基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張明月

摘 ? 要：在當(dāng)前疫情防控背景下，對(duì)體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的監(jiān)測(cè)是一種十分有效的疫情防控手段，但由于高校內(nèi)師生聚集、人員流動(dòng)性較大，采用傳統(tǒng)的測(cè)溫手段效率低、實(shí)時(shí)性差，無法滿足疫情防控的要求，文章利用當(dāng)前廣泛應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)溫、數(shù)據(jù)上傳、體溫預(yù)警、應(yīng)急處理等功能。

關(guān)鍵詞：體溫監(jiān)測(cè);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);疫情防控

2020年年初，我國(guó)正處在新型冠狀病毒感染的肺炎防控關(guān)鍵時(shí)期，在疫情逐漸好轉(zhuǎn)的情況下，各高校面臨的一個(gè)重大考驗(yàn)是，開學(xué)后數(shù)千甚至上萬名學(xué)生從天南海北返回校園，在人員高度密集的情況下，要共同度過數(shù)月的時(shí)間。如何在這種情況下防止疫情“死灰復(fù)燃”、保護(hù)廣大師生身體健康和生命安全，是各個(gè)高校一個(gè)十分重要的課題。在所有新型冠狀病毒感染的肺炎主要癥狀中，發(fā)熱是一個(gè)辨識(shí)度較高的關(guān)鍵癥狀，因此，對(duì)廣大師生體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是防疫工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。文章探索采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）構(gòu)建體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有高效、便捷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)溫、數(shù)據(jù)上傳、體溫預(yù)警、應(yīng)急處理等功能。

1 ? ?無線傳感網(wǎng)器絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

隨著21世紀(jì)信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器技術(shù)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方面都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，WSN是其中一個(gè)重要的發(fā)展方向。它通過無線通信技術(shù)把能夠感知和檢測(cè)外部世界的傳感器連接起來，構(gòu)成一個(gè)自由、靈活的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，共同完成信息和事件的感知、采集、傳遞和整合處理。無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成[1]，可檢測(cè)包括距離、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、速度和方向等周邊環(huán)境中的信息[2]，具有低功耗、自組織、可靠性高、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)[3]，被廣泛地應(yīng)用在環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、軍事目標(biāo)偵察、醫(yī)療健康監(jiān)控、城市交通控制、倉(cāng)儲(chǔ)物流管理、智能家居系統(tǒng)等領(lǐng)域。其中，在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理方面主要的應(yīng)用方向是監(jiān)測(cè)人體的各種生理數(shù)據(jù)，例如在文章中用于監(jiān)測(cè)體溫，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以隨時(shí)了解被監(jiān)測(cè)人員的體溫，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行相應(yīng)處置，提高疫情防控的效率，減輕工作人員的負(fù)擔(dān)。

2 ? ?體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

由于新型冠狀病毒感染的肺炎傳染性極強(qiáng)，發(fā)燒作為辨識(shí)疑似病例的關(guān)鍵癥狀，應(yīng)在發(fā)生的第一時(shí)間立即完成信息報(bào)告、人員定位、身份識(shí)別等功能，并且要求體溫監(jiān)測(cè)24 h不間斷、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。為了滿足如上功能，體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中硬件系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、讀寫器、天線、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成，分別完成體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的上傳等。軟件系統(tǒng)主要完成體溫?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析、疫情預(yù)警、應(yīng)急處理等功能。

2.1 ?采用智能無源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)測(cè)量人員體溫

學(xué)校中人員密集且流動(dòng)性較大，教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)中心、食堂、宿舍、圖書館、體育場(chǎng)等場(chǎng)所情況復(fù)雜、數(shù)量繁多、位置分散，統(tǒng)一的教學(xué)活動(dòng)又會(huì)使師生在短時(shí)間內(nèi)集中出入教學(xué)場(chǎng)所。這些因素要求系統(tǒng)用于測(cè)量體溫的傳感器必須有體積小、功耗低、具有一定無線通信能力、可移動(dòng)、即插即用、布置便捷、價(jià)格低廉的特性。經(jīng)過比較分析，本系統(tǒng)選用某公司推出的智能無源無線傳感器，其在單芯片上實(shí)現(xiàn)傳感，從接收的電磁信號(hào)中采集能量，無需單獨(dú)供電，可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、距離等參數(shù)，使用特高頻射頻識(shí)別協(xié)議工作，擺脫布線限制，與讀寫器、天線等構(gòu)成一套即插即用測(cè)量、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的一站式解決方案。

