基于LoRa技術(shù)的校園疫情體溫監(jiān)測系統(tǒng)設計

萬 云，陳達美，蔣 陽

（1.重慶城市職業(yè)學院信息與智能制造學院，重慶 402160；2.重慶市永川區(qū)五洲小學校，重慶 402160；3.重慶大學通信工程學院，重慶 400044）

隨著全國新冠疫情防控進入常態(tài)化管理，各學校都在積極采取嚴格的防控措施應對這場戰(zhàn)“疫”。而體溫監(jiān)測，則是這場戰(zhàn)“疫”的關(guān)鍵。如何在體溫監(jiān)測中做到“無接觸感應”“高效率通行”“高溫智能預警”[1]，是對我國校園密集人群場所未來疫情防控的考驗與挑戰(zhàn)。

目前我國校園疫情防控體溫監(jiān)測仍以功能單一的檢測設備或手持體溫計為主，各設備相對獨立、未真正意義搭建成監(jiān)測系統(tǒng)，存在費時費力、應急指揮難度大、智能化應用程度低、事前事中處理能力不足、常態(tài)化管控難度大等問題，即使目前許多學校校門已布置了人臉識別測溫設備，但價格昂貴，不便于辦公室、教室、宿舍等室內(nèi)環(huán)境分散監(jiān)測和晨檢、午檢、晚檢多頻次的監(jiān)測校園師生體溫。針對上述問題，為有效實現(xiàn)常態(tài)化疫情防控，設計了基于LoRa無線通信的校園疫情體溫監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設計

考慮到學校人群密度大，為降低病毒傳播率，避免傳統(tǒng)手持式測溫時近距離接觸，系統(tǒng)采用分布式集中管理方案設計，主要由布置在寢室、教室或辦公室區(qū)域的體溫監(jiān)測終端節(jié)點、樓棟網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心上位機等組成，其系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。體溫監(jiān)測終端節(jié)點通過溫度傳感器采集師生的體溫信息，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后通過LoRa無線通信發(fā)送至樓棟網(wǎng)關(guān)。樓棟網(wǎng)關(guān)與體溫監(jiān)測終端節(jié)點構(gòu)成LoRa通信自組網(wǎng)，用于接收所在樓棟內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后再通過網(wǎng)關(guān)中WiFi模塊上傳至校園監(jiān)控中心的上位機。上位機監(jiān)控界面可實時注冊、查詢和管理師生體溫數(shù)據(jù)等。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件設計

本系統(tǒng)的硬件主要有體溫監(jiān)測終端節(jié)點和樓棟網(wǎng)關(guān)，具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 體溫監(jiān)測終端設計

體溫監(jiān)測終端節(jié)點是直接與被測對象接觸最近、使用頻次最高的器件。它的功能主要是實名采集被測對象的體溫值，處理后傳送給網(wǎng)關(guān)，是整個系統(tǒng)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。所采集的數(shù)據(jù)準確性關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性，它主要由主控單元（Microcontroller Unit，MCU）單片機控制器、體溫測溫模塊、紅外對管模塊、RFID讀卡器模塊、語音播放模塊、液晶顯示模塊和LoRa通信模塊等組成。

主控單元MCU是整個體溫監(jiān)測終端節(jié)點的核心器件。系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機實現(xiàn)，內(nèi)核為Cortex-3，工作頻率達到72MHz。從核心單片機結(jié)構(gòu)上來看，擁有內(nèi)設RAM，可以達到512kB。此外，單片機具有嵌入式Flash和64k B的SRAM，同時擁有32字節(jié)存儲器，能夠方便系統(tǒng)存儲各種程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)外均設置中斷控制器，并設置7路靈活DMA，能夠用于實現(xiàn)存儲器與外圍電路轉(zhuǎn)換處理，各路均能通過軟件觸發(fā)硬件DMA請求。由于芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，可以直接輸入采集的各種模擬量和開關(guān)量。單片機片上資源較為豐富，包含PWM、USB等等，能夠降低硬件設計復雜程度，并減少系統(tǒng)運行產(chǎn)生的能耗，因此可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制。在單片機內(nèi)部完成各種數(shù)據(jù)打包，能夠利用網(wǎng)絡傳輸至上位機中，滿足數(shù)據(jù)分析和顯示需求[2]。

體溫測量模塊用于非接觸式測量師生的體溫。系統(tǒng)采用高精度醫(yī)療用GY-906紅外測量傳感器模塊實現(xiàn)，該傳感器采用標準的IIC協(xié)議通信，精度理論可達±0.2℃, 體積小巧, 被測物體和環(huán)境溫度能分雙通道輸出, 測量分辨率最高可達0.02℃，適于多種測量環(huán)境[3]。

