群体体温监控系统的设计与实现

林军 杨成菊

【摘 要】 近些年不断出现各种传染性病毒，体温是判断是否感染的一个重要指标。针对群体体温监控的需要，设计了该款基于ZigBee 的无线网络体温监控系统，来代替繁琐的人工监测，该系统是一种基于TSic506数字型温度传感器和ZigBee技术的群体体温监控系统。被测人手带特制腕表作为群体体温监控网络的采集终端节点，实现对人体体温、心率等体征数据的采集。本系统数据传输可靠稳定，对超出阈值的能及时发现并通知相关人员处理，从而阻断疑似病例传播，该系统的实现不仅能极大提高监测人员的工作效率，也能进一步避免人因测试体温而感染病毒的风险。

【关键词】 群体体温;ZigBee技术;STM32F嵌入式及传感器技术;监控系统

体温是判断人身体健康好坏的重要依据，也是现在判断新冠状病毒病情的一种最常规的方法。目前采集体温数据的手段大部分还是使用水银温度计、体温枪或者是体温检测仪等。

本文针对群体人员温度采集的需要，设计了以CC2530微处理器芯片为核心，Tsic506数字传感器为温度采集芯片的ZigBee无线网络系统，采用TI公司的Z_Stack和LAREW来搭建系统软件平台，通过系统功能测试来实现群体体温监控。

1群体体温监控系统总体方案

本系统的总体目标就是利用ZigBee无线网络技术收集和监测校园内师生的体温状况，预防疾病传播。实现对象以学校为例，群体体温监控系统所监测的对象是校园内的全体成员，满足群体监控的要求。系统总体设计给每个学生分配一个腕表作为采集体温的终端节点，在学校的教室、宿舍等学生常在的场所安装路由节点作为中继转发使用，每栋教学楼和宿舍楼安装协调器节点以及一台PC形成独立无线网络。

1.1监控系统架构

该体温监控系统通过体温传感器采集数据，经ZigBee无线网络的终端采集节点、中继转发的路由节点以及发起网络工作的协调器节点再到STM32处理器和PC处理、分析、显示数据。群体体温监控系统结构框架如图1所示。

1.2无线传感器网络技术

我们采用ZigBee技术自组网方式，每一个网络节点之间都是相互连接来实现系统的网络布局。ZigBee技术主要特点：（1）发射功率在1mV，功耗低。（2）ZigBee协议的复杂度和存储容量都不高，系统成本大为降低。（3）采用CSMA/CA机制和AES-128加密，可较好稳定数据传输。（4）支持65000个节点的无线网络，可满足较大网络需求的覆盖。（5）ZigBee的启动和传输时间只需15ms的通信延时，不用占据过长的时间。

ZigBee无线网络所使用的频段是通用的2.4GHZ、858MHZ，这些频段都是免许可的频段。其采用IEEE802.15.4的标准作为ZigBee网络层和应用层的协议，在每一个ZigBee组成的无线网络内，连接地址码分为16bit短地址或者64bit长地址，具有较大的网络容量，用户可以通过网络层进行自己的需求开发。

1.3 ZigBee网络拓扑结构选取

实际运用中，主要由3种组网构成，分别是星型网、树型网及网状型网结构。所设计的ZigBee无线网络的拓扑结构采用的是点对点形网络，该网络根据设置可分为树形和网形。群体体温监控系统需要协调器、路由器和采集终端作为它的网络节点。这三种网络节点在硬件上是一样的可以通过软件改变它的功能属性。为了使该系统有更好的可行性，保证被测者体温数据的实时性和准确性，对采集终端进行优化。本系统采用三种监测方式相结合，一种为检测人员在PC机上直接发送指令给协调器，协调器通过ZigBee网络传送给采集终端，采集终端得到指令后采集体温数据并将其通过路由器上传;另一种是学生按时使用佩戴设备（采集终端）对自己的体温进行检测，采集终端再将数据通过路由器转发给协调器;最后一种是将终端设置为定时采集。后面两种可以设置阈值，终端采集的体温数据不超过阈值的只采集不上传。

2监控系统的硬件设计

如上所述群体体温监控系统的总体结构，该结构是由协调器节点、路由器节点和采集终端节点所组成。协调器、路由器和采集终端为同一种设备，它们所发挥的功能由所使用的软件来设置。设备采用的是ZigBee Pro协议，DZDO_COORDINATOR是协调器功能配置，DRTR_NWK是表示将该设备配置为路由器。

这三类网络节点硬件上所采用的核心芯片是由IT公司研制的CC2530，该芯片搭载2.4G国际通用频段，将RF与8051处理器完美集成，收发数据的能力更加稳定、可靠。CC2530内部有12位的D/A转换器、21个通用I/O端口以及2个全双工通用同步/异步串行收发模块。同时可在线编程最大容量可达256KB，能夠支持IEEE802.15.4标准以及多种存储访问总线。

2.1终端采集模块

为了更好实现群体监测的要求，需对采集终端节点进行设计优化，以便使其更加小巧容易使用和携带。所以为了减少外设更好实现小型化，模块不接调试端并采用扣板式的电路板，由于采集终端大部分的时间都在睡眠状态，工作时间不长，因此采用3V左右的纽扣电池就能长时间使用，也便于组装。

