基于IoT的人員考勤及體溫監(jiān)測一體化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李重志，張俊豪，葛鑫越，劉佳佳，申海洋

（巢湖學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽合肥 238024)

0 引言

在各類企事業(yè)單位的日常管理中，常通過打卡考勤的方式對員工的出勤情況進(jìn)行跟蹤，防止人員缺勤，脫崗。同時，由于各類傳染病往往會伴隨體溫異常的現(xiàn)象，所以也會通過要求人員自主上報體溫信息，再通過集中統(tǒng)計的方式來獲取全體人員體溫信息，以防傳染病的擴(kuò)散[1-2]。在日常工作中發(fā)現(xiàn)部分人員在考勤時存在代替他人考勤，謊報、漏報體溫信息的現(xiàn)象，給管理工作帶來風(fēng)險[3]。

為解決這一問題，本文提出了一種基于IoT 的人員考勤及體溫監(jiān)測一體化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案，系統(tǒng)以LCS6260[4]模塊為控制核心，同時結(jié)合指紋識別模塊和溫度傳感器模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的運作。具體實施方法如下：

1)通過指紋識別模塊識別人員身份信息，信息無誤后通過互聯(lián)網(wǎng)自動幫助人員進(jìn)行日常的打卡簽到。在鑒別人員身份的同時，對人員的體溫進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。一并完成了打卡和體溫檢測工作；

2)在進(jìn)行身份識別的同時，溫度傳感器將會采集人員的體溫數(shù)據(jù)，并與身份信息數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫當(dāng)中；

3)完成采集后，云端MySQL數(shù)據(jù)庫會同步接收信息數(shù)據(jù)，并將信息安全保存；

4)通過查看登錄物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，可以直觀地對人員身份信息和體溫數(shù)據(jù)進(jìn)行審閱，異常數(shù)據(jù)將由不同顏色的字體顯示。實現(xiàn)對人員打卡和體溫數(shù)據(jù)集中存儲、備份。方便管理人員，對全體人員動態(tài)進(jìn)行綜合分析、管控。

綜上所述，本項目設(shè)計的系統(tǒng)具有較好的社會效益，可用在各類的單位日常考勤和流行病的防控中，具有一定的實際應(yīng)用價值和商業(yè)價值，本系統(tǒng)已申請國家發(fā)明專利。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于IoT 的人員考勤及體溫監(jiān)測一體化系統(tǒng)，包含了指紋身份識別模塊、非接觸式體溫檢測模塊、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺。具體硬件設(shè)計以LCS6260 無線模塊為核心，結(jié)合MAX30205溫度傳感器、AS60X指紋辨識模塊，SSD1306顯示模塊構(gòu)成。

AS60X指紋辨識模塊用于識別用戶身份信息，其功能在于可以通過指紋來準(zhǔn)確辨別用戶身份，避免了代簽的情況發(fā)生。MAX30205溫度傳感器在識別人員身份的同時采集當(dāng)前用戶的體溫數(shù)據(jù)。利用LCS6260 無線模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和維持系統(tǒng)的正常運行[5]。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中錄入所有用戶人員的聯(lián)系方式，所有的數(shù)據(jù)將與用戶的聯(lián)系方式以列表的形式儲存，以便能夠第一時間確定身體發(fā)生異常的人員，針對各種特殊情況能夠及時進(jìn)行處理[6]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

首先，系統(tǒng)初始化，將所有用戶的指紋信息、聯(lián)系方式、姓名編號等信息提前錄入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)連接上網(wǎng)絡(luò)時，溫度傳感器和指紋識別模塊將同時啟用。采集到的數(shù)據(jù)將通過無線網(wǎng)絡(luò)安全地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存。所有的數(shù)據(jù)將會在下一次測量后進(jìn)行更新，以保證數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性。倘若出現(xiàn)人員體溫信息異?；蛭闯晒y取的情況，系統(tǒng)會通過OLED 顯示屏提示該名用戶，用戶可以再次使用系統(tǒng)進(jìn)行重新測量。管理人員也可通過登錄網(wǎng)站平臺對信息進(jìn)行監(jiān)控管理，及時聯(lián)系到身體狀況發(fā)生異常的人員，為每一位人員提供一個相對安全的環(huán)境。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

綜合系統(tǒng)整體性能，將采用常用的USB接口的方式進(jìn)行供電，輸出電壓為3.3V/5V。為系統(tǒng)的運行提供了可靠保障。

2.2 指紋識別模塊設(shè)計

AS60X功能模塊，利用光的反射、折射原理，發(fā)射出的光源在指紋上折射的多個角度及反射回去的光線明暗變化會不一樣。CMOS、CCD 等光學(xué)電子器件就會收到明暗程度不同的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實現(xiàn)指紋識別。該功能模塊配備了USB 通信接口、串口，不必研究復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)處理方法及指紋數(shù)據(jù)識別算法，只要進(jìn)行簡單的串口、USB 通信協(xié)議便對模塊進(jìn)行控制。AS608X指紋識別模塊搭載的芯片具有DSP運算單元，集合了指紋識別算法，能穩(wěn)定高效地收集圖像數(shù)據(jù)并分析指紋的特征，性能安全可靠。

2.3 溫度傳感器模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用MAX30205溫度傳感器作為測溫模塊，高精度和低電壓操作有助于減少測溫出錯的概率，利用高分辨率Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將體溫測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。通過I2C兼容2線串行接口進(jìn)行通信。I2C串行接口支持標(biāo)準(zhǔn)寫字節(jié)、讀字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令，以便讀取溫度數(shù)據(jù)。傳感器采用2.7V 至3.3V 供電電壓范圍、600μA 低供電電流，理論精度可以達(dá)到0.1℃，性能穩(wěn)定，并且數(shù)字化功能更容易集成到其他的系統(tǒng)當(dāng)中。

