基于Arduino和OneNet云平台的温度与行踪监控系统设计

2021-01-20张浩华刘凡杨佟佳琪

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2020年6期

张浩华, 刘凡杨, 佟佳琪

(沈阳师范大学物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

0 引言

面对突如其来的新冠病毒,目前普遍的防疫措施主要有:定时消毒、佩戴口罩、公共地点测温及出行扫健康码。但是新冠病毒存在着潜伏期,潜伏期间患者所经过区域接触到的人也存在被感染的可能。由此,为了把握居民的日常体温与行动轨迹,本文设计了一种基于Arduino和OneNet云平台的温度与行踪监控系统,采用红外传感器MLX90615与GPS定位模块NEO-6M实时监测居民体温与轨迹,传输到OneNet云平台进行记录与分析,为防控工作提供了一定的技术支持。同时,该系统也可应用于对病人生理参数与行动范围等方面的监测。

1 系统整体设计

本系统是以Arduino Uno为核心处理,左半部分是MLX90615红外测温传感器,GPS定位模块为温度和位置信号的采集部分,采集之后的温度与定位信号接入Arduino Uno开发板进行处理。Arduino Uno开发板是整个系统的核心部件,它控制红外传感器、NEO-6M等模块来采集用户实时数据,得到监测的参数; 右半部分是无线传输模块,本系统依据ESP8266 Wi-Fi传输模块将数据实时上传到云平台,监控单位可以授权登录APP或者Web界面进行查看,随时掌握居民的一段时间内相关信息与状况。总体设计框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 系统硬件设计

2.1 Arduino单片机

本系统选择Arduino单片机作为该系统的核心硬件单元。作为目前应用很广泛的开源电子原型平台之一,它使用起来便捷灵活,是可以用来开发交互式智能产品。Arduino Uno开发板[1]有Arduino电路板和Arduino IDE程序开发环境两个主要部分。Arduino电路板功能强大,主要通过连接各种传感器来扩展其他多种功能。另外,使用者通过Arduino IDE的程序开发环境编写程序操控主板上连接的微控制器,Arduino IDE程序开发环境把代码编译成二进制文件,烧录进对应的微控制器。

Arduino IDE编程环境是开源的,可以兼容多种操作系统[2],如Windows和Linux等。Arduino IDE编程语言简单,编写环境也很简易,可以很容易学会并熟练使用,可以根据需要对其进行扩展。

图2 Arduino实物图Fig.2 Arduino physical drawing

2.2 体温测量模块

红外传感器是体温测量的核心部件,经过筛选,系统选用红外温度传感器芯片----MLX90615(如图3所示)[3],该传感器内部带有滤波、放大和数据转换等电路,简单方便并且大大提高了集成度,减小了功耗[4]。MLX90615红外传感器测量可用于非接触的测量物体温度,其测量的数据精度达到百分位,十分稳定可靠。

图3 MLX90615框图Fig.3 MLX90615 block diagram

MLX90615的测温功能主要原理是红外测温[5],工作过程主要分3部分。首先,它采集被测目标发出的热辐射;之后,在其转换电路中被转换成电信号并对电信号进行滤波、放大及 A/D 转换电路等一系列处理;经处理的信号被送到电路中,转变成与之相应大小的温度值,送入通信电路输出(如图4所示)[6]。

图4 红外传感器原理图Fig.4 Infrared sensor schematic diagram

2.3 GPS定位模块

该系统选用NE0-6M GPS定位模块[7],选用的原因主要有:

图5 NEO-6MFig.5 NEO-6M

1) 高灵敏度:可以追踪灵敏度使其在普通GPS接收模块不能定位的地方也能高精度定位。

2) 低功耗,可以长时间使用。

3) 小型化,其适用于车载、手持设备及其他移动定位系统。在本系统中,它与Arduino主板相接来精准记录居民的实时活动地点,使系统实用性更强,便于携带。

2.4 OneNet云平台

本系统针对主要问题,综合比较,选取了由中国移动打造的一款物联网开放平台[8]----OneNet云平台,它支持API接口、网络协议和多种网络环境等,生活中的各类传感器都能快速并且准确的介入。同时OneNet云平台还是一款进行大数据服务分析的平台[9],可以对接收到的多并发数据流进行存储和转发,可实时监控,可实时查看测量设备的当前数据反馈。最主要的是它能查询一段时间内的历史数据走势图,可以更清晰的了解一段时间内数据变化。本系统设计是将温度数据与行踪轨迹隔一段时间上传到 OneNET云平台上,并直观可视地呈递给用户端。