采集终端节点主要负责体温的数据采集，通过路由器节点发送至协调器，采集终端节点原理图、接线图如图2、图3所示。

温度传感器模块又分为数字型和模拟型两种，模拟型的传感器将信号通过电压或者电流经放大电路调制解调来实现温度的数值，但是这种传感器体积太大不便嵌入到采集终端模块中。该系统采用的是IST公司的TSic506温度传感器，这款传感器为单总线数字输出，传感器与CPU之间以一次0.1s的速度实现双向传输，一条数据线就可完成。TSic506可测量-50°C至150°C的温度值，特别在5°C至45°C的测量范围内其精度更可达到±0.1°C，精度更是高于RTD传感器。TSic506是一种混合信号的温度传感器，需要低噪供电，传感器体积小供电范围在3V-5V之间，工作电流很低因而所消耗的功率也非常小，只需要一个纽扣电池供电即可，很适合嵌入到一些低功耗的移动设备中。由于TSic506为IC芯片设计，在与微控制器连接时会受到其他芯片供电时的噪声影响，因此只要在微控制器端口连接一个PC电路将噪声滤掉即可。

2.2路由器节点模块

该系统的路由器节点主要功能是作为中继转发使用，采集终端节点通过路由器节点向协调器发送数据，其电路不需要与其他硬件相接，只要在软件中配置就能工作，因此电路相对简单。

2.3协调器节点模块

该系统的协调器节点是整个网络工作的发起者，通过路由器节点收集采集终端节点数据，是整个网络数据的汇集点，将协调器节点STM32F控制器和PC通信，通过控制器和PC处理解析数据，协调器节点的框图和连接图如图4，5所示。

协调器节点将接收的信息通过SP1口输入到STM32F控制器进行处理同时通过串口连接到PC端方便检测人员查看，当发现所显示的数据超过设定阈值时控制器会及时发出报警信号示警通知相关人员查看信息及时响应。

3监控系统的软件设计实现

该系统的软件开发采用的是IAR Embedded Workbench，IAR System功能强大能满足多种芯片架构，可按照编程人员设定工作环境。同时利用C语言编程实现ZigBee协议栈的Z-Stack架构。

3.1终端节点软件实现

协调器选择一个任意的网络标识（PANID）来建立网络，网络建立后附近的路由器和采集终端向协调器发出信标请求，收到协调器同意加入网络，终端节点入网流程如图6所示。采集终端其功能就是采集体温，其设定工作方式主要有定时采集和接收协调器指令采集，通过路由器发送至协调器节点，由于在设计采集终端时能更加小型化，所以在其不作数据处理直接发送至协调器节点进行处理，采集终端节点软件流程如图7所示

3.2协调器节点软件实现

协调器节点在建立网络后，通过发送信标帧给临近的路由器和终端节点等待其请求入网，收到其入网请求后分配1个独立的网络地址，对收到的信息发送到STM32控制器进行处理，控制器将处理的信号发送至PC，如果数据超过阈值则会触发报警提示通知工作人员查看PC端显示的信息及时处理，协调器节点软件流程如图8所示。

4监控系统测试

通过以上的分析和设计，选择一所学校的教学楼作为系统测试的场所，找到两个学生带上腕表进入不同的教室作为体温监测的终端，将路由器节点放置楼层的走廊处作为信号中继转发使用，最后将协调器节点、STM32控制器和PC机放在一间教室中做监控机。

体温监控系统通过协调器节点发送请求和采集终端定时采集两种方式进行测试，将系统显示的体温与体温计上显示的数值对比，體温监测数据如表1所示。

通过PC端请求指令显示的体温和定时采集所显示的体温反复与水银温度计进行对比，其两者的误差值都在+0.1℃之内，满足测量要求且监控系统在通信和功能上都运行正常。

5结语

本文通过对群体体温监测的需求和可行性方面进行研究，设计基于ZigBee无线网络监控系统，搭建PC端监控平台，通过硬件和软件的开发对采集终端进行优化，实现了其小型化、低损耗等优点，经过实测分析以及精度对比，发现其能够很好地满足群体体温监控的需求，减轻工作人员繁重的检测任务和降低被感染的风险，在工作的效率和便捷度上都有明显的提高，具有较好的实用价值。

【参考文献】

[1]闫可欣.基于Zigbee的无线养老护理监控系统的设计与开发[J].长春大学学报，2019，29（12）：51-55.

[2]潘有顺.基于ZigBee的大空间建筑智能疏散指示系统优化设计[J].安顺学院学报，2020，22（3）：125-128.

[3]施铭，付慧敏，钱云贵.ZigBee无线自组网技术在综合管廊机器人控制系统中的应用[J].电力与能源2019，40（6）：728-731.

[4]康守强，王金龙，王玉静.基于ZigBee与混沌加密的智慧实验室系统设计[J].哈尔滨理工大学学报，2019，24（5）：81-87.

[5]杨波.Zigbee技术下的无线传感网络分析[J].电脑迷，2018（4）：6.

[6]尹祥宇，王艳君，白杰，等.基于Tsic506和Zigbee的蛋鸡体温无线监测系统设计[J].中国农机化学报，2014，35（2）：281-285.