王亞麗，郝傳柱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

市場上手環(huán)是一種常見的智能設(shè)備，通常具有記錄用戶運動狀況、檢測健康、與移動設(shè)備進行通信等功能，人們可以通過智能手環(huán)，獲取自己一天中的步數(shù)、能耗、行走里程，還能檢測自己的心率、代謝率、體表溫度和血壓等健康信息，隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)在市場上的手環(huán)還兼具移動支付、和朋友通信等更強大的功能。

學(xué)生在校期間學(xué)校需每天安排大量人員在教學(xué)樓、宿舍、餐廳等地方進行體溫測量，需要耗費更多的工作人員。通過對疫情嚴重性的了解以及國內(nèi)外智能手環(huán)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)目前已有的智能手環(huán)大多在多功能研發(fā)、使用范疇等方面進行研究，但未對學(xué)生管理領(lǐng)域和交互方式進行總結(jié)，且未有大規(guī)模體溫監(jiān)測方面的研究。因而研究設(shè)計一款在學(xué)校范圍內(nèi)使用的監(jiān)測手環(huán)。

1 國內(nèi)外關(guān)于智能手環(huán)的研究

一個優(yōu)質(zhì)智能手環(huán)產(chǎn)品的誕生可以作為一種很好的方式來記錄人的身體動作以及健康情況，并將許多附加健康功能加入產(chǎn)品，比如鍛煉情況、睡眠監(jiān)測、卡路里消耗等持續(xù)性功能。

在1972年，美國手表廠商漢密爾頓鐘表推出首款智能手表——Pulsar Time，它可以根據(jù)所處環(huán)境的光照改變屏幕亮度，并且可以達到“腕上計算”。1982年，日本一家公司推出一款更加智能化的手環(huán)，它可以進行編程，可以說是智能手環(huán)的“鼻祖”。

直至2019年，智能化已經(jīng)深入人們的生活，智能手環(huán)也已經(jīng)是各年齡段都在佩戴的產(chǎn)品，功能變得更加豐富，但功能抄襲嚴重，異形造型居多。大多數(shù)的手環(huán)采用藍牙連接的方式，這種連接方式極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)斷連的現(xiàn)象。在山東華宇工學(xué)院的資源下以及周旭老師和郝傳柱老師的帶領(lǐng)，研究并設(shè)計一款能監(jiān)測體溫和位置且采用Wi-Fi連接的監(jiān)測手環(huán)。

2 校園新冠疫情監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測手環(huán)的設(shè)計分析

2020年的新年被一場疫情打攪，全國人民眾志成城，疫情得以控制。但近段時間，多地疫情反反復(fù)復(fù)出現(xiàn)。在未來一兩年仍存在潛在的隱患，學(xué)生的體溫監(jiān)控及人員流動控制刻不容緩。

2020年春季開學(xué)，面對大量的學(xué)生，山東華宇工學(xué)院安排人員在各個教學(xué)樓、餐廳、宿舍等多處地域進行體溫監(jiān)測，浪費大量人力。目前，市面上出現(xiàn)的智能手環(huán)大多是沒有體溫監(jiān)測功能，即使有這項功能，也沒有辦法達到統(tǒng)一獲取體溫及位置的要求。校園新冠疫情監(jiān)測系統(tǒng)可以應(yīng)用在各省中小學(xué)、幼兒園及高校，達到能夠及時獲取學(xué)生的體溫和位置的目的。

監(jiān)測手環(huán)選用Arduino Nano作為微處理器模塊，Arduino Nano是一款8位微控制的智能芯片，其體積小、功能全面。常用的STC 12C5A60S2雖然價格低廉，易于控制，但其計算速度慢，片上數(shù)據(jù)資源較少，存儲容量較小，它難以存儲大量的編譯器和軟件，以實現(xiàn)快速而又準確的響應(yīng)和控制。并且因為時鐘的限制，使得定時精確度不夠，外圍控制電路大大增加系統(tǒng)工作的不便。STC51系列單片機運算處理速度慢，片上數(shù)據(jù)庫資源少，存儲數(shù)據(jù)庫容量小，難以對較多的大容量編譯器進行存儲，難以實現(xiàn)快速準確的響應(yīng)和控制。

心率模塊選用ADS1292模塊，該模塊用于生物電位測量，低功耗、雙通道、24位模擬前端和心率檢測電路。在心電程序的調(diào)試過程中，團隊中的調(diào)試員以心電信號模擬器作為標準信號，對心電信號進行調(diào)試，實時采集并記錄使用者的心電信號和心電信號波形，實現(xiàn)監(jiān)測手環(huán)顯示心率以及手機APP端動態(tài)心電圖的顯示。

