基于物聯(lián)網的校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李志涵，伯 磊，王雪蓓，路原野，馬一然

（中國礦業(yè)大學（北京） 機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引 言

2020年新冠疫情爆發(fā)，對全球社會造成了巨大的危害，靠社會基礎來實現(xiàn)的人類行為面臨著前所未有的沖擊和挑戰(zhàn)。經過中央政府的堅強領導、全國人民的不懈努力，目前我國在一定程度上已經較好地遏制住了疫情的蔓延，但不可否認，我們依然將長期處于疫情常態(tài)化的大環(huán)境下。

控制疫情最關鍵的一點在于如何減少人員聚集，而學校作為防控的關鍵一環(huán)，其人員自由度大，可以在任意位置自由聚集，分布情況多呈現(xiàn)小范圍集中分布的特點，這無疑不利于疫情的防控。因此獲取校園各關鍵場所人員密集程度，依據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘生成直觀的可視化出行參考意見，對于校園防控智能化尤為重要。

基于上述理念，本文以STM32F429為主控芯片、以LoRa無線通信技術為物聯(lián)網通信基礎、以校園人流量數(shù)據(jù)和網絡疫情數(shù)據(jù)為監(jiān)控對象、以現(xiàn)場LCD顯示屏和云端HTML網頁為數(shù)據(jù)終端，設計并搭建了一款校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)。

1 紅外人體檢測技術

1.1 熱釋電紅外傳感器原理

正常體溫下，人身會產生波長9～10 μm的紅外線，通過熱釋電紅外傳感器的光學透鏡（又稱菲涅爾透鏡）增強后能聚集到紅外感應源處，感應源為熱釋電元件，傳感器電極選用元件的兩個表面，當感受到紅外線匯聚產生的溫度變化后會造成電荷失衡，電荷由電極向外釋放擴散，產生相關電平信號，進而觸發(fā)傳感器動作。

1.2 雙向檢測算法

如圖1所示，在監(jiān)測點前后間隔約1 m距離處分別放置人體紅外感應模塊A和B，感應模塊的延時時間設置為2～3 s，封鎖時間設置為0.5 s。

圖1 雙向檢測算法原理

當行人進入被監(jiān)測場所時，感應模塊A首先感應到人體經過，并釋放高電平信號，此后行人經過感應模塊B時，感應模塊B發(fā)出高電平信號；當行人外出被監(jiān)測場所時，感應模塊B首先感應到人體經過，釋放高電平信號，然后經過感應模塊A，釋放高電平信號。通過感應模塊A、B輸出高電平信號的先后順序來判斷行人進出被監(jiān)測場所的動作，進而獲得監(jiān)測時間段內被監(jiān)測點的人流量信息和監(jiān)測建筑物的人員累積存量。采用以上雙向檢測算法能夠使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準確，具體程序流程如圖2所示。

圖2 雙向檢測算法程序流程

2 LoRa無線通信技術

遠距離無線電（Long Range Radio,LoRa）是一種常用的局域網無線通信技術，相較于其他無線通信技術，LoRa的優(yōu)勢在于無線自組網方便且信道穩(wěn)定、覆蓋范圍大，可實現(xiàn)數(shù)千米范圍內的無線通信，適用于較長距離連續(xù)發(fā)送小型數(shù)據(jù)的場景，物聯(lián)網終端設備通常使用電池供電。通信范圍內可設置上萬個LoRa節(jié)點，充分改善信號接收的靈敏度、效率、損耗，眾多節(jié)點連接至LoRa集中器（又稱為LoRa網關），能夠完成與網絡服務器的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

LoRa通信包含終端節(jié)點、集中器和服務器三部分，各節(jié)點與集中器以星型拓撲結構連接，每個節(jié)點與集中器建立直接的信息通道進行數(shù)據(jù)傳輸，LoRa集中器接收終端節(jié)點輸出的上行鏈路數(shù)據(jù)，將各類數(shù)據(jù)匯聚到獨立的線程進行通信連接，處理多路數(shù)據(jù)并發(fā)問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總并通過互聯(lián)網/專網轉發(fā)至網絡服務器，由其完成數(shù)據(jù)的解析處理，最終完成數(shù)據(jù)應用。通信過程中，各部分由TCP/IP協(xié)議完成通信連接，任意2個模塊之間均可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。

3 數(shù)據(jù)可視化

萬物互聯(lián)時代，大數(shù)據(jù)已經深刻融入每個人的生活中，如何提取有效信息、充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值是信息科學技術的關鍵，數(shù)據(jù)可視化便是其中重要的應用。其采用計算機技術將大數(shù)據(jù)以圖形或者圖像的形式顯示出來，包含數(shù)據(jù)展示、處理和分析等。

