林軍 楊成菊

【摘 要】 近些年不斷出現(xiàn)各種傳染性病毒，體溫是判斷是否感染的一個重要指標。針對群體體溫監(jiān)控的需要，設計了該款基于ZigBee 的無線網(wǎng)絡體溫監(jiān)控系統(tǒng)，來代替繁瑣的人工監(jiān)測，該系統(tǒng)是一種基于TSic506數(shù)字型溫度傳感器和ZigBee技術的群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)。被測人手帶特制腕表作為群體體溫監(jiān)控網(wǎng)絡的采集終端節(jié)點，實現(xiàn)對人體體溫、心率等體征數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，對超出閾值的能及時發(fā)現(xiàn)并通知相關人員處理，從而阻斷疑似病例傳播，該系統(tǒng)的實現(xiàn)不僅能極大提高監(jiān)測人員的工作效率，也能進一步避免人因測試體溫而感染病毒的風險。

【關鍵詞】 群體體溫;ZigBee技術;STM32F嵌入式及傳感器技術;監(jiān)控系統(tǒng)

體溫是判斷人身體健康好壞的重要依據(jù)，也是現(xiàn)在判斷新冠狀病毒病情的一種最常規(guī)的方法。目前采集體溫數(shù)據(jù)的手段大部分還是使用水銀溫度計、體溫槍或者是體溫檢測儀等。

本文針對群體人員溫度采集的需要，設計了以CC2530微處理器芯片為核心，Tsic506數(shù)字傳感器為溫度采集芯片的ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用TI公司的Z_Stack和LAREW來搭建系統(tǒng)軟件平臺，通過系統(tǒng)功能測試來實現(xiàn)群體體溫監(jiān)控。

1群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)的總體目標就是利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術收集和監(jiān)測校園內(nèi)師生的體溫狀況，預防疾病傳播。實現(xiàn)對象以學校為例，群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的對象是校園內(nèi)的全體成員，滿足群體監(jiān)控的要求。系統(tǒng)總體設計給每個學生分配一個腕表作為采集體溫的終端節(jié)點，在學校的教室、宿舍等學生常在的場所安裝路由節(jié)點作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，每棟教學樓和宿舍樓安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點以及一臺PC形成獨立無線網(wǎng)絡。

1.1監(jiān)控系統(tǒng)架構

該體溫監(jiān)控系統(tǒng)通過體溫傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡的終端采集節(jié)點、中繼轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點以及發(fā)起網(wǎng)絡工作的協(xié)調(diào)器節(jié)點再到STM32處理器和PC處理、分析、顯示數(shù)據(jù)。群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構框架如圖1所示。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡技術

我們采用ZigBee技術自組網(wǎng)方式，每一個網(wǎng)絡節(jié)點之間都是相互連接來實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡布局。ZigBee技術主要特點：（1）發(fā)射功率在1mV，功耗低。（2）ZigBee協(xié)議的復雜度和存儲容量都不高，系統(tǒng)成本大為降低。（3）采用CSMA/CA機制和AES-128加密，可較好穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。（4）支持65000個節(jié)點的無線網(wǎng)絡，可滿足較大網(wǎng)絡需求的覆蓋。（5）ZigBee的啟動和傳輸時間只需15ms的通信延時，不用占據(jù)過長的時間。

ZigBee無線網(wǎng)絡所使用的頻段是通用的2.4GHZ、858MHZ，這些頻段都是免許可的頻段。其采用IEEE802.15.4的標準作為ZigBee網(wǎng)絡層和應用層的協(xié)議，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡內(nèi)，連接地址碼分為16bit短地址或者64bit長地址，具有較大的網(wǎng)絡容量，用戶可以通過網(wǎng)絡層進行自己的需求開發(fā)。

1.3 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構選取

實際運用中，主要由3種組網(wǎng)構成，分別是星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)及網(wǎng)狀型網(wǎng)結(jié)構。所設計的ZigBee無線網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構采用的是點對點形網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡根據(jù)設置可分為樹形和網(wǎng)形。群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)器、路由器和采集終端作為它的網(wǎng)絡節(jié)點。這三種網(wǎng)絡節(jié)點在硬件上是一樣的可以通過軟件改變它的功能屬性。為了使該系統(tǒng)有更好的可行性，保證被測者體溫數(shù)據(jù)的實時性和準確性，對采集終端進行優(yōu)化。本系統(tǒng)采用三種監(jiān)測方式相結(jié)合，一種為檢測人員在PC機上直接發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡傳送給采集終端，采集終端得到指令后采集體溫數(shù)據(jù)并將其通過路由器上傳;另一種是學生按時使用佩戴設備（采集終端）對自己的體溫進行檢測，采集終端再將數(shù)據(jù)通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器;最后一種是將終端設置為定時采集。后面兩種可以設置閾值，終端采集的體溫數(shù)據(jù)不超過閾值的只采集不上傳。

2監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

如上所述群體體溫監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構，該結(jié)構是由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和采集終端節(jié)點所組成。協(xié)調(diào)器、路由器和采集終端為同一種設備，它們所發(fā)揮的功能由所使用的軟件來設置。設備采用的是ZigBee Pro協(xié)議，DZDO_COORDINATOR是協(xié)調(diào)器功能配置，DRTR_NWK是表示將該設備配置為路由器。

這三類網(wǎng)絡節(jié)點硬件上所采用的核心芯片是由IT公司研制的CC2530，該芯片搭載2.4G國際通用頻段，將RF與8051處理器完美集成，收發(fā)數(shù)據(jù)的能力更加穩(wěn)定、可靠。CC2530內(nèi)部有12位的D/A轉(zhuǎn)換器、21個通用I/O端口以及2個全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊。同時可在線編程最大容量可達256KB，能夠支持IEEE802.15.4標準以及多種存儲訪問總線。