2.4 LCS6260

LCS6260 是一款小尺寸低成本串口Wi-Fi 模塊，具有強(qiáng)大的片上處理和存儲能力，符合802.11b/g/n 無線模塊標(biāo)準(zhǔn)，同時支持UART-Wi-Fi以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。該模塊具有一個完整的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)體系，僅需要通過利用串口使用AT 指令控制，就可以滿足大部分的網(wǎng)絡(luò)功能需求。LCS626還支持擁有SW on-chip 完整的應(yīng)用程序的超低功率設(shè)備的快速程序開發(fā)應(yīng)用。通過與系統(tǒng)的體溫檢測模塊、指紋識別模塊相適應(yīng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.5 顯示模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用SSD1306 作為顯示模塊的驅(qū)動芯片[7]，SSD1306 是一款單片CMOS OLED/PLED 驅(qū)動器?？傮w分辨率達(dá)到128×64，采用I2C 通信方式同LCS6260無線模塊進(jìn)行連接，具有良好顯示效果和便攜性特點，通過使用SSD1306,可便捷地使用UI 人機(jī)互動界面，引導(dǎo)用戶完成采集工作。

系統(tǒng)實物及使用實例，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實物及使用演示

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在服務(wù)器中利用MQTT協(xié)議功能與系統(tǒng)的感知層進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的相互交換，系統(tǒng)的感知層在完成信息采集之后，使用MQTT 協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行json格式編輯，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絎eb 平臺。在設(shè)計過程中，鑒于社會的切實需要，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺服務(wù)器的安全性與穩(wěn)定性有極高的標(biāo)準(zhǔn)，而阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家庭物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性保障。因此本系統(tǒng)的應(yīng)用MQTT 服務(wù)器使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。同時配套設(shè)計出Web 應(yīng)用平臺，通過個人移動端便可登錄，實現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的管理和監(jiān)測功能。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺設(shè)計

基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺IoT Studio 開發(fā)了Web 應(yīng)用平臺，如圖4 所示，通過登錄該應(yīng)用平臺可直觀地查看當(dāng)前全部用戶的身份和其體溫信息。設(shè)計體溫過高預(yù)警功能，當(dāng)體溫超過37.2℃時，體溫用紅色顯示，并進(jìn)行體溫異常提醒。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺頁面

圖5 數(shù)據(jù)庫界面

3.2 MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于云端Windows Server 2008R2 服務(wù)器，安裝MySQL 服務(wù)器[8-9]后，創(chuàng)建并設(shè)計數(shù)據(jù)庫表單，如圖4所示，共有iduser_name emperature ime el_phone等五個字段,該MySQL用以對采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。而數(shù)據(jù)庫的建立，首先為溫度補(bǔ)償算法提供數(shù)據(jù)支持，同時也為流行病的防控提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 系統(tǒng)性能的測試分析

為驗證系統(tǒng)在不同條件下的有效性和可靠性，我們以某高校宿舍為例進(jìn)行了實際測試，本次系統(tǒng)的測試擬對多名人員的身份和體溫信息進(jìn)行采集。測試步驟如下：

1)錄入被測對象人員的指紋信息。將被防控對象人員的指紋信息錄入系統(tǒng)中，待后期使用時進(jìn)行識別。

2)利用系統(tǒng)進(jìn)行身份鑒別和體溫采集。只需將手掌伸入到裝置當(dāng)中，用已經(jīng)錄取過信息的手指按壓在指紋識別器上，手腕處會自然地貼在體溫傳感器上，等待OLED 上的顯示的檢測引導(dǎo)提示信息。指紋識別模塊開始對人員身份進(jìn)行識別，在進(jìn)行人員身份識別的同時，手腕處的體溫傳感器獲取當(dāng)前人員體溫。獲取到的身份和體溫信息后，LCS6260模塊利用Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)將采集的測量數(shù)據(jù)傳送至MySQL 服務(wù)器。數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)使用實測

為避免實驗測量中的數(shù)據(jù)具有偶然性，將對人員進(jìn)行多組的系統(tǒng)測量和人工測量對比。其次，針對不同時間段人體溫度會發(fā)生變化這一問題，將在一天內(nèi)的早中晚測量不同的實驗數(shù)據(jù)，以此保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性。結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果對比表

經(jīng)過在不同環(huán)境、不同時間段的對比測試能夠證明本系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且能夠保證不同環(huán)境下系統(tǒng)都能夠正常執(zhí)行。系統(tǒng)的有效性和可靠性都滿足需求，在保證人員身份信息可靠的前提下，能夠快速、準(zhǔn)確地測量出每一位用戶的體溫數(shù)據(jù)，并將每個測試人員的準(zhǔn)據(jù)準(zhǔn)確無誤地記錄到對應(yīng)的身份表格中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔[10]。

5 總結(jié)與展望

項目提出的基于IoT的人員考勤及體溫監(jiān)測一體化系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了身份識別和準(zhǔn)確測量體溫的功能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用網(wǎng)站平臺和云端數(shù)據(jù)庫，有利于工作人員實現(xiàn)遠(yuǎn)程的管控和查看。

通過測試分析后，系統(tǒng)的性能指標(biāo)均滿足設(shè)計的實際需求：系統(tǒng)在對人員進(jìn)行每日的考勤任務(wù)的同時檢測當(dāng)前人員的體溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端數(shù)據(jù)庫，管理人員通過登錄云端MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對人員的考勤狀況進(jìn)行快速統(tǒng)計，大大提高了工作效率，同時體溫監(jiān)測功能也提供了日常的體溫檢測，為流行病防控提供了參考。

本系統(tǒng)系2022 安徽省高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽獲獎作品，并受到國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助，項目已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。