节点的设计。矿工通过佩戴终端设备，LMT70通过接触以热传递的方式检测矿工的体温数据并以模拟电压信号的形式输出，通过CC2530芯片的模数转换功能便可将该模拟信号转换成数字信号，最后通过一定的公式转换便可达到检测体温的目的。

2.2 数据处理部分

为了尽可能地降低设备的成本以及设备的功耗，选择采用CC2530单片机。CC2530单片机本身包括了性能足够优越的RF收发器，因此，其无需额外添加数据传输模块便可以进行无线数据的传输[2]。体温传感器采集到的数据是以模拟电压信号的形式传到单片机，需要单片机将该模拟信号转换成数字信号且通过均值滤波和数据拟合的方式计算出体温和该电压值的关系，进而将电压值转换成体温数据从而实现测温的目的。

通过LMT70体温采集模块对使用者多次测量得到的电压信号一一记录，然后医用红外体温计测量对应的实际体温并做好记录，体温—输出电压的数据记录如表1所示。通过多次测试，不难发现，检测到的输出电压值与体温存在着一定的非线性关系[3]。采用MATLAB对多组数字电压值与实际体温数据进行多项式数据拟合，数据拟合图像如图2所示。

表1 体温—输出电压数据记录

图2 数据拟合

由MATLAB数据拟合可得体温与电压值的关系式为

Tm=a×z3+b×z2+c×z+d+offset

(1)

式中z=(Vtao-1 119.7)/12.338;a=-0.092 698;b=0.053 755;c=-0.25;d=36.342。

Tm为温度值，℃；Vtao为AD采集到的TAO管脚的电压，mV；offset为拟合较差处的温度补偿，取值为0.04。

2.3 数据传输部分

数据传输分为2部分:1)终端节点到协调器节点的数据传输;2)协调器节点到云端服务器的数据传输。

终端节点到协调器节点采用基于ZigBee协议的Mesh网络进行数据传输。在网络拓扑结构方面，基于ZigBee协议的无线通信网络支持星型、树型和网状3种网络拓扑结构(网络拓扑结构如图3所示)，其中，网状网络的拓扑结构更是能够通过“多跳”的通信方式实现远距离通信而且具有很强的自组织和自愈的能力，这在一定程度上弥补了其数据传输距离近的缺点[4]，使其适用于多节点、远距离且环境复杂的传感器网络的数据传输以及电池供电的低功耗设备[5]。鉴于矿道的特殊地理环境和人员分布情况，选择使用Mesh网络的拓扑结构，终端设备则通过该无线网络将数据广播出去，在无线信号衰弱点通过设置路由器的方法增强无线信号，并对终端设备数据进行转发，以此增加无线通信网络覆盖范围，进而提高数据传输效率和传输质量。

图3 网络拓扑结构

协调器节点到云端服务器的数据传输分为3步进行，协调器以串口通信的方式通过AT指令对ESP8266WiFi模块进行配置，WiFi模块再以TCP协议的形式与云端服务器OneNET平台建立连接，最后通过HTTP协议进行数据传输[6]。OneNET是基于物联网技术和产业打造的开放平台和生态环境，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发[7]。OneNET支持HTTP、MQTT和EDP等多种传输协议，由于本系统仅做数据的上传与记录，并且考虑到设计的复杂度，选择使用HTTP协议[8]。

2.4 数据显示部分

在硬件设计方面，为了便携式的设计，采用0.96寸的OLED屏作为佩戴终端设备显示屏。

为了实现无线远程监测的目的，本文系统采用数据上传云端服务器的方法。云端服务器使用的是OneNET，OneNET不仅能够实时的显示当前数据，对以往的数据还能够加以记录，方便对以往数据的查看。另外，为了防止协调器无法将数据上传至云端服务器，协调器可通过串口通信方式将数据发送至上位机进行显示。

