基于无线传感器网络的体温监测系统研究

来源:用户上传      作者:张明月

　　摘   要：在当前疫情防控背景下，对体温进行实时不间断的监测是一种十分有效的疫情防控手段，但由于高校内师生聚集、人员流动性较大，采用传统的测温手段效率低、实时性差，无法满足疫情防控的要求，文章利用当前广泛应用的无线传感器网络技术，构建体温监测系统，实现自动测温、数据上传、体温预警、应急处理等功能。
　　关键词：体温监测;无线传感器网络;疫情防控
　　2020年年初，我国正处在新型冠状病毒感染的肺炎防控关键时期，在疫情逐渐好转的情况下，各高校面临的一个重大考验是，开学后数千甚至上万名学生从天南海北返回校园，在人员高度密集的情况下，要共同度过数月的时间。如何在这种情况下防止疫情“死灰复燃”、保护广大师生身体健康和生命安全，是各个高校一个十分重要的课题。在所有新型冠状病毒感染的肺炎主要症状中，发热是一个辨识度较高的关键症状，因此，对广大师生体温的实时监测是防疫工作中的一个重要环节。文章探索采用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）构建体温监测系统，具有高效、便捷实现自动测温、数据上传、体温预警、应急处理等功能。
　　1    无线传感网器络技术特点
　　随着21世纪信息技术的快速发展，传感器技术在智能化、网络化、微型化方面都得到了长足的进步，WSN是其中一个重要的发展方向。它通过无线通信技术把能够感知和检测外部世界的传感器连接起来，构成一个自由、灵活的分布式传感网络，共同完成信息和事件的感知、采集、传递和整合处理。无线传感器节点一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成[1]，可检测包括距离、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、速度和方向等周边环境中的信息[2]，具有低功耗、自组织、可靠性高、成本低、维护简便等优势[3]，被广泛地应用在环境参数监测、军事目标侦察、医疗健康监控、城市交通控制、仓储物流管理、智能家居系统等领域。其中，在医疗系统和健康护理方面主要的应用方向是监测人体的各种生理数据，例如在文章中用于监测体温，利用无线传感器网络，可以随时了解被监测人员的体温，及时发现异常并进行相应处置，提高疫情防控的效率，减轻工作人员的负担。
　　2    体温监测系统的构建
　　由于新型冠状病毒感染的肺炎传染性极强，发烧作为辨识疑似病例的关键症状，应在发生的第一时间立即完成信息报告、人员定位、身份识别等功能，并且要求体温监测24 h不间断、数据实时上传。为了满足如上功能，体温监测系统分为硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由无线传感器节点、读写器、天线、计算机系统等设备构成，分别完成体温实时监测和数据的上传等。软件系统主要完成体温数据存储和分析、疫情预警、应急处理等功能。
　　2.1  采用智能无源无线传感器网络实时测量人员体温
　　学校中人员密集且流动性较大，教学楼、实训中心、食堂、宿舍、图书馆、体育场等场所情况复杂、数量繁多、位置分散，统一的教学活动又会使师生在短时间内集中出入教学场所。这些因素要求系统用于测量体温的传感器必须有体积小、功耗低、具有一定无线通信能力、可移动、即插即用、布置便捷、价格低廉的特性。经过比较分析，本系统选用某公司推出的智能无源无线传感器，其在单芯片上实现传感，从接收的电磁信号中采集能量，无需单独供电，可监测温度、湿度、距离等参数，使用特高频射频识别协议工作，摆脱布线限制，与读写器、天线等构成一套即插即用测量、采集数据、处理数据的一站式解决方案。
　　系统采用的无线传感器为基于射频识别片上无线无源传感器，其敏感元件采用自适应前端“自动调谐”芯片，通过其阻抗变化测量温度和距离，具有薄如胶带、尺寸小、即剥即用的特点。其材质有金属和非金属两种，考虑到成本和布置的需求，建议选择非金属传感器节点标签。由于需要实时测量被测人员的体温，该标签应该在舒适和安全性的基础上，充分考虑外界温度对测量数据的干扰，尽量布置在躯干、颈部等位置上，且位置相对固定，避免反复布置造成节点损坏。传感器标签的识别是通过标签识别号（Tag Identifier，TID）和电子产品代码（Electronic Product Code，EPC）来实现。其中TID是生产传感器标签时设置的无法改写的全球唯一标识码，相当于传感器节点的身份证。EPC是传感器提供的96位可改写内存，用于存放用户定义的标号，利用这两个标识号可以实现被测人员和传感器的绑定，从而实现身份识别。
