苗 玥 王潤(rùn)文 邢俊鳳

（1.內(nèi)蒙古包頭醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 內(nèi)蒙古 014040；2.內(nèi)蒙古包頭師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 內(nèi)蒙古 014040）

0 引言

近些年來(lái)，因各種流感病毒引起的疾病層出不窮，如何高效控制這些疾病的傳播成為全世界共同探討的問(wèn)題。而這些疾病在發(fā)病期間常伴有發(fā)燒發(fā)熱現(xiàn)象，因此體溫實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控顯得尤為重要。校園是人群居住比較密集的地方，成為傳染性疾病爆發(fā)的高危區(qū)。目前，學(xué)校普遍采取人工或集中式測(cè)量方式，這些方式在發(fā)現(xiàn)疑似病例和及時(shí)處理的實(shí)時(shí)性方面較差，不僅耽誤了治療時(shí)間，還會(huì)增加醫(yī)護(hù)和其他測(cè)量人員被感染的幾率。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，主要應(yīng)用在環(huán)境檢測(cè)、智能交通、醫(yī)療護(hù)理、城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。當(dāng)前，世界各國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)基本都處于技術(shù)研究與試驗(yàn)階段：美、日、韓、歐盟等國(guó)都投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)，并啟動(dòng)了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的國(guó)家性區(qū)域戰(zhàn)略規(guī)劃[1～5]。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的研究已經(jīng)納入重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興計(jì)劃中，2010年《政府工作報(bào)告》中，再次指出：將“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”。

《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)（2011）》認(rèn)為：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互連，進(jìn)行計(jì)算機(jī)、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無(wú)縫連接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的[6]。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)外都獲得較好的成果。傳統(tǒng)的有線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用有線傳輸方式將溫度傳感器通過(guò)分線器與主控機(jī)相連。這樣必然導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、成本高、故障率高并且難以維護(hù)、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差以及移動(dòng)性能差等缺點(diǎn)?；谶@種情況，提出了本項(xiàng)目的研究，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度測(cè)量和定位。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生體溫監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器采集到體溫?cái)?shù)據(jù)，并自動(dòng)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的串口將數(shù)據(jù)傳至 PC機(jī)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過(guò)瀏覽器可以隨時(shí)獲得體溫?cái)?shù)據(jù)，有不正常的體溫時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警功能，并且通過(guò)紅外傳感器設(shè)備定位體溫異常學(xué)生的位置。

1.1 技術(shù)路線

本系統(tǒng)的建設(shè)采取如下總體技術(shù)思路，兼并考慮平臺(tái)的整體性與可擴(kuò)充性，具體解決問(wèn)題及路線如圖1所示[7]。

（1）構(gòu)建軟件平臺(tái)：本系統(tǒng)采用主流VS平臺(tái)、大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，充分考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開(kāi)放性的基礎(chǔ)上，形成完備、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)體溫監(jiān)控定位系統(tǒng)。

（2）采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)思想：在軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)中，面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)技術(shù)成為當(dāng)今主流。本平臺(tái)的建設(shè)與開(kāi)發(fā)將采用面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒ā?/p>

（3）面向服務(wù)的軟件架構(gòu)（SOA）的應(yīng)用：系統(tǒng)軟件架構(gòu)將盡可能采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu) SOA（Service-Oriented Architecture）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡可能將系統(tǒng)應(yīng)用程序功能封裝和發(fā)布為Web服務(wù)（Web Service），通過(guò)服務(wù)注冊(cè)和服務(wù)目錄，提供Web服務(wù)，使系統(tǒng)的功能可以采用松耦合的方式實(shí)現(xiàn)集成，并使平臺(tái)具有可擴(kuò)展性。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）下位機(jī)部分

本系統(tǒng)采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)底層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要采用基于ZigBee傳辦輸協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)體溫測(cè)量終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有數(shù)據(jù)通信；終端節(jié)點(diǎn)與無(wú)線傳感器之間進(jìn)行無(wú)線通信，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)無(wú)線傳通信的方式將采集的數(shù)據(jù)及物理地址通過(guò)無(wú)線傳感器轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器是計(jì)算機(jī)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的接口。

（2）上位機(jī)部分

協(xié)調(diào)器通過(guò)串口RS232將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，在PC機(jī)上利用C/S模式的軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后，保存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上可以開(kāi)發(fā)出基于B/S模式的Web客戶端，主要功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和體溫異常監(jiān)測(cè)及歷史體溫查詢等操作。

1.3 軟件主要模塊

在需求分析的基礎(chǔ)上確定了總體的工作方案，在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)測(cè)溫終端對(duì)學(xué)生進(jìn)行體溫測(cè)定，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器，通過(guò)協(xié)調(diào)器的串口將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過(guò)瀏覽器及時(shí)監(jiān)控和定位異常體溫的學(xué)生，具體功能模塊如圖所示：

