基于Arduino 和LoRa 的新型冠状病毒感染监控系统的设计

2023-10-24吴培洁龙光利

物联网技术 2023年10期

吴培洁，龙光利

（陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西汉中 723001）

0 引言

新型冠状病毒疫情暴发之后，给全社会造成了巨大的危害。我国通过采取多种疫情防控措施使得疫情形势被很好地遏制，但新型冠状病毒感染一直反复。新型冠状病毒传播快且多发生在人群密集的地方，所以减少人群聚集是重中之重。疫情期间，我国各地的中小学和高等学校因人员密集而成为重点防控区域。为了能够更好地预防新型冠状病毒在校园内传播[1]，需要实时掌握校园人员流动的具体信息，防止在特殊时期校外人员或存在感染风险的人员随意进入校园等情况的发生。针对新型冠状病毒感染常态化这一特殊性，研究一种兼具人员流量监控、新型冠状病毒感染数据采集等多种功能的校园智能监测防控系统，以实现校园疫情防控智能化、全面化，为全校师生提供有效的人流量数据，从而实现对校园信息的充分掌握，保障校内师生工作和学习环境的健康有序[2]。

1 新型冠状病毒感染监控系统模型

校园新型冠状病毒感染监控系统以监控图书馆人员聚集情况为例，通过LoRa 将图书馆的人流量数据传送至安保室。整个系统分为三个部分，分别是图书馆电路、安保室电路以及整个系统的通信传输模块。

在检测点前后分别放置红外传感器模块A 和红外传感器模块B，当模块A 检测到人员经过，释放高电平；之后经过模块B，模块B 发出高电平，就说明图书馆进入一个人。若模块B 首先检测到人员经过，并释放高电平；之后经过模块A，模块A 释放高电平，就说明图书馆外出一个人。双向检测法通过模块A 和模块B 的电平变化，从而判断检测人员的进出状态。采用这种检测方法，能够使得检测数据更加准确。

2 硬件设计

校园新型冠状病毒感染监控系统硬件部分主要包括Arduino UNO 开发板、数据采集电路、数据显示电路、数据传输电路。

2.1 图书馆电路设计

设计的图书馆电路分为两个部分：第一部分是数据采集部分，这部分由两个FC-51 红外传感器和开发板组成，FC-51 传感器模块通常用于障碍物检测，两对红外传感器用于检测人员进出图书馆，每当人员经过时，电平变为高电平，并传输至Arduino 开发板，通过模块变化的顺序来判断进出状态；每个传感器有3 个引脚，即VCC、VOUT 和GND，VCC 引脚接入5 V 直流电源，可从Arduino Uno 的5 V 引脚直接获取，M1 和M2 的VOUT 引脚分别连接到Arduino的A4 和A5 引脚。第二部分是SSD1306 显示模块与A4 和A5 连接，将红外传感器采集到的数据显示出来。FC-51 和SSD1306 与开发板接线图如图1 所示。

图1 FC-51 和SSD1306 与开发板接线图

2.2 安保室电路设计

安保室电路主要是显示模块SSD1306 与开发板相连接。SSD1306 是一款单片CMOS OLED/PLED 驱动器，具有有机/聚合物发光控制器二极管点阵图形显示系统。SSD1306 内置对比度控制器、显示RAM 和振荡器，减少了外部组件和功耗。它有256 级亮度控制，由128 个段和64 个公共部分组成。安保室SSD1306 与开发板接线图如图2 所示。

图2 安保室SSD1306 与开发板接线图

图2 所示的SSD1306 显示模块就是由一个个小的有机自发光二极管组成的阵列，屏幕分辨率设置为128×64，即每行有128 个发光二级管，一共有64 行。GND 接地，VCC 接5 V，SDA 接A4，SCL 接A5。

2.3 LoRa 通信模块电路设计

LoRa 是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术[3-5]，是一种简单的、远距离、低功耗无线通信手段[6]。LoRa 在城镇的传输距离可达2 ～5 km，郊区可达15 km，工作频段包括433 MHz、868 MHz、915 MHz，一个LoRa 网关可以连接成千上万个LoRa 节点，传输速率从几十至几百Kb/s，与传输距离成反比，速率越低传输距离越长[7-9]。LoRa 通信模块与开发板接线图如图3 所示。

图3 LoRa 通信模块与开发板接线图

3 软件设计

3.1 图书馆监控程序设计

图书馆监控程序主要包括主程序和数据采集子程序、数据显示子程序以及LoRa 通信子程序、延迟子程序等，图书馆监控主程序通过调用这几个子程序实现要求的功能。图书馆监控主程序流程如图4 所示。程序开始运行时，先初始化程序，设计波特率为9 600；通过红外传感器收集数据，发送至开发板处理；根据不同传感器的先后触发顺序，判断人员进出状态，最后通过OLED 显示子程序在液晶显示屏显示当前图书馆人数。

图4 图书馆监控主程序流程

3.2 安保室监控程序设计

安保室监控程序主要包括LoRa 模块子程序和显示模块子程序等。程序开始运行时，先设置初始化，LoRa 模块2开始接收来自LoRa 模块1 采集的人数数据，并实时判断更新数据情况。安保室监控主程序流程如图5 所示。

图5 安保室监控主程序流程

利用Arduino 软件编译程序，通过Arduino 自带的串口监视器不断调整传感器灵敏度，并进行数据采集和数据显示。将采集到的信号传至开发板，开发板将处理好的信息显示在液晶显示屏上，并通过LoRa 模块传送至安保室。最终，安保室和图书馆显示的数据是一致的且是实时变化的。

4 实验结果

运用两个Arduino 开发板[10]，将图书馆数据采集电路FC-51 和数据显示电路SSD1306 与一个开发板连接起来；将安保室的数据显示电路SSD1306 与另外一个开发板连接起来。把LoRa 模块A 与图书馆开发板连接，LoRa 模块B 与安保室开发板连接，使得两者可以相互通信并传输数据。校园新型冠状病毒感染监控系统的调试如图6 所示。