RFID讀卡器模塊用于識別師生的一卡通，實現(xiàn)師生測量實名制。系統(tǒng)采用MF RC522-IC卡感應模塊實現(xiàn)，該模塊利用先進的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式與協(xié)議[4]?；镜墓ぷ髟硎遣捎秒姶篷詈系姆绞绞沟脴撕瀼淖x寫器耦合線圈的輻射近場中獲得能量，從而達到與讀寫器進行數(shù)據(jù)交換的目的[5]。

液晶屏顯示模塊用于實時顯示測溫的中文提示和測溫結(jié)果。系統(tǒng)采用0.96寸OLED模塊實現(xiàn)，該模塊分辨率為128*64，含有并行、串行SPI、IIC 等多種接口方式，能夠滿足體溫測量提醒和溫度值顯示的要求。

語音播放模塊用于語音提醒用戶操作和語音播報測溫結(jié)果。系統(tǒng)采用JQ8400-FL語音模塊，支持MP3 WAV 硬件解碼、FAT 文件系統(tǒng)，擁有24 位DAC輸出，內(nèi)部采用DSP硬件解碼，動態(tài)范圍支持90dB，信比可達85dB，同時支持系統(tǒng)深度睡眠，睡眠后電流低至600uA，可很大程度上降低系統(tǒng)功耗。

紅外對管模塊用于檢測師生是否靠近體溫監(jiān)測終端，確保體溫值準確性。系統(tǒng)采用1個紅外循跡檢測模塊來實現(xiàn)，該傳感器的探測有效距離范圍在2～30cm，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點。其具有一對紅外線發(fā)射管與接收管，發(fā)射管向外發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到有阻礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，模塊上綠色指示燈會亮，同時信號輸出接口輸出1個低電平數(shù)字信號，即表示采集到人體靠近信號[6]。

終端通信模塊用于實現(xiàn)與樓棟網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)選擇高性能的SX1278系列射頻芯片實現(xiàn)LoRa無線通信，LoRa通信技術(shù)是一種近年發(fā)展起來的遠距離無線通信技術(shù)，采用直序擴頻方式，接收靈敏度高；同時滿足低功耗需求，它已成為遠距離、低功耗、低速率、低成本、大規(guī)模組網(wǎng)通信的理想技術(shù)。LoRa無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)、智能無線抄表、機器人控制、安防系統(tǒng)、車輛跟蹤、智慧城市等領(lǐng)域[7]。相對于藍牙、WiFi和ZigBee等無線通信方式，LoRa無線通信傳輸距離更遠，最遠理論通信距離長達15km，功耗更低，能多通道傳輸，可以達到-148dBm的高靈敏度，抗干擾性強[8]。體溫監(jiān)測終端硬件電路如圖3所示。

圖3 體溫監(jiān)測終端電路圖

2.2 樓棟網(wǎng)關(guān)設計

樓棟網(wǎng)關(guān)是連接體溫監(jiān)測終端設備和監(jiān)控中心的橋梁。主要功能是把分布離散式的多個節(jié)點的體溫數(shù)據(jù)匯聚，經(jīng)處理后傳輸給云平臺服務器，從而實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集與分析，同時也負責將上位機的命令數(shù)據(jù)經(jīng)處理后下發(fā)給各體溫監(jiān)測終端，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“上傳下達”，起承上啟下的作用。它由LoRa通信模塊、MCU單片機模塊和WiFi模塊組成。其中，LoRa通信模塊選型SX1278系列射頻芯片實現(xiàn)，用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)至體溫監(jiān)測終端之間的無線通信，負責將各體溫監(jiān)測終端節(jié)點的體溫數(shù)據(jù)進行匯聚；MCU單片機模塊選型STM32F103C8T6芯片單片機實現(xiàn)，用于樓棟網(wǎng)關(guān)主控制器，實現(xiàn)對體溫數(shù)據(jù)的處理；WiFi模塊用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)至云端平臺的無線通信，選型采用ESP8266芯片實現(xiàn)，它是樂鑫公司開發(fā)的一款物聯(lián)網(wǎng)專用芯片[9-10]。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，通過WiFi與上位機通信。利用ESP8266模塊對傳統(tǒng)串口設備進行簡單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機，實現(xiàn)物聯(lián)功能。ESP8266 WiFi模塊有三種工作模式：STA模式、AP模式、STA混合AP模式。STA模式通過路由器和因特網(wǎng)相連，屬于因特網(wǎng)內(nèi)通信；AP模式將ESP8266作為一個熱點，上位機通過連接此熱點通信，屬于局域網(wǎng)內(nèi)通信；STA混合AP模式是以上兩種模式的混合，用戶既可在局域網(wǎng)內(nèi)通信，也可使用因特網(wǎng)通信[11]。樓棟網(wǎng)關(guān)硬件電路如圖4所示。