系統(tǒng)采用的無線傳感器為基于射頻識(shí)別片上無線無源傳感器，其敏感元件采用自適應(yīng)前端“自動(dòng)調(diào)諧”芯片，通過其阻抗變化測(cè)量溫度和距離，具有薄如膠帶、尺寸小、即剝即用的特點(diǎn)。其材質(zhì)有金屬和非金屬兩種，考慮到成本和布置的需求，建議選擇非金屬傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽。由于需要實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)人員的體溫，該標(biāo)簽應(yīng)該在舒適和安全性的基礎(chǔ)上，充分考慮外界溫度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾，盡量布置在軀干、頸部等位置上，且位置相對(duì)固定，避免反復(fù)布置造成節(jié)點(diǎn)損壞。傳感器標(biāo)簽的識(shí)別是通過標(biāo)簽識(shí)別號(hào)（Tag Identifier，TID）和電子產(chǎn)品代碼（Electronic Product Code，EPC）來實(shí)現(xiàn)。其中TID是生產(chǎn)傳感器標(biāo)簽時(shí)設(shè)置的無法改寫的全球唯一標(biāo)識(shí)碼，相當(dāng)于傳感器節(jié)點(diǎn)的身份證。EPC是傳感器提供的96位可改寫內(nèi)存，用于存放用戶定義的標(biāo)號(hào)，利用這兩個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)人員和傳感器的綁定，從而實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。

系統(tǒng)采用配套的讀寫器和天線等設(shè)備構(gòu)成數(shù)據(jù)采集套件，布置到學(xué)校各個(gè)場(chǎng)所，布置的數(shù)量將根據(jù)場(chǎng)所的面積和容納人員數(shù)量來確定，也可以將若干個(gè)天線與單個(gè)讀寫器布置在面積較大、人員數(shù)量較少的場(chǎng)所。系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器通過若干個(gè)天線廣播信號(hào)到傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽通過RF能量捕獲技術(shù)從讀寫器獲取能量，將測(cè)量得到的體溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)為9位數(shù)字代碼傳送給讀寫器，其溫度檢測(cè)精度在0～50 ℃（±0.3 ℃）。數(shù)據(jù)采集套件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并利用系統(tǒng)自帶的分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，然后通過以太網(wǎng)絡(luò)、WiFi，ZigBee等將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的體溫監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。隨著人員在寢室、教室、實(shí)訓(xùn)室、食堂等場(chǎng)所移動(dòng)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)尋找附近的數(shù)據(jù)采集套件構(gòu)成WSN，通過連接的讀寫器身份標(biāo)識(shí)號(hào)（Identity Document，ID）及標(biāo)簽與讀寫器的距離確定被測(cè)人員的位置。

2.2 ?體溫監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在WSN測(cè)量、上傳的被測(cè)人員體溫、位置等信息的基礎(chǔ)上，存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定分析數(shù)據(jù)、通過發(fā)送短信進(jìn)行疫情預(yù)警和應(yīng)急處置。整個(gè)系統(tǒng)可分為信息處理模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊和異常預(yù)警和應(yīng)急處理模塊。

2.2.1 ?信息處理模塊

信息處理模塊主要用于對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)信息進(jìn)行管理。按照功能又分為3個(gè)子模塊：（1）學(xué)生信息管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)、性別、年齡、寢室號(hào)、聯(lián)系電話等基本信息的查看和管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)的批量導(dǎo)入導(dǎo)出，方便與學(xué)校的學(xué)籍系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。（2）學(xué)校場(chǎng)所信息管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)校內(nèi)各類場(chǎng)所的信息進(jìn)行管理。（3）人員信息管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)校管理人員、輔導(dǎo)員、教師等相關(guān)人員信息的管理，并負(fù)責(zé)人員權(quán)限和密碼的管理。在系統(tǒng)正式使用之前，上述信息應(yīng)準(zhǔn)確、詳細(xì)、規(guī)范地輸入到系統(tǒng)中。