加速度計等模塊的選擇中鑒于CMPedometer系統(tǒng)最低版本需要是iOS8（部分功能需要iOS9），使用范圍小，因此該計步器使用者的設(shè)備具有一定的要求。但是MPU-6050是目前世界上第一個集成的六軸運動信號處理組件，與多組件解決方案產(chǎn)品相比，避免了陀螺儀組合和加速器的時間軸的差異，并且有廣泛的應(yīng)用范圍。最終選用MPU6050六軸傳感器來實現(xiàn)監(jiān)測手環(huán)的計步功能。計步程序調(diào)試時，調(diào)試員將模塊固定在手臂上在平地上來回走動，將顯示數(shù)據(jù)與實際步數(shù)進行對比調(diào)試；同時在多種真實活動場景中進行測試：平地、上下樓梯以及上下坡統(tǒng)計運動步數(shù)，多次進行統(tǒng)計，與實際步數(shù)進行比較，進行調(diào)試。

溫度傳感測量系統(tǒng)模塊首先選擇一款LMT70測溫模塊，LMT70是一款小巧、精度準確、功耗低的導(dǎo)電互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬溫度傳感器，具有對溫度信號的準確輸入和輸出檢測性并使用智能引腳。調(diào)試過程中先測量冰水混合物的溫度，與冰點0℃作比較，進行校準，再將LMT70傳感器對準測量調(diào)試員手腕處溫度，多次測量求取平均值，與標準溫度計實數(shù)進行比較，再次進行調(diào)試，直至兩者所測溫度誤差在允許范圍之內(nèi)。

監(jiān)測手環(huán)的總電路校園新冠疫情監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測手環(huán)采用Arduino Nano單片機作為主控芯片，以ESP8266作為主控制器，配以TI的模擬前端芯片ADS1292、六軸傳感器MPU6050、LMT70溫度傳感器等外圍模塊，實現(xiàn)無線運動傳感器節(jié)點的設(shè)計。監(jiān)測手環(huán)的總電路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測手環(huán)總電路

通過騰訊云平臺，將溫度傳感器與GPS芯片收集的學(xué)生體溫、位置信息經(jīng)過手機APP顯示，體溫正常為綠點，體溫超過37.3℃為紅點，學(xué)生在規(guī)定時間到達校外區(qū)域為黃點，這樣管理人員可以實時掌控學(xué)生體溫及位置。系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)存儲調(diào)用功能，方便對以往數(shù)據(jù)進行調(diào)用查看，有人體溫超標或在隔離期間離開學(xué)校區(qū)域系統(tǒng)將會報警，通知管理人員進行再次核實。

3 成果展示

監(jiān)測手環(huán)外形如圖2所示，系統(tǒng)先對志愿者成員進行初期測試，效果良好，達到預(yù)期效果；其次，擴大試驗范圍，對電氣工程學(xué)院的學(xué)生進行實時監(jiān)測，預(yù)期效果良好；最后，將系統(tǒng)應(yīng)用于全校學(xué)生，每名學(xué)生佩戴“智能之星”，學(xué)生可以從手機APP端實時了解自己的體溫狀況如圖3所示。服務(wù)器端可以實時獲取在校學(xué)生的體溫以及位置，既解決學(xué)生忘記體溫打卡的事情，又解決學(xué)生私自外出的情況。

圖2 監(jiān)測手環(huán)外形

圖3 手機APP端顯示

監(jiān)測手環(huán)是以NB-loT技術(shù)為媒介，利用溫度傳感器與GPS芯片實時收集學(xué)生體溫與位置信息，將信息傳送至上位機，實現(xiàn)對在校生體溫及位置的有效檢測。監(jiān)測手環(huán)不僅使用方便、操作簡單，還可省去大量人工并解決人工的低效問題。

4 結(jié)束語

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，校園新冠疫情監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測手環(huán)具有以下4個優(yōu)點：①該系統(tǒng)的監(jiān)測范圍廣。在同一頻段內(nèi)，NB-IoT技術(shù)比現(xiàn)有的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)接收信號更加靈敏，監(jiān)測范圍也就更廣，足以覆蓋整個校園；②監(jiān)測系統(tǒng)續(xù)航時間長，應(yīng)用簡便。應(yīng)用空中接口信令簡化、PSM、e－DRX等節(jié)能技術(shù)降低終端模塊的功耗；③性價比高。手環(huán)功能特定，僅檢測體溫；④監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測學(xué)生數(shù)量大。使用NB-IoT技術(shù)減少接受指令的數(shù)據(jù)，信息接入能力增強，可以監(jiān)測的學(xué)生數(shù)量大。

目前裝置的初期模型比較大，不便于攜帶。后期將會采用高集成度的SoC芯片，這種新型SoC芯片由于其高集成度的技術(shù)和設(shè)計解決方案所制造，它具有運動穩(wěn)定性強、測量精確度高、反應(yīng)快速以及價格低等優(yōu)點，使其更加小型化、便攜。