基于LoRa技术的校园疫情体温监测系统设计

万 云，陈达美，蒋 阳

（1.重庆城市职业学院信息与智能制造学院，重庆 402160；
2.重庆市永川区五洲小学校，重庆 402160；
3.重庆大学通信工程学院，重庆 400044）

随着全国新冠疫情防控进入常态化管理，各学校都在积极采取严格的防控措施应对这场战“疫”。而体温监测，则是这场战“疫”的关键。如何在体温监测中做到“无接触感应”“高效率通行”“高温智能预警”[1]，是对我国校园密集人群场所未来疫情防控的考验与挑战。

目前我国校园疫情防控体温监测仍以功能单一的检测设备或手持体温计为主，各设备相对独立、未真正意义搭建成监测系统，存在费时费力、应急指挥难度大、智能化应用程度低、事前事中处理能力不足、常态化管控难度大等问题，即使目前许多学校校门已布置了人脸识别测温设备，但价格昂贵，不便于办公室、教室、宿舍等室内环境分散监测和晨检、午检、晚检多频次的监测校园师生体温。针对上述问题，为有效实现常态化疫情防控，设计了基于LoRa无线通信的校园疫情体温监测系统。

考虑到学校人群密度大，为降低病毒传播率，避免传统手持式测温时近距离接触，系统采用分布式集中管理方案设计，主要由布置在寝室、教室或办公室区域的体温监测终端节点、楼栋网关和监控中心上位机等组成，其系统总体设计框图如图1所示。体温监测终端节点通过温度传感器采集师生的体温信息，数据经单片机处理后通过LoRa无线通信发送至楼栋网关。楼栋网关与体温监测终端节点构成LoRa通信自组网，用于接收所在楼栋内的节点数据，对数据进行处理后再通过网关中WiFi模块上传至校园监控中心的上位机。上位机监控界面可实时注册、查询和管理师生体温数据等。

图1 系统总体设计框图

本系统的硬件主要有体温监测终端节点和楼栋网关，具体硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 体温监测终端设计

体温监测终端节点是直接与被测对象接触最近、使用频次最高的器件。它的功能主要是实名采集被测对象的体温值，处理后传送给网关，是整个系统最为关键的环节。所采集的数据准确性关系到整个系统的可靠性，它主要由主控单元（Microcontroller Unit，MCU）单片机控制器、体温测温模块、红外对管模块、RFID读卡器模块、语音播放模块、液晶显示模块和LoRa通信模块等组成。

主控单元MCU是整个体温监测终端节点的核心器件。系统采用STM32F103C8T6单片机实现，内核为Cortex-3，工作频率达到72MHz。从核心单片机结构上来看，拥有内设RAM，可以达到512kB。此外，单片机具有嵌入式Flash和64k B的SRAM，同时拥有32字节存储器，能够方便系统存储各种程序和数据。内外均设置中断控制器，并设置7路灵活DMA，能够用于实现存储器与外围电路转换处理，各路均能通过软件触发硬件DMA请求。由于芯片自带A/D转换功能，可以直接输入采集的各种模拟量和开关量。单片机片上资源较为丰富，包含PWM、USB等等，能够降低硬件设计复杂程度，并减少系统运行产生的能耗，因此可以用于实现系统数据采集控制。在单片机内部完成各种数据打包，能够利用网络传输至上位机中，满足数据分析和显示需求[2]。

体温测量模块用于非接触式测量师生的体温。系统采用高精度医疗用GY-906红外测量传感器模块实现，该传感器采用标准的IIC协议通信，精度理论可达±0.2℃, 体积小巧, 被测物体和环境温度能分双通道输出, 测量分辨率最高可达0.02℃，适于多种测量环境[3]。

RFID读卡器模块用于识别师生的一卡通，实现师生测量实名制。系统采用MF RC522-IC卡感应模块实现，该模块利用先进的调制和解调技术，集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式与协议[4]。基本的工作原理是采用电磁耦合的方式使得标签从读写器耦合线圈的辐射近场中获得能量，从而达到与读写器进行数据交换的目的[5]。

液晶屏显示模块用于实时显示测温的中文提示和测温结果。系统采用0.96寸OLED模块实现，该模块分辨率为128*64，含有并行、串行SPI、IIC 等多种接口方式，能够满足体温测量提醒和温度值显示的要求。

语音播放模块用于语音提醒用户操作和语音播报测温结果。系统采用JQ8400-FL语音模块，支持MP3 WAV 硬件解码、FAT 文件系统，拥有24 位DAC输出，内部采用DSP硬件解码，动态范围支持90dB，信比可达85dB，同时支持系统深度睡眠，睡眠后电流低至600uA，可很大程度上降低系统功耗。