2.2.2 ?體溫監(jiān)測(cè)模塊

體溫監(jiān)測(cè)模塊主要用于協(xié)調(diào)WSN，通過網(wǎng)絡(luò)接收、存儲(chǔ)、查看被測(cè)人員體溫?cái)?shù)據(jù)，并在一定情況下收集部分被測(cè)人員的位置信息，其具體功能包括被測(cè)人員無線傳感器節(jié)點(diǎn)的綁定和管理、學(xué)校場(chǎng)所與無線傳感器接收器的綁定和管理、設(shè)置體溫?cái)?shù)據(jù)上傳間隔、手動(dòng)開啟體溫監(jiān)測(cè)、體溫?cái)?shù)據(jù)的查看與管理等功能。其中手動(dòng)開啟體溫監(jiān)測(cè)可以按班級(jí)、場(chǎng)所名稱、學(xué)號(hào)、教工號(hào)等進(jìn)行集體和個(gè)體監(jiān)測(cè)，例如手動(dòng)開啟某班級(jí)全體學(xué)生體溫監(jiān)測(cè);手動(dòng)開啟學(xué)號(hào)為19****06同學(xué)的體溫監(jiān)測(cè);手動(dòng)開啟教學(xué)樓階梯203全體人員的體溫監(jiān)測(cè)等。

2.2.3 ?異常預(yù)警和應(yīng)急處理模塊

異常預(yù)警和應(yīng)急處理模塊包括異常預(yù)警和應(yīng)急處理兩個(gè)子模塊。其中異常預(yù)警子模塊根據(jù)疫情防控要求，設(shè)置體溫異常預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，例如體溫連續(xù)30 min超過37.2 ℃。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)符合上述標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)異常預(yù)警，系統(tǒng)彈出對(duì)話框，根據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)無線傳感器的標(biāo)識(shí)碼確定并顯示預(yù)警對(duì)象的身份信息及所在位置，同時(shí)通過調(diào)用相關(guān)接口向預(yù)警對(duì)象本人、輔導(dǎo)員和學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送預(yù)警短信。輔導(dǎo)員和預(yù)警對(duì)象本人核實(shí)情況后，立即請(qǐng)示學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)申請(qǐng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

應(yīng)急處理子模塊負(fù)責(zé)應(yīng)急處理中信息發(fā)送、密切接觸人員體溫監(jiān)測(cè)、處理指令發(fā)送等功能。當(dāng)接收到啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案的指令，系統(tǒng)首先向預(yù)警對(duì)象及其密切接觸者發(fā)送應(yīng)急處理相關(guān)要求，其中密切接觸者為異常預(yù)警開始前30 min至今與預(yù)警對(duì)象在同一房間、寢室、實(shí)驗(yàn)室的人員。然后向應(yīng)急處理人員發(fā)送應(yīng)急處理指令，指示在采取必要防護(hù)措施的基礎(chǔ)上到預(yù)警對(duì)象所在場(chǎng)所開展應(yīng)急處置。接著向校醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員發(fā)送應(yīng)急處理指令，指示其開始應(yīng)急處置相關(guān)準(zhǔn)備工作。上述信息的發(fā)布均通過調(diào)用相關(guān)接口以短信形式發(fā)送，并由系統(tǒng)將預(yù)警對(duì)象信息和所在位置插入到預(yù)先準(zhǔn)備好的文本中形成指令信息。在應(yīng)急處理過程中，系統(tǒng)在屏幕上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有密切接觸者和處置工作人員的體溫，直至應(yīng)急處理工作結(jié)束或手動(dòng)關(guān)閉。最后備份本次應(yīng)急處理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括預(yù)警對(duì)象14天內(nèi)體溫?cái)?shù)據(jù)、預(yù)警時(shí)間、地點(diǎn)、密切接觸者名單等。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

在學(xué)校等人員密集、流動(dòng)性大的企事業(yè)單位，采用基于WSN的體溫監(jiān)測(cè)對(duì)疫情防控能夠大大提高工作效率、減輕工作人員的工作量，通過實(shí)時(shí)、全面地監(jiān)測(cè)全體人員的體溫，并在發(fā)生異常情況下實(shí)現(xiàn)疫情預(yù)警、身份識(shí)別、人員定位等功能，為疫情應(yīng)急處理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但隨著手機(jī)等移動(dòng)手持通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為了提升工作效率，方便各類人員實(shí)時(shí)掌握相關(guān)信息，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步向Android等移動(dòng)信息平臺(tái)移植，在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)信息查詢、指令發(fā)送、流程處理等功能。

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Research on temperature monitoring system based on wireless sensor network

Zhang Mingyue

（Liaoning Equipment Manufacturing Vocational and Technical College， Shenyang 110161， China）

Abstract：In the current epidemic prevention and control background， real-time continuous monitoring of body temperature is a very effective means of epidemic prevention and control， in this paper， a temperature monitoring system is constructed by using the wireless sensor network technology， which is widely used at present， automatic temperature measurement， data upload， temperature early warning， emergency treatment and other functions.

Key words：body temperature monitoring; wireless sensor network; epidemic prevention and control