基于Arduino 和LoRa 的新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)的設計

吳培潔，龍光利

（陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

0 引 言

新型冠狀病毒疫情暴發(fā)之后，給全社會造成了巨大的危害。我國通過采取多種疫情防控措施使得疫情形勢被很好地遏制，但新型冠狀病毒感染一直反復。新型冠狀病毒傳播快且多發(fā)生在人群密集的地方，所以減少人群聚集是重中之重。疫情期間，我國各地的中小學和高等學校因人員密集而成為重點防控區(qū)域。為了能夠更好地預防新型冠狀病毒在校園內(nèi)傳播[1]，需要實時掌握校園人員流動的具體信息，防止在特殊時期校外人員或存在感染風險的人員隨意進入校園等情況的發(fā)生。針對新型冠狀病毒感染常態(tài)化這一特殊性，研究一種兼具人員流量監(jiān)控、新型冠狀病毒感染數(shù)據(jù)采集等多種功能的校園智能監(jiān)測防控系統(tǒng)，以實現(xiàn)校園疫情防控智能化、全面化，為全校師生提供有效的人流量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對校園信息的充分掌握，保障校內(nèi)師生工作和學習環(huán)境的健康有序[2]。

1 新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)模型

校園新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)以監(jiān)控圖書館人員聚集情況為例，通過LoRa 將圖書館的人流量數(shù)據(jù)傳送至安保室。整個系統(tǒng)分為三個部分，分別是圖書館電路、安保室電路以及整個系統(tǒng)的通信傳輸模塊。

在檢測點前后分別放置紅外傳感器模塊A 和紅外傳感器模塊B，當模塊A 檢測到人員經(jīng)過，釋放高電平；之后經(jīng)過模塊B，模塊B 發(fā)出高電平，就說明圖書館進入一個人。若模塊B 首先檢測到人員經(jīng)過，并釋放高電平；之后經(jīng)過模塊A，模塊A 釋放高電平，就說明圖書館外出一個人。雙向檢測法通過模塊A 和模塊B 的電平變化，從而判斷檢測人員的進出狀態(tài)。采用這種檢測方法，能夠使得檢測數(shù)據(jù)更加準確。

2 硬件設計

校園新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要包括Arduino UNO 開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路、數(shù)據(jù)傳輸電路。

2.1 圖書館電路設計

設計的圖書館電路分為兩個部分：第一部分是數(shù)據(jù)采集部分，這部分由兩個FC-51 紅外傳感器和開發(fā)板組成，F(xiàn)C-51 傳感器模塊通常用于障礙物檢測，兩對紅外傳感器用于檢測人員進出圖書館，每當人員經(jīng)過時，電平變?yōu)楦唠娖?，并傳輸至Arduino 開發(fā)板，通過模塊變化的順序來判斷進出狀態(tài)；每個傳感器有3 個引腳，即VCC、VOUT 和GND，VCC 引腳接入5 V 直流電源，可從Arduino Uno 的5 V 引腳直接獲取，M1 和M2 的VOUT 引腳分別連接到Arduino的A4 和A5 引腳。第二部分是SSD1306 顯示模塊與A4 和A5 連接，將紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)顯示出來。FC-51 和SSD1306 與開發(fā)板接線圖如圖1 所示。

圖1 FC-51 和SSD1306 與開發(fā)板接線圖

2.2 安保室電路設計

安保室電路主要是顯示模塊SSD1306 與開發(fā)板相連接。SSD1306 是一款單片CMOS OLED/PLED 驅(qū)動器，具有有機/聚合物發(fā)光控制器二極管點陣圖形顯示系統(tǒng)。SSD1306 內(nèi)置對比度控制器、顯示RAM 和振蕩器，減少了外部組件和功耗。它有256 級亮度控制，由128 個段和64 個公共部分組成。安保室SSD1306 與開發(fā)板接線圖如圖2 所示。

圖2 安保室SSD1306 與開發(fā)板接線圖

圖2 所示的SSD1306 顯示模塊就是由一個個小的有機自發(fā)光二極管組成的陣列，屏幕分辨率設置為128×64，即每行有128 個發(fā)光二級管，一共有64 行。GND 接地，VCC 接5 V，SDA 接A4，SCL 接A5。

2.3 LoRa 通信模塊電路設計

LoRa 是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術[3-5]，是一種簡單的、遠距離、低功耗無線通信手段[6]。LoRa 在城鎮(zhèn)的傳輸距離可達2 ～5 km，郊區(qū)可達15 km，工作頻段包括433 MHz、868 MHz、915 MHz，一個LoRa 網(wǎng)關可以連接成千上萬個LoRa 節(jié)點，傳輸速率從幾十至幾百Kb/s，與傳輸距離成反比，速率越低傳輸距離越長[7-9]。LoRa 通信模塊與開發(fā)板接線圖如圖3 所示。

圖3 LoRa 通信模塊與開發(fā)板接線圖

3 軟件設計

3.1 圖書館監(jiān)控程序設計

圖書館監(jiān)控程序主要包括主程序和數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序以及LoRa 通信子程序、延遲子程序等，圖書館監(jiān)控主程序通過調(diào)用這幾個子程序?qū)崿F(xiàn)要求的功能。圖書館監(jiān)控主程序流程如圖4 所示。程序開始運行時，先初始化程序，設計波特率為9 600；通過紅外傳感器收集數(shù)據(jù)，發(fā)送至開發(fā)板處理；根據(jù)不同傳感器的先后觸發(fā)順序，判斷人員進出狀態(tài)，最后通過OLED 顯示子程序在液晶顯示屏顯示當前圖書館人數(shù)。

圖4 圖書館監(jiān)控主程序流程

3.2 安保室監(jiān)控程序設計

安保室監(jiān)控程序主要包括LoRa 模塊子程序和顯示模塊子程序等。程序開始運行時，先設置初始化，LoRa 模塊2開始接收來自LoRa 模塊1 采集的人數(shù)數(shù)據(jù)，并實時判斷更新數(shù)據(jù)情況。安保室監(jiān)控主程序流程如圖5 所示。

圖5 安保室監(jiān)控主程序流程

利用Arduino 軟件編譯程序，通過Arduino 自帶的串口監(jiān)視器不斷調(diào)整傳感器靈敏度，并進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。將采集到的信號傳至開發(fā)板，開發(fā)板將處理好的信息顯示在液晶顯示屏上，并通過LoRa 模塊傳送至安保室。最終，安保室和圖書館顯示的數(shù)據(jù)是一致的且是實時變化的。

4 實驗結果

運用兩個Arduino 開發(fā)板[10]，將圖書館數(shù)據(jù)采集電路FC-51 和數(shù)據(jù)顯示電路SSD1306 與一個開發(fā)板連接起來；將安保室的數(shù)據(jù)顯示電路SSD1306 與另外一個開發(fā)板連接起來。把LoRa 模塊A 與圖書館開發(fā)板連接，LoRa 模塊B 與安保室開發(fā)板連接，使得兩者可以相互通信并傳輸數(shù)據(jù)。校園新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試如圖6 所示。

圖6 校園新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試

5 結 語

在新冠疫情常態(tài)化形勢下，校園人員流量的控制十分必要。為此，本文設計了一款基于Arduino 和LoRa 的校園新型冠狀病毒感染監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時檢測到校園人數(shù)，適用于多個場景，并且可以通過液晶屏顯示出來，有效解決人員流動大且無法統(tǒng)計的難題。