红外对管模块用于检测师生是否靠近体温监测终端，确保体温值准确性。系统采用1个红外循迹检测模块来实现，该传感器的探测有效距离范围在2～30cm，可通过电位器旋钮调节检测距离、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。其具有一对红外线发射管与接收管，发射管向外发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到有阻碍物时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，模块上绿色指示灯会亮，同时信号输出接口输出1个低电平数字信号，即表示采集到人体靠近信号[6]。

终端通信模块用于实现与楼栋网关的数据传输。本系统选择高性能的SX1278系列射频芯片实现LoRa无线通信，LoRa通信技术是一种近年发展起来的远距离无线通信技术，采用直序扩频方式，接收灵敏度高；
同时满足低功耗需求，它已成为远距离、低功耗、低速率、低成本、大规模组网通信的理想技术。LoRa无线传感器网络广泛应用于物联网农业、智能无线抄表、机器人控制、安防系统、车辆跟踪、智慧城市等领域[7]。相对于蓝牙、WiFi和ZigBee等无线通信方式，LoRa无线通信传输距离更远，最远理论通信距离长达15km，功耗更低，能多通道传输，可以达到-148dBm的高灵敏度，抗干扰性强[8]。体温监测终端硬件电路如图3所示。

图3 体温监测终端电路图

2.2 楼栋网关设计

楼栋网关是连接体温监测终端设备和监控中心的桥梁。主要功能是把分布离散式的多个节点的体温数据汇聚，经处理后传输给云平台服务器，从而实现远程数据采集与分析，同时也负责将上位机的命令数据经处理后下发给各体温监测终端，从而实现数据的“上传下达”，起承上启下的作用。它由LoRa通信模块、MCU单片机模块和WiFi模块组成。其中，LoRa通信模块选型SX1278系列射频芯片实现，用于实现网关至体温监测终端之间的无线通信，负责将各体温监测终端节点的体温数据进行汇聚；
MCU单片机模块选型STM32F103C8T6芯片单片机实现，用于楼栋网关主控制器，实现对体温数据的处理；
WiFi模块用于实现网关至云端平台的无线通信，选型采用ESP8266芯片实现，它是乐鑫公司开发的一款物联网专用芯片[9-10]。ESP8266 WiFi模块采用串口与单片机通信，内置TCP/IP协议栈，通过WiFi与上位机通信。利用ESP8266模块对传统串口设备进行简单的串口配置，即可将数据通过WiFi传输给上位机，实现物联功能。ESP8266 WiFi模块有三种工作模式：STA模式、AP模式、STA混合AP模式。STA模式通过路由器和因特网相连，属于因特网内通信；
AP模式将ESP8266作为一个热点，上位机通过连接此热点通信，属于局域网内通信；
STA混合AP模式是以上两种模式的混合，用户既可在局域网内通信，也可使用因特网通信[11]。楼栋网关硬件电路如图4所示。

图4 楼栋网关硬件电路图

3.1 通信协议与抗干扰设计

考虑到师生宿舍、办公场所布置体温监测终端节点需结构简单、组网快捷，各终端与网关通信采用了控制简单、故障诊断和隔离容易的星型网络作为无线网络基础结构，其自组网架构如图1左侧虚线框内所示，每一楼层的体温监测终端构成1个节点，所有节点和楼栋网关中的LoRa模块形成一个星型网络。为确保该网络能实现可靠通信，在节点和网关间设计了如表1帧格式通信协议。

表1 数据帧格式

该数据帧共有9个字节，由帧头、节点号、体温值、ID卡号和帧尾组成。帧头、帧尾固定数据为9AH和FFH，用于检测一个数据的开始与结尾，确保数据准确性，它们各占1个字节；
节点号表示每一楼层中各体温监测终端的地址编号，占1个字节，1个楼栋网关最多可扩展256个体温监测终端节点；
数据域包含有体温、ID卡号值，用于存储传感器采集到的体温值和师生ID身份确认信息值，其中体温值占2个字节，ID卡号占4个字节。

考虑到单个星型网络容纳体温监测终端节点有限的问题，根据宿舍或教学楼的栋数再将系统划分成多个子网，每个子网可给予分配独立的信道，这样可以在增加终端容量的同时，降低信号间的相互干扰[12]。

3.2 体温采集节点设计

体温监测终端通电后，对系统进行初始化，检查温度传感器、RFID读卡器、语音播放模块、红外对管模块和LoRa通信模块等能否正常工作。待初始化成功后，每隔500ms检测是否有已录入系统的ID卡进行刷卡操作，若不是已知卡，则通过液晶屏提示为非法卡并继续检测ID卡，若有且正确情况下再检测是否有被测人员靠近，若无则继续检测，若有人员靠近则体温传感器自动采集1次被测人员的体温，并对数据进行平滑处理，将数据通过液晶屏和语音模块提醒并经LoRa无线模块发送到楼栋网关中的LoRa无线模块，具体流程如图5所示。