圖4 樓棟網(wǎng)關(guān)硬件電路圖

3 軟件設計

3.1 通信協(xié)議與抗干擾設計

考慮到師生宿舍、辦公場所布置體溫監(jiān)測終端節(jié)點需結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)快捷，各終端與網(wǎng)關(guān)通信采用了控制簡單、故障診斷和隔離容易的星型網(wǎng)絡作為無線網(wǎng)絡基礎結(jié)構(gòu)，其自組網(wǎng)架構(gòu)如圖1左側(cè)虛線框內(nèi)所示，每一樓層的體溫監(jiān)測終端構(gòu)成1個節(jié)點，所有節(jié)點和樓棟網(wǎng)關(guān)中的LoRa模塊形成一個星型網(wǎng)絡。為確保該網(wǎng)絡能實現(xiàn)可靠通信，在節(jié)點和網(wǎng)關(guān)間設計了如表1幀格式通信協(xié)議。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

該數(shù)據(jù)幀共有9個字節(jié)，由幀頭、節(jié)點號、體溫值、ID卡號和幀尾組成。幀頭、幀尾固定數(shù)據(jù)為9AH和FFH，用于檢測一個數(shù)據(jù)的開始與結(jié)尾，確保數(shù)據(jù)準確性，它們各占1個字節(jié)；節(jié)點號表示每一樓層中各體溫監(jiān)測終端的地址編號，占1個字節(jié)，1個樓棟網(wǎng)關(guān)最多可擴展256個體溫監(jiān)測終端節(jié)點；數(shù)據(jù)域包含有體溫、ID卡號值，用于存儲傳感器采集到的體溫值和師生ID身份確認信息值，其中體溫值占2個字節(jié)，ID卡號占4個字節(jié)。

考慮到單個星型網(wǎng)絡容納體溫監(jiān)測終端節(jié)點有限的問題，根據(jù)宿舍或教學樓的棟數(shù)再將系統(tǒng)劃分成多個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)可給予分配獨立的信道，這樣可以在增加終端容量的同時，降低信號間的相互干擾[12]。

3.2 體溫采集節(jié)點設計

體溫監(jiān)測終端通電后，對系統(tǒng)進行初始化，檢查溫度傳感器、RFID讀卡器、語音播放模塊、紅外對管模塊和LoRa通信模塊等能否正常工作。待初始化成功后，每隔500ms檢測是否有已錄入系統(tǒng)的ID卡進行刷卡操作，若不是已知卡，則通過液晶屏提示為非法卡并繼續(xù)檢測ID卡，若有且正確情況下再檢測是否有被測人員靠近，若無則繼續(xù)檢測，若有人員靠近則體溫傳感器自動采集1次被測人員的體溫，并對數(shù)據(jù)進行平滑處理，將數(shù)據(jù)通過液晶屏和語音模塊提醒并經(jīng)LoRa無線模塊發(fā)送到樓棟網(wǎng)關(guān)中的LoRa無線模塊，具體流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點軟件流程圖

3.3 網(wǎng)關(guān)設計

為避免網(wǎng)絡擁堵問題，系統(tǒng)采用了分時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，程序中預設330ms對各體溫監(jiān)測終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進行接收和發(fā)送，預設1s將數(shù)據(jù)處理后上傳至上位機數(shù)據(jù)庫。主程序中，初始化成功后，自動檢查LoRa模塊并進行組網(wǎng)，根據(jù)自組網(wǎng)協(xié)議待組網(wǎng)完成后，實時重復地接收來自各體溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照一定的格式要求經(jīng)WiFi模塊傳輸給上位機。網(wǎng)關(guān)軟件設計流程如圖6所示。

圖6 樓棟網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

3.4 上位機設計

監(jiān)控中心上位機軟件是實現(xiàn)人機交互的窗口，是工作人員監(jiān)測整個學校師生體溫數(shù)據(jù)值的“眼睛”。它要實現(xiàn)被測師生在遠程端（監(jiān)控中心）的實時管理。主要由TCP通信模塊、注冊模塊、登錄模塊、錄入師生信息模塊、查詢檢測結(jié)果和數(shù)據(jù)庫等組成。如圖7所示。

圖7 上位機系統(tǒng)框圖

其中，注冊模塊用于監(jiān)控中心管理人員信息注冊；登錄模塊用于監(jiān)控中心管理人員登錄上位機，保障用戶權(quán)限；信息錄入模塊用于實現(xiàn)師生實名制的采集；數(shù)據(jù)庫用于存儲學校師生體溫值數(shù)據(jù)，同時可以導出數(shù)據(jù)，便于查看未測者或超溫異常者信息等；結(jié)果查詢模塊用于隨時查看師生體溫結(jié)果；TCP通信模塊用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心的通信。