動態(tài)性、交互性和多樣性為數(shù)據(jù)可視化設計應遵循的三大原則。數(shù)據(jù)可視化界面具備動態(tài)性，可以實時獲取數(shù)據(jù)并更新顯示；具備人機交互性，可通過人為操作實現(xiàn)各界面功能的展示以及界面之間的跳轉；具備多樣性，可以實現(xiàn)多種不同種類數(shù)據(jù)、控件的同時展示。

4 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)設計

4.1 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

多組搭載人體紅外感應模塊的STM32F429主控芯片、LoRa節(jié)點和集中器組成的數(shù)據(jù)采集模塊可實時獲取校園各監(jiān)測點的人流量數(shù)據(jù)。由Python網絡爬蟲程序組成網絡疫情數(shù)據(jù)采集模塊，隨后搭建以LoRa無線通信技術為基礎、校園人流量數(shù)據(jù)和疫情數(shù)據(jù)為傳輸對象、網絡服務器為數(shù)據(jù)接收對象的校園物聯(lián)網，獲取的數(shù)據(jù)由軟件驅動程序清洗并存儲至數(shù)據(jù)庫中，供人機交互界面調用、分析，完成在現(xiàn)場LCD和云端HTML終端的展示，整體框架如圖3所示。

圖3 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)各模塊功能設計

4.2.1 人流量數(shù)據(jù)采集模塊

人流量數(shù)據(jù)采集模塊由多組STM32F429主控芯片、HCSR501人體紅外感應模塊、LoRa節(jié)點模塊組成，能夠實現(xiàn)校園人流量數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。數(shù)據(jù)采集使用雙向檢測算法，由主控芯片進行計數(shù)并存儲數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送通過串口輸出校園人流量數(shù)據(jù)并通過LoRa節(jié)點模塊發(fā)送至校園物聯(lián)網，結構如圖4所示。

圖4 人流量數(shù)據(jù)采集模塊結構

4.2.2 網絡疫情數(shù)據(jù)采集模塊

網絡疫情數(shù)據(jù)采集模塊由網絡爬蟲程序和TCP客戶端程序組成，網絡爬蟲程序獲取疫情數(shù)據(jù)，并通過TCP客戶端程序發(fā)送至校園物聯(lián)網。

4.2.3 校園物聯(lián)網

校園物聯(lián)網圍繞LoRa無線通信技術組建，由LoRa集中器、網絡服務器和數(shù)據(jù)庫組成，數(shù)據(jù)的傳輸、清洗與存儲將在物聯(lián)網中實現(xiàn)。LoRa集中器接收的人流量數(shù)據(jù)被發(fā)送至網絡服務器，同時服務器本身接收網絡疫情數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)由軟件清洗后存儲至數(shù)據(jù)庫，隨著監(jiān)控的進行實時完成更新，供數(shù)據(jù)可視化界面調用、分析。校園物聯(lián)網模型如圖5所示。

圖5 校園物聯(lián)網模型

4.2.4 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊由現(xiàn)場LCD終端和云端HTML終端組成，前者基于emWin進行可視化界面設計，后者基于HTML語言設計，負責實時調用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并在可視化界面上展示，實現(xiàn)對校園人流量數(shù)據(jù)和疫情數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

5 校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

5.1 人流量數(shù)據(jù)采集

選用HC-SR501人體紅外感應模塊作為校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的信號發(fā)生與采集器，該模塊基于熱釋電紅外傳感器原理進行人體感應，在檢測到人體經過時釋放高電平，觸發(fā)方式分為不可重復和可重復觸發(fā)兩種，前者感應到釋放高電平后，自動延時恢復低電平輸出；后者在人體經過時會持續(xù)釋放高電平，直至人體離開后延時恢復低電平輸出。

考慮校園局部人流量的密集趨勢，選取教學樓、圖書館、食堂和逸夫樓實驗樓4個監(jiān)測點，感應模塊的觸發(fā)方式選用可重復觸發(fā)方式。

5.2 網絡疫情數(shù)據(jù)采集

考慮到當下國內整體疫情形勢穩(wěn)定，當前階段本地和國外的疫情信息會被著重關注，因此在獲取國內疫情數(shù)據(jù)的同時，增加了新聞信息、本地各地區(qū)的疫情數(shù)據(jù)以及國外疫情數(shù)據(jù)和重點國家疫情數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源選用騰訊新聞，數(shù)據(jù)獲取通過Python網絡爬蟲程序實現(xiàn)，運用Request庫和Beautifulsoup庫調用API接口，獲取源數(shù)據(jù)。