　　系统采用配套的读写器和天线等设备构成数据采集套件，布置到学校各个场所，布置的数量将根据场所的面积和容纳人员数量来确定，也可以将若干个天线与单个读写器布置在面积较大、人员数量较少的场所。系统工作时，读写器通过若干个天线广播信号到传感器节点标签，传感器节点标签通过RF能量捕获技术从读写器获取能量，将测量得到的体温数据转为9位数字代码传送给读写器，其温度检测精度在0～50 ℃（±0.3 ℃）。数据采集套件存储数据，并利用系统自带的分析软件對数据进行初步的处理，然后通过以太网络、WiFi，ZigBee等将数据传输给计算机系统上的体温监测软件系统。随着人员在寝室、教室、实训室、食堂等场所移动，无线传感器节点自动寻找附近的数据采集套件构成WSN，通过连接的读写器身份标识号（Identity Document，ID）及标签与读写器的距离确定被测人员的位置。
　　2.2  体温监测软件系统设计
　　系统在WSN测量、上传的被测人员体温、位置等信息的基础上，存储、处理数据，并根据设定分析数据、通过发送短信进行疫情预警和应急处置。整个系统可分为信息处理模块、体温监测模块和异常预警和应急处理模块。
　　2.2.1  信息处理模块
　　信息处理模块主要用于对系统中的相关信息进行管理。按照功能又分为3个子模块：（1）学生信息管理模块，负责对学生姓名、学号、班级、性别、年龄、寝室号、联系电话等基本信息的查看和管理，支持数据的批量导入导出，方便与学校的学籍系统共享数据。（2）学校场所信息管理模块，负责对学校内各类场所的信息进行管理。（3）人员信息管理模块，负责对学校管理人员、辅导员、教师等相关人员信息的管理，并负责人员权限和密码的管理。在系统正式使用之前，上述信息应准确、详细、规范地输入到系统中。 　　2.2.2  体温监测模块
　　体温监测模块主要用于协调WSN，通过网络接收、存储、查看被测人员体温数据，并在一定情况下收集部分被测人员的位置信息，其具体功能包括被测人员无线传感器节点的绑定和管理、学校场所与无线传感器接收器的绑定和管理、设置体温数据上传间隔、手动开启体温监测、体温数据的查看与管理等功能。其中手动开启体温监测可以按班级、场所名称、学号、教工号等进行集体和个体监测，例如手动开启某班级全体学生体温监测;手动开启学号为19****06同学的体温监测;手动开启教学楼阶梯203全体人员的体温监测等。
　　2.2.3  异常预警和应急处理模块
　　异常预警和应急处理模塊包括异常预警和应急处理两个子模块。其中异常预警子模块根据疫情防控要求，设置体温异常预警标准，例如体温连续30 min超过37.2 ℃。当测量数据符合上述标准，触发异常预警，系统弹出对话框，根据传回数据无线传感器的标识码确定并显示预警对象的身份信息及所在位置，同时通过调用相关接口向预警对象本人、辅导员和学院相关领导发送预警短信。辅导员和预警对象本人核实情况后，立即请示学院相关领导申请启动应急预案。
　　应急处理子模块负责应急处理中信息发送、密切接触人员体温监测、处理指令发送等功能。当接收到启动应急预案的指令，系统首先向预警对象及其密切接触者发送应急处理相关要求，其中密切接触者为异常预警开始前30 min至今与预警对象在同一房间、寝室、实验室的人员。然后向应急处理人员发送应急处理指令，指示在采取必要防护措施的基础上到预警对象所在场所开展应急处置。接着向校医院医护人员发送应急处理指令，指示其开始应急处置相关准备工作。上述信息的发布均通过调用相关接口以短信形式发送，并由系统将预警对象信息和所在位置插入到预先准备好的文本中形成指令信息。在应急处理过程中，系统在屏幕上实时监测所有密切接触者和处置工作人员的体温，直至应急处理工作结束或手动关闭。最后备份本次应急处理相关数据，包括预警对象14天内体温数据、预警时间、地点、密切接触者名单等。
　　3    结语
　　在学校等人员密集、流动性大的企事业单位，采用基于WSN的体温监测对疫情防控能够大大提高工作效率、减轻工作人员的工作量，通过实时、全面地监测全体人员的体温，并在发生异常情况下实现疫情预警、身份识别、人员定位等功能，为疫情应急处理打下坚实的基础。但随着手机等移动手持通信设备的广泛应用，为了提升工作效率，方便各类人员实时掌握相关信息，系统应进一步向Android等移动信息平台移植，在移动设备上实现绝大多数信息查询、指令发送、流程处理等功能。
　　[参考文献]
　　[1]严彬，黄丹，张浩.铁路机车各参数监测无线传感器网络研究[J].科技展望，2015（6）：216-217.
　　[2]于树科，祁宏宇.基于ZigBee的智能温室监控系统的研究与设计[J].现代计算机（专业版），2016（34）：41-44.
　　[3]朱二莉，谢梦佳，曹琳.基于无线传感器网络的智能家居系统研究[J].科技广场，2016（4）：69-72.
　　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
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