OneNet云平台主要有3种通讯方式,本设计采用其中的Wifi无线通信方式,并选用ESP8266无线传输模块[10],可以使监测数据更便捷地传送。

图6 ESP8266原理图Fig.6 ESP8266 schematic diagram

2.5 无线数据通信模块设计

本系统采用ESP8266模块配合OneNet云平台完成系统的传送数据和存储工作。ESP8266芯片是一款串口转无线模芯片[11],广泛应用在互联网和移动设备的无线连接领域,可实现互联网或局域网的通信。该芯片既可以独立传输数据,也可以搭载在其他扩展板上与其他模块协同运行,工作时传输性能稳定,传输距离远[12]。

图7 数据处理流程图Fig.7 Data processing flow chart

ESP8266芯片的高速缓冲存储器可减少内存需求,并且可以从主控芯片接收信息,无线传输到所需要的PC端或手机APP等。ESP8266芯片的成本低、体积小、携带方便,并且它的传输速率快,可直接连接Arduino实现数据传输功能[13]。通过其GPIO引脚与传感器之间相互连接,实现数据交换与通信,将传感器采集到的数据打包处理并转换,发送到OneNet云平台。

图8 连线图Fig.8 Connection diagram

3 系统软件设计

3.1 红外温度测量主程序设计

MLX90615红外传感器主要工作是监测人体的体温参数,传感器各引脚对应与Arduino主板串口相接,进行体温监测实际搭建。在Arduino IDE下编写程序控制传感器测温。Arduino Uno开发板控制MLX90615模块采集用户体温数据,实时监测体温,在Arduino主板所连接COM端口会对相应数据正确及时地显示。监测数据通过ESP8266无线传输模块传至OneNet云平台进行记录与分析。

3.2 GPS定位主程序设计

NEO-6M定位装置在连接Arduino主板后, 根据Arduino IDE中的程序执行行踪地点监测,数据由Arduino在无线Wifi网络下接入云平台,终端通过3G/4G通信网接入云端服务器。工作过程:定位装置采集信息,传输至Arduino发送到云服务器,经过云平台进行解析、处理、保存,若温度信号出现异常,将保存的行踪轨迹通知相关部门终端。

图9 GPS定位主程序Fig.9 GPS positioning main program

3.3 Wifi模块结构设计

本文选用的是Wifi串口模块----ESP8266芯片,采用串口无线AP+STA模式[14],Wifi AP接口连接用户的设备或者手机;而STA接口负责通过路由器连接到Internet网络,实现串口与其他设备的无线数据转换互传;ESP8266模块连接到由接入点连通的无线网络向OneNET云平台进行传输数据[15]。

系统开启检测状态后,Arduino开发板执行初始化程序,对各数据采集模块和Wifi模块进行设置,主要设置工作模式、数据采集接口等。

图10 总体流程图Fig.10 Overall flow chart

Wifi模块初始化设置成功之后,对采集到的温度和定位信息进行封装,通过Wifi网络进行发送。该模块采用EDP连接协议,只有EDP的数据上传方式。在发送数据包到OneNET平台的过程中,也可以通过平台对设备下发指令,以实现对设备的远程控制。

4 系统性能测试

本系统整体框架可行,能够满足各方面要求,数字红外传感器采集用户的人体温度,数据准确可靠,并且GPS定位模块位置对定位信息的实时收集也无异常状态,采集之后的数据能够在ESP8266无线传输模块实现上传功能。在OneNet云平台,可以接收到实时数据,实现对居民的体温参数整体监控,另外OneNet云平台可以与移动终端关联,得到授权任意终端把控者都可以通过手机打开界面,随时查看监控数据、测量结果以及历史数据。整个系统通过主控芯片与无线传输模块相配合,搭配OneNet平台,实现核心功能。本系统结合各部分硬件与软件设计方案来看,具有实时性好,功耗低,可便携等多方面优势,利于广泛投入使用,总体流程图如图10所示。