5.3 數(shù)據(jù)接收、清洗與存儲

校園物聯(lián)網中的數(shù)據(jù)包含校園人流量數(shù)據(jù)和網絡疫情數(shù)據(jù)，校園人流量數(shù)據(jù)經LoRa集中器打包后以字符串的方式發(fā)送，網絡疫情源數(shù)據(jù)通常以字典和列表的嵌套組合形式存儲于網頁中。數(shù)據(jù)的接收、清洗與存儲均由Python程序實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收、清洗與存儲程序流程

校園人流量數(shù)據(jù)包含當前時間進出總人數(shù)、可容納人數(shù)、人員累積存量和當前可進入人數(shù)；網絡疫情數(shù)據(jù)包括國內外疫情數(shù)據(jù)、新聞信息數(shù)據(jù)和本地疫情數(shù)據(jù)，使用Request庫和Beautifulsoup庫獲取源數(shù)據(jù)，運用JSON和RE正則表達式解析數(shù)據(jù)，并新建字典類型數(shù)據(jù)。

建立的字典類型數(shù)據(jù)經過處理后生成二維標簽數(shù)據(jù)，存儲至數(shù)據(jù)庫。

5.4 數(shù)據(jù)可視化

依據(jù)監(jiān)控原則，本文設計現(xiàn)場LCD和云端HTML 2個展示終端，并完成校園人流量數(shù)據(jù)中的場所可容納人數(shù)、監(jiān)測時間段進出人數(shù)、當前人員累積存量、當前可進入人數(shù)和網絡疫情數(shù)據(jù)中的國內外疫情、北京各地區(qū)疫情數(shù)據(jù)、新聞數(shù)據(jù)等的可視化操作。

5.4.1 現(xiàn)場LCD終端界面

現(xiàn)場LCD終端界面可實現(xiàn)對校園人流量數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及本地各區(qū)現(xiàn)有病例的展示，由系統(tǒng)界面、校園人流量數(shù)據(jù)界面和本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面構成。

系統(tǒng)界面展示校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)的基本信息，并設置2個跳轉界面功能控件，可跳轉至校園人流量數(shù)據(jù)和本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)界面

校園人流量數(shù)據(jù)界面實時監(jiān)測各監(jiān)測點進出人數(shù)并計算人員累積存量，與可容納人數(shù)對比，提供當前監(jiān)測點擁擠情況，并將不同的擁堵情況用不同的顏色加以區(qū)分，綠色為通暢，紅色為擁堵。校園人流量數(shù)據(jù)界面如圖8所示。

圖8 校園人流量數(shù)據(jù)界面

本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面展示本地各區(qū)的現(xiàn)有確診人數(shù)，在北京市地圖上各區(qū)對應位置顯示，實現(xiàn)疫情數(shù)據(jù)的動態(tài)展示。本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 本地疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

5.4.2 云端HTML終端界面

云端HTML終端界面可實現(xiàn)對國內外疫情數(shù)據(jù)、校園人流量數(shù)據(jù)的監(jiān)控分析以及疫情新聞的展示，主要由主界面、校園人流量數(shù)據(jù)界面和新聞信息界面構成。

主界面展示國內外疫情數(shù)據(jù)，其中，國內當日新增確診人數(shù)和現(xiàn)有確診人數(shù)以數(shù)字形式呈現(xiàn)，國內外近期確診人數(shù)和新增確診人數(shù)分別以柱狀圖和折線圖的形式呈現(xiàn)，國內各類型人員統(tǒng)計和部分國家確診人數(shù)以餅形圖的形式呈現(xiàn)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的分析對比，實時展示疫情數(shù)據(jù)。疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 疫情數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

校園人流量數(shù)據(jù)界面將各場所的當前累積人數(shù)和可進入人數(shù)以進度條的形式展示，實現(xiàn)兩數(shù)據(jù)的視覺對比，更加直觀，如圖11所示。

圖11 校園人流量數(shù)據(jù)界面

新聞信息界面展示國內新聞信息，將各新聞的標題附加在彩色圓形圖案上，能夠方便用戶實時快速地了解全國疫情信息。新聞信息展示界面如圖12所示。

圖12 新聞信息展示界面

6 結 語

本文基于物聯(lián)網技術，以STM32主控芯片搭配HCSR501人體紅外感應模塊定點、定時采集人流量數(shù)據(jù)，搭建了以LoRa無線通信技術為基礎的校園物聯(lián)網，通過對相關互聯(lián)網輿情信息快速爬取、分析、存儲，將校園人流量數(shù)據(jù)和網絡爬蟲得到的疫情數(shù)據(jù)從后臺傳輸至終端，形成具備人機交互界面的校園疫情監(jiān)控系統(tǒng)。并可以通過改變監(jiān)控場景快速適配新的疫情防控環(huán)境。經過試驗，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對被監(jiān)測場所人流量數(shù)據(jù)的正確統(tǒng)計和實時監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)也能夠準確通過物聯(lián)網傳輸，并在終端界面展示。