3 软件设计

根据节点在无线传感器网络中充当的身份以及所起到的作用不同，分为终端节点程序设计、路由节点程序设计以及协调器节点的程序设计。

3.1 终端节点软件设计

终端节点主要是起到信息采集和处理的功能，利用该节点对使用者体温数据进行采集以及对体温数据的处理。首先，终端设备通电后先进行初始化，待扫描到网络后会向协调器或者路由器发送入网请求；其次，等到接收到入网请求响应后便可加入网络；最后，终端设备通过其父节点给自己分配的网络地址，便可以与路由节点和协调器进行通信。终端节点设备为便携佩戴式设备，因此，在程序设计时重点考虑了低功耗的节能设计。与协调器和路由节点不同，终端节点具有休眠机制。由于人体的体温不会瞬间升高，因此,可以间歇性地对数据进行采集，通过设置温度阈值的方法，在体温异常时蜂鸣器发出报警。将终端设备以周期广播的方式进行数据无线发送，在数据发送之后和下次数据发送之前终端一直处于休眠状态，此时，终端设备仅外部中断、所选振荡器以及休眠定时器工作，其他内部电路是掉电的且OLED屏幕熄灭，这样能够尽可能地节省锂电池的电量以达到低功耗的目的。在休眠状态下，矿工若感觉身体不适，也可通过按键控制来唤醒设备和点亮OLED屏幕从而进行体温数据的显示以及数据的上传。终端节点的程序流程如图4所示。

图4 终端节点程序流程

3.2 路由节点软件设计

路由节点主要功能:允许终端节点加入网络、终端节点数据路由选择以及辅助其他路由节点通信[9]。不同于星型和树型的网络拓扑结构，网状网络的路由节点可以直接相互通信，能够起到自组织以及网络自愈的能力。路由节点在本系统中主要负责对终端节点数据的路由以及拓宽无线通信网络覆盖范围的作用。路由节点在终端节点程序设计的基础上使用协议栈路由节点配置即可实现路由节点的设计。

3.3 协调器节点软件设计

协调器节点主要负责网络的建立、对终端节点和路由节点加入网络的控制以及数据的汇总[10]。首先，协调器在通电后先进行初始化;然后,选择一个信道以及网络标号组建局域网络。当协调器接收到路由节点或终端节点的入网请求后会对其发送允许入网响应，待设备加入网络后便可以与其进行无线通信。此外，协调器节点通过WiFi模块将该局域网接入互联网，将矿工的体温数据上传到云端进行显示和存储，因此，监测人员可以不受地点限制对矿工的体温进行监测。此外，为了防止协调器无法接入互联网，协调器设备也可以通过串口将数据发送到PC端进行显示。协调器节点程序流程如图5所示。

图5 协调器节点程序流程

4 实验验证

使用该设备对测试者体温进行多次测量，实测数据结果较为准确，误差最大为0.1 ℃，测试数据记录如表2所示。终端设备数据能够实现定时发送和实现休眠功能，OLED屏能够按照预想结果正常显示，云端能够及时收到协调器发来的数据，云端服务器数据显示如图6所示，整体来说能够实现预期效果。

表2 测试数据记录

图6 云端服务器数据显示

5 结束语

本文设计实现了一种基于ZigBee协议的矿工体温无线监测系统，该系统的终端设备节点可以通过电池进行供电，且采用具有休眠机制的低功耗设计，能够很好地实现便携式佩戴的要求。协调器节点、路由节点以及终端节点共同组成了一个Mesh网络，通过WiFi模块接入云端服务器，监测者只需要登录云端服务器即可查看实时数据，因此，该系统能够实现组建范围更广、节点更多的无线通信网络和远程监测的设计要求。除此之外，该系统采用标准的ZigBee协议栈进行开发，系统移植性强，同样可以运用到其他场合或其他领域以实现无线传感器网络节点检测和远程监测的设计。然而，ZigBee通信技术的一个弊端是单次传输距离近，除了通过“多跳”的传输方式增加传输距离外，虽然也能够通过增大发射功率来增加其传输距离，但相应的功耗也将增大，在实际应用中要根据实际情况进行相应取舍。如何在不增加功耗的基础上扩大其传输距离也将成为今后的研究方向。