4 測試與分析

4.1 測試條件設定

為驗證系統(tǒng)遠程通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)各項功能，設定如下測試條件。

（1）采用3個體溫監(jiān)測終端作為采集節(jié)點，采用1個LoRa模塊和1個WiFi模塊通過STM32相連構(gòu)成樓棟網(wǎng)關(guān)，他們共同組成星型網(wǎng)絡。實物搭架如圖8所示。

圖8 實物搭架測試圖

（2）LoRa模塊中SX1278芯片的發(fā)射功率設定為100mW，節(jié)點采集體溫值時間設定為500ms，網(wǎng)關(guān)定時收、發(fā)節(jié)點數(shù)據(jù)時間均設定為330ms，WiFi上傳數(shù)據(jù)庫時間設定為1s。

（3）測試時環(huán)境溫度為20℃左右，標準溫度采用歐姆龍紅外額式體溫計mc-872做參考，被測師生額頭或耳根距離采集傳感器需控制在0.5-1cm范圍以內(nèi)。

4.2 遠程通信測試

系統(tǒng)上電后，在上位機中輸入管理員賬號密碼登錄監(jiān)控窗口，按順序點擊“連接網(wǎng)絡”—“注冊”，系統(tǒng)顯示連接成功，此時表明終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、上位機已經(jīng)成功建立了通信，實現(xiàn)了遠程連接。如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)遠程通信測試結(jié)果

4.3 數(shù)據(jù)傳輸可靠性測試

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性測試包含兩部分。

（1）體溫監(jiān)測終端節(jié)點至樓棟網(wǎng)關(guān)LoRa無線通信可靠性測試：將3個體溫監(jiān)測終端設備分別置于磚墻結(jié)構(gòu)宿舍的不同樓層3間學生寢室，樓棟網(wǎng)關(guān)置于底層弱電井內(nèi)，節(jié)點和樓棟網(wǎng)關(guān)直線距離每隔50米時，通過串口調(diào)試窗口發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 通信測試結(jié)果

實測結(jié)果表明，在有磚墻障礙物和強弱電干擾情況下，由于采取了獨立信道抗干擾設計，體溫監(jiān)測終端節(jié)點至樓棟網(wǎng)關(guān)無線通信距離在300m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)丟包率和錯誤率分別為2%和1%，均在系統(tǒng)性能允許范圍之內(nèi)，確保了通信的可靠傳輸。

（2）體溫數(shù)據(jù)可靠性測試：為驗證所采集體溫數(shù)據(jù)值的可靠性，分別邀請18名師生在3個體溫監(jiān)測終端節(jié)點進行測試，各終端及上位機顯示所測數(shù)據(jù)與標準溫度誤差數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 體溫數(shù)據(jù)誤差值（℃）

實測結(jié)果表明，誤差范圍均在±0.2-±0.5度之間，符合GB-T 21416-2008 醫(yī)用電子體溫計國家標準。

4.4 系統(tǒng)功能測試

在體溫采集過程中，若有體溫高于所設定的正常值，系統(tǒng)會自動彈出報警窗口，如圖10所示。同時上位機可實時將所采集到的體溫值保存到數(shù)據(jù)庫中并供用戶隨時下載，如圖11所示。管理員也可進入數(shù)據(jù)庫實時查看已錄入的師生信息，如圖12所示。

圖10 體溫過高自動報警

圖11 實時查看師生體溫值和導出匯總表

圖12 實時查看已錄入的師生信息

5 結(jié)語

本文設計的基于LoRa技術(shù)的校園體溫監(jiān)測系統(tǒng)，可布置在寢室、教室和辦公室等室內(nèi)，較布置在校門人臉識別體溫采集設備而言，更便于分散監(jiān)測，可實現(xiàn)晨檢、午檢、晚檢等多頻次非接觸式實時采集，降低了病毒傳播率。同時引入LoRa無線通信技術(shù)，改變了傳統(tǒng)有線監(jiān)測的布線弊端，實現(xiàn)體溫監(jiān)測終端與上位機的數(shù)據(jù)通信，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的便捷性和普及性。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)上位機與終端節(jié)點能成功通信，可遠程實現(xiàn)校園師生體溫的實時采集、實時顯示、數(shù)據(jù)匯總下載和體溫超值報警等功能，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠。

考慮到成本因素，該系統(tǒng)體溫采集終端只能固定在某處，適用于人員密度大但流動性不大的校園或人員相對固定的場所。未來設計中，小型、可穿戴可移動式的體溫監(jiān)測系統(tǒng)將是下一步研究的重點。