图5 节点软件流程图

3.3 网关设计

为避免网络拥堵问题，系统采用了分时接收和发送数据的方式，程序中预设330ms对各体温监测终端节点的数据进行接收和发送，预设1s将数据处理后上传至上位机数据库。主程序中，初始化成功后，自动检查LoRa模块并进行组网，根据自组网协议待组网完成后，实时重复地接收来自各体温节点的温度数据，并将数据按照一定的格式要求经WiFi模块传输给上位机。网关软件设计流程如图6所示。

图6 楼栋网关软件流程图

3.4 上位机设计

监控中心上位机软件是实现人机交互的窗口，是工作人员监测整个学校师生体温数据值的“眼睛”。它要实现被测师生在远程端（监控中心）的实时管理。主要由TCP通信模块、注册模块、登录模块、录入师生信息模块、查询检测结果和数据库等组成。如图7所示。

图7 上位机系统框图

其中，注册模块用于监控中心管理人员信息注册；
登录模块用于监控中心管理人员登录上位机，保障用户权限；
信息录入模块用于实现师生实名制的采集；
数据库用于存储学校师生体温值数据，同时可以导出数据，便于查看未测者或超温异常者信息等；
结果查询模块用于随时查看师生体温结果；
TCP通信模块用于实现网关与监控中心的通信。

4.1 测试条件设定

为验证系统远程通信、数据传输的可靠性和系统各项功能，设定如下测试条件。

（1）采用3个体温监测终端作为采集节点，采用1个LoRa模块和1个WiFi模块通过STM32相连构成楼栋网关，他们共同组成星型网络。实物搭架如图8所示。

图8 实物搭架测试图

（2）LoRa模块中SX1278芯片的发射功率设定为100mW，节点采集体温值时间设定为500ms，网关定时收、发节点数据时间均设定为330ms，WiFi上传数据库时间设定为1s。

（3）测试时环境温度为20℃左右，标准温度采用欧姆龙红外额式体温计mc-872做参考，被测师生额头或耳根距离采集传感器需控制在0.5-1cm范围以内。

4.2 远程通信测试

系统上电后，在上位机中输入管理员账号密码登录监控窗口，按顺序点击“连接网络”—“注册”，系统显示连接成功，此时表明终端节点、网关、上位机已经成功建立了通信，实现了远程连接。如图9所示。

图9 系统远程通信测试结果

4.3 数据传输可靠性测试

系统数据传输可靠性测试包含两部分。

（1）体温监测终端节点至楼栋网关LoRa无线通信可靠性测试：将3个体温监测终端设备分别置于砖墙结构宿舍的不同楼层3间学生寝室，楼栋网关置于底层弱电井内，节点和楼栋网关直线距离每隔50米时，通过串口调试窗口发送100个数据包，测试数据如表2所示。

表2 通信测试结果

实测结果表明，在有砖墙障碍物和强弱电干扰情况下，由于采取了独立信道抗干扰设计，体温监测终端节点至楼栋网关无线通信距离在300m范围内数据丢包率和错误率分别为2%和1%，均在系统性能允许范围之内，确保了通信的可靠传输。

（2）体温数据可靠性测试：为验证所采集体温数据值的可靠性，分别邀请18名师生在3个体温监测终端节点进行测试，各终端及上位机显示所测数据与标准温度误差数据如表3所示。

表3 体温数据误差值（℃）

实测结果表明，误差范围均在±0.2-±0.5度之间，符合GB-T 21416-2008 医用电子体温计国家标准。

4.4 系统功能测试

在体温采集过程中，若有体温高于所设定的正常值，系统会自动弹出报警窗口，如图10所示。同时上位机可实时将所采集到的体温值保存到数据库中并供用户随时下载，如图11所示。管理员也可进入数据库实时查看已录入的师生信息，如图12所示。

图10 体温过高自动报警

图11 实时查看师生体温值和导出汇总表

图12 实时查看已录入的师生信息

本文设计的基于LoRa技术的校园体温监测系统，可布置在寝室、教室和办公室等室内，较布置在校门人脸识别体温采集设备而言，更便于分散监测，可实现晨检、午检、晚检等多频次非接触式实时采集，降低了病毒传播率。同时引入LoRa无线通信技术，改变了传统有线监测的布线弊端，实现体温监测终端与上位机的数据通信，提高了监测系统的便捷性和普及性。实验结果表明，该系统上位机与终端节点能成功通信，可远程实现校园师生体温的实时采集、实时显示、数据汇总下载和体温超值报警等功能，系统数据传输可靠。

考虑到成本因素，该系统体温采集终端只能固定在某处，适用于人员密度大但流动性不大的校园或人员相对固定的场所。未来设计中，小型、可穿戴可移动式的体温监测系统将是下一步研究的重点。

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