基于物联网的健康数据监测及新冠肺炎预警系统设计

蔡旭，曹海娟

（山东英才学院 工学院，山东济南，250104）

0 引言

居民日常的体温监测等对身体指标的掌握与了解成为疫情防控的一种重要手段。如今进入通信技术和监测技术迅速发展的新时期，医疗监测手段想要进行持续的改良和发展，就要利用物联网技术对传统手段进行智能优化和改造,从而使得监测到的信息更加精确和及时，以便确保能够第一时间就医治疗和居家隔离。

本文研究的是一款基于物联网的健康数据监测及新冠肺炎预警系统，其集成体温测试、肺活量测试和通信上报手机系统，通过对人体体温的红外测量 以及人体其他指示量的测量，用来监测人体健康情况，并将数据采用 NB-IoT 无线通信技术将接收到的数据传至 IoT 云平台，发送到移动基站，信息传输到手机，从而可以起到自我监控及时预防的效果，有助于个人能根据相关数据对患者进行疾病的预防和诊断，及时采取有关措施，可有效维护人们的身体健康和生命安全[1]。

1 系统设计方案

1.1 数据采集部分

该部分包括由主控制器为 STM32单片机、健康数据（体温等）监测的传感器模块和 GPS 传感器、警示灯、提供能量的电源模块、WIFI无线通信模块等组成的终端。其中，健康数据监测传感器模块和 GPS 传感器将采集到的人体温度和位置信息实时进行记录并数据存储在控制器中。通过查阅相关治疗可知，感染新冠肺炎病毒的病人在感染初期身体会有一定的预警反应，其中当人体体温高于37.3℃为新型冠状肺炎疑似感染的预警体温；因此，我们在该部分设计一定的温度阀值，当温度传感器检测到体温已经高于特定阀值温度（高于37.3℃），系统将该温度上传，由上层给出指示，进行数据处理。

1.2 通信部分

由下层数据采集所获取的数据，根据一定算法进行解析，再将解析过的相应数据通过 NB-IoT 通信模块发送到移动 NB-IoT基站，由基站经由核心网转发至中国移动的 One NET 云平台。该部分作为将物联网与窄带通信技术的核心，作为采集部分和用户应用部分互相通信的中间环节，主要负责了对数据上传，能够使相应数据出现在云平台，并对相应的数据进行平台内的存储，不会造成对所采集的数据的流失，同时也把采集部分相关阀值信息进一步的移交到用户与应用部分，以便进行后续系统的运行以及管理人员对有关数据的处理[2]。该部分系统架构如图1所示。

图1 数据通信部分原理图

1.3 用户与应用部分

该部分的所有数据和信息接收于来自云平台的实时数据，并配置相关传感器资源参数，将数据从OneNET云平台转至监测系统的设计好的负责用户群进行查看的APP上，管理人员可以通过操作界面对健康监测系统进行实时监控，对数据进行提取调用和下行命令转发，并由APP平台对数据进一步的存储和分析处理，最终实现对资源信息的订阅和调度，便利了对有关信息的掌握。

2 硬件选择与软件设计

2.1 硬件选择

（1）STM32单片机

该系统设计采用STM32F103RCT6，是一种芯体规格是32位的嵌入式微控制器的集成电路(IC)，多种外设与接口，可以实现低差动信号的最高精度测量，实现更高性能与更高精度。STM32F103RCT6 可充分满足需要监控短路等突变并根据需求迅速采取矫正措施的应用[3]。

该器件还可取消高共模电压应用中的多个隔离器或电源，从而可减少组件数量，提高稳定性，简化系统设计。并且该板支持WIFI无线通信模块和温度和定位模块，在一定的范围内实现无线信息传输，有更快的响应时间，提高了系统性能；该板是操作较为简单的嵌入式开发板，性价比高，可用于物联网系统的开发上。

（2）温度传感器

该系统采用了适配于STM32的DS18B20温度传感器,是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，该传感器温度测量范围为 -55℃～+125℃，测量误差仅为±0.5℃，同时具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点,其独特的单线接口方式，使得DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通信。

（3）GPS传感器

系统里的GPS传感器采用了Air530 模块，具有高性能、高集成度的特点，并且支持多种卫星导航系统，包括中国的 BDS（北斗卫星导航系统），美国的 GPS，俄罗斯的 GLONASS，欧盟的 GALILEO，日本的 QZSS 以及卫星增强系统 SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。AT6558 是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含 32 个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的 GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时。该模块适用于车载导航、手持定位、可穿戴设备多模卫星定位导航、体积小、功耗低，可用于车载导航、智能穿戴、无人机等 GNSS 定位的应用中。而且提供了和其他模块厂商兼容的软、硬件接口，大幅减少了用户的开发周期。采用了射频基带一体化设计，而且也集成了射频前端、基带处理、RAM、FLASH 存储、RTC 和电源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信号的地方，也能快速、准确的定位。使用该模块可以清晰的且精准的定位到目标。