（1）體溫采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端；

（2）節(jié)點(diǎn)配置模塊：主要實(shí)現(xiàn)的功能是將學(xué)生信息與終端節(jié)點(diǎn)信息綁定，路由節(jié)點(diǎn)信息與宿舍號(hào)綁定，方便我們查詢相關(guān)信息。在信息綁定的過(guò)程中，管理員可以對(duì)這些綁定信息進(jìn)行增加、刪除、修改、查看等基本操作。

（3）報(bào)表生成模塊：用于顯示學(xué)生的歷史體溫?cái)?shù)據(jù)；對(duì)歷史數(shù)據(jù)的管理功能"主要實(shí)現(xiàn)的功能是查看單個(gè)學(xué)生的歷史體溫信息，通知單個(gè)學(xué)生重測(cè)體溫，重新獲取學(xué)生位置和單個(gè)學(xué)生最近一周內(nèi)的體溫曲線統(tǒng)計(jì)圖等基本信息。

（4）基于B/S結(jié)構(gòu)的報(bào)警模塊：用于顯示異常學(xué)生體溫、位置等相關(guān)信息。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用 SQLServer2008來(lái)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，SQLServer2008具有分布式處理數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理的功能。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)盡量采取減少數(shù)據(jù)冗余的原則和各張表之間盡可能關(guān)系簡(jiǎn)單的原則進(jìn)行，盡量做到便于功能擴(kuò)展和維護(hù)[8～9]。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的表有學(xué)生信息表（ID、姓名、專業(yè)、年級(jí)、宿舍號(hào)、輔導(dǎo)員等基本信息）、路由節(jié)點(diǎn)信息表（宿舍號(hào)和路由節(jié)點(diǎn)基本信息）、用戶表（ID、姓名、密碼）、溫度表（溫度、時(shí)間和路由節(jié)點(diǎn)信息）、報(bào)警表（溫度、節(jié)點(diǎn)信息、日期、報(bào)警類型）、溫度限度表（上限值、下限值、連接信息等）。

3 系統(tǒng)解決的主要問(wèn)題

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：根據(jù)學(xué)校宿舍的布局，構(gòu)建合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要考慮傳輸距離和覆蓋范圍，本系統(tǒng)采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比不同的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要采用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議具有射頻傳輸成本低，功耗低等特點(diǎn)。在原有 Zigbee 協(xié)議?；A(chǔ)上進(jìn)行修改后，設(shè)計(jì)出適合本系統(tǒng)的應(yīng)用程序，主要包括節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序、數(shù)據(jù)傳輸程序、數(shù)據(jù)采集程序和串口通信程序等。

（2）終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：在本項(xiàng)目中需要的硬件分別有終端節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器及 PC機(jī)等。終端節(jié)點(diǎn)的功能主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及處理和紅外定位功能，其主要的硬件包含溫度采集模塊、紅外檢測(cè)模塊、無(wú)線射頻芯片、數(shù)據(jù)處理芯片、液晶顯示模塊及電源模塊。因?yàn)榻K端節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多，所以要考慮成本問(wèn)題及體積問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)的硬件成本要低廉，要具有低功耗的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理的能力。此外，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，不止采集溫度值，可能還要采集更多的數(shù)據(jù)參數(shù)比如心跳、呼吸等，在設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)預(yù)留接口以備系統(tǒng)擴(kuò)充使用。

（3）傳輸信號(hào)：在信號(hào)傳輸方面，考慮到障礙物會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程有阻礙作用，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，所以在終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射頻模塊中使用 CC2530芯片。其具有支持IEEE802.15.4 協(xié)議、超低電流消耗和高速的數(shù)據(jù)傳輸速率等多方面優(yōu)點(diǎn)。

（4）定位算法設(shè)計(jì)：接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和收到信號(hào)的強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鞑p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。通過(guò)綜合考慮節(jié)點(diǎn)規(guī)模、成本和精度要求，本項(xiàng)目采取與距離無(wú)關(guān)的基于RSSI的定位算法。

（5）軟件設(shè)計(jì)：在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)服務(wù)兩個(gè)平臺(tái)構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中的溫度采集模塊可以對(duì)體溫進(jìn)行采集。業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)包括的主要涉及有：用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、異常報(bào)警、歷史查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)控等幾個(gè)方面。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本系統(tǒng)的研制，不僅解決了一次只能測(cè)量一個(gè)人的體溫問(wèn)題，而且可以降低測(cè)量的勞動(dòng)量，提高測(cè)溫效率，降低感染率，增強(qiáng)安全性；通過(guò)本課題的研究，不僅真正起到實(shí)時(shí)監(jiān)控體溫的作用，而且還可以進(jìn)一步探索和拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

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