2.1終端采集模塊

為了更好實現(xiàn)群體監(jiān)測的要求，需對采集終端節(jié)點進行設計優(yōu)化，以便使其更加小巧容易使用和攜帶。所以為了減少外設更好實現(xiàn)小型化，模塊不接調(diào)試端并采用扣板式的電路板，由于采集終端大部分的時間都在睡眠狀態(tài)，工作時間不長，因此采用3V左右的紐扣電池就能長時間使用，也便于組裝。

采集終端節(jié)點主要負責體溫的數(shù)據(jù)采集，通過路由器節(jié)點發(fā)送至協(xié)調(diào)器，采集終端節(jié)點原理圖、接線圖如圖2、圖3所示。

溫度傳感器模塊又分為數(shù)字型和模擬型兩種，模擬型的傳感器將信號通過電壓或者電流經(jīng)放大電路調(diào)制解調(diào)來實現(xiàn)溫度的數(shù)值，但是這種傳感器體積太大不便嵌入到采集終端模塊中。該系統(tǒng)采用的是IST公司的TSic506溫度傳感器，這款傳感器為單總線數(shù)字輸出，傳感器與CPU之間以一次0.1s的速度實現(xiàn)雙向傳輸，一條數(shù)據(jù)線就可完成。TSic506可測量-50°C至150°C的溫度值，特別在5°C至45°C的測量范圍內(nèi)其精度更可達到±0.1°C，精度更是高于RTD傳感器。TSic506是一種混合信號的溫度傳感器，需要低噪供電，傳感器體積小供電范圍在3V-5V之間，工作電流很低因而所消耗的功率也非常小，只需要一個紐扣電池供電即可，很適合嵌入到一些低功耗的移動設備中。由于TSic506為IC芯片設計，在與微控制器連接時會受到其他芯片供電時的噪聲影響，因此只要在微控制器端口連接一個PC電路將噪聲濾掉即可。

2.2路由器節(jié)點模塊

該系統(tǒng)的路由器節(jié)點主要功能是作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，采集終端節(jié)點通過路由器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其電路不需要與其他硬件相接，只要在軟件中配置就能工作，因此電路相對簡單。

2.3協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊

該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡工作的發(fā)起者，通過路由器節(jié)點收集采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)，是整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的匯集點，將協(xié)調(diào)器節(jié)點STM32F控制器和PC通信，通過控制器和PC處理解析數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點的框圖和連接圖如圖4，5所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收的信息通過SP1口輸入到STM32F控制器進行處理同時通過串口連接到PC端方便檢測人員查看，當發(fā)現(xiàn)所顯示的數(shù)據(jù)超過設定閾值時控制器會及時發(fā)出報警信號示警通知相關人員查看信息及時響應。

3監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用的是IAR Embedded Workbench，IAR System功能強大能滿足多種芯片架構，可按照編程人員設定工作環(huán)境。同時利用C語言編程實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧的Z-Stack架構。

3.1終端節(jié)點軟件實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器選擇一個任意的網(wǎng)絡標識（PANID）來建立網(wǎng)絡，網(wǎng)絡建立后附近的路由器和采集終端向協(xié)調(diào)器發(fā)出信標請求，收到協(xié)調(diào)器同意加入網(wǎng)絡，終端節(jié)點入網(wǎng)流程如圖6所示。采集終端其功能就是采集體溫，其設定工作方式主要有定時采集和接收協(xié)調(diào)器指令采集，通過路由器發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，由于在設計采集終端時能更加小型化，所以在其不作數(shù)據(jù)處理直接發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，采集終端節(jié)點軟件流程如圖7所示

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點在建立網(wǎng)絡后，通過發(fā)送信標幀給臨近的路由器和終端節(jié)點等待其請求入網(wǎng)，收到其入網(wǎng)請求后分配1個獨立的網(wǎng)絡地址，對收到的信息發(fā)送到STM32控制器進行處理，控制器將處理的信號發(fā)送至PC，如果數(shù)據(jù)超過閾值則會觸發(fā)報警提示通知工作人員查看PC端顯示的信息及時處理，協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程如圖8所示。

4監(jiān)控系統(tǒng)測試

通過以上的分析和設計，選擇一所學校的教學樓作為系統(tǒng)測試的場所，找到兩個學生帶上腕表進入不同的教室作為體溫監(jiān)測的終端，將路由器節(jié)點放置樓層的走廊處作為信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)使用，最后將協(xié)調(diào)器節(jié)點、STM32控制器和PC機放在一間教室中做監(jiān)控機。

體溫監(jiān)控系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求和采集終端定時采集兩種方式進行測試，將系統(tǒng)顯示的體溫與體溫計上顯示的數(shù)值對比，體溫監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

通過PC端請求指令顯示的體溫和定時采集所顯示的體溫反復與水銀溫度計進行對比，其兩者的誤差值都在+0.1℃之內(nèi)，滿足測量要求且監(jiān)控系統(tǒng)在通信和功能上都運行正常。

5結(jié)語

本文通過對群體體溫監(jiān)測的需求和可行性方面進行研究，設計基于ZigBee無線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，搭建PC端監(jiān)控平臺，通過硬件和軟件的開發(fā)對采集終端進行優(yōu)化，實現(xiàn)了其小型化、低損耗等優(yōu)點，經(jīng)過實測分析以及精度對比，發(fā)現(xiàn)其能夠很好地滿足群體體溫監(jiān)控的需求，減輕工作人員繁重的檢測任務和降低被感染的風險，在工作的效率和便捷度上都有明顯的提高，具有較好的實用價值。

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