（4）WiFi模块

该系统采用了ESP8266-01S无线模块，该模块为低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。另外ESP8266是有寄存器的，所以即使重启连接信息也不会丢失，重启后再查询，发现后会重新进行自动连接。所以我们在使用前会进行检测工作即使用电脑ping一下这个ip，如果发现ip是可以ping通的，说明连接正常。反之再进行调试操作。

2.2 软件设计

（1）操作系统的配置

图2 硬件部分设计电路图

STM32和ESP8266开发板选择使用C语言作为开发语言且加入FreeRTOS操作系统进行多任务管理，降低模块（传感器，控制）间的耦合性，同时便利了增删模块等功能，提高开发效率。利用FreeRTOS操作系统中添加和拓展传感器模块。现以温度传感器为例，通过自定义温度传感器的topic，声明一种temperature任务，调整好任务的堆栈大小、确认所传递的温度参数。在得到创建任务成功指令后，进一步添加温度传感器驱动。同时为了防止系统内部的数据传输造成的数据冲突，这里我们又设置了在服务器连接以ping心脏包30s发送模式事件发生时可以执行此任务的设定，否则将挂起任务，不予执行；为了可以起到所做操作程序且能够进行数据的采集而间断不以过长，使每获取两次数据时等候进行相应指令操作的等待时间较短的设定，这里通过逻辑语段设置了使得温度得传感器能够每隔10s（+0.5s）采集一次数据，起到了采集数据延迟较小的作用。配置程序如下所示[4]：

（2）OneNET云平台的配置与应用设置

通过OneNET控制台进行平台创建，同时使用 MQTT通信协议将所有设备接入OneNET 平台，这里使用的MQTT协议是所开发的即时通讯协议，是现在网络连接的主要选择，成为了进行物联网操作的重要组成部分。同时该协议支持所有平台，可以实现所有联网物品和外部的整体连接。 进入云平台应用层进行应用添加与编辑，当传感器所得测试数据通过上传后进行配置，这时由MQTT进行介绍发送处理任务，即处理发送缓冲区的数据和处理接收缓冲区的数据，并选择相应数据流，使其回显给串口助手接收的数据，能在云平台进行实时显示与记录，以达到数据存储和后续分析的效果。若接收的缓冲区有服务命令，则将传感器采集数据移交至命令缓冲区。

（3）topic与命令配置

用户应用层创建APP的topic需要对系统必要的温度，定位等传感主题进行配置添加，订阅App发布相关topic，同时发布本地模块状态topic，对控制命令以及控制模块进行初始态设置，使得APP能够实时获得设备状态并获取管理员命令，并对MQTT消息进行解码，根据需求修改字符判定。这里设计了相应程序，需要判断是否已经连接APP应用的客户端上，一旦显示错误，自动退回接收信息步骤。APP应用与数据管理层的相应框架如图3所示。

图3 APP应用和数据处理层框架图

（4）上位机系统数据显示部分

在上位机的系统界面为了便利和可操控强以及实时的特点，我们利用了MSConm、MSFlexGrid插件和Timer插件结合，实现在串口调试的上位机之上，接收来自串口所监测和发送的温度，和位置信息的相应数据包，并连接了相应数据库，在系统的区域内进行显示。该上位机部分集合了连接和断开的功能，可以实现系统随时开关进行监测的功能特点；监测数据显示模块下方有体温的相应监测口，实时进行体温测量，并把数据发送到云平台进行储存；同时，该监测界面添加了经度和纬度，以及电子实时地图界面，提高了定位的精准性，为疫情监测和防控等方面提高了效率。

3 结论

本文基于OneNET云平台设计健康数据监测及新冠肺炎预警系统，利用MQTT通信协议将数据采集部分传感器所采集的相应数据上传至云平台，并建立APP，通过远程的操控与管理，实现对人群的实时监控和预警。在设计方面，利用了STM32和Esp8266开发板，并融入了FreeRTOS操作系统进行多任务管理，降低模块（传感器，控制）间的耦合性，同时便利了增删模块等功能，提高开发效率，降低了开发成本，也使得管理层的操作更加便捷，对于疫情的监测起到很大的作用，使得问题能及时有效的解决，病情能即使有效的进行治疗和隔离。该系统应用效率高于人工检测的效率，同时有效降低了监测时的错误率。

图4 APP系统应用界面显示图