王亞麗，郝傳柱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

市場(chǎng)上手環(huán)是一種常見的智能設(shè)備，通常具有記錄用戶運(yùn)動(dòng)狀況、檢測(cè)健康、與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信等功能，人們可以通過智能手環(huán)，獲取自己一天中的步數(shù)、能耗、行走里程，還能檢測(cè)自己的心率、代謝率、體表溫度和血壓等健康信息，隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上的手環(huán)還兼具移動(dòng)支付、和朋友通信等更強(qiáng)大的功能。

學(xué)生在校期間學(xué)校需每天安排大量人員在教學(xué)樓、宿舍、餐廳等地方進(jìn)行體溫測(cè)量，需要耗費(fèi)更多的工作人員。通過對(duì)疫情嚴(yán)重性的了解以及國內(nèi)外智能手環(huán)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前已有的智能手環(huán)大多在多功能研發(fā)、使用范疇等方面進(jìn)行研究，但未對(duì)學(xué)生管理領(lǐng)域和交互方式進(jìn)行總結(jié)，且未有大規(guī)模體溫監(jiān)測(cè)方面的研究。因而研究設(shè)計(jì)一款在學(xué)校范圍內(nèi)使用的監(jiān)測(cè)手環(huán)。

1 國內(nèi)外關(guān)于智能手環(huán)的研究

一個(gè)優(yōu)質(zhì)智能手環(huán)產(chǎn)品的誕生可以作為一種很好的方式來記錄人的身體動(dòng)作以及健康情況，并將許多附加健康功能加入產(chǎn)品，比如鍛煉情況、睡眠監(jiān)測(cè)、卡路里消耗等持續(xù)性功能。

在1972年，美國手表廠商漢密爾頓鐘表推出首款智能手表——Pulsar Time，它可以根據(jù)所處環(huán)境的光照改變屏幕亮度，并且可以達(dá)到“腕上計(jì)算”。1982年，日本一家公司推出一款更加智能化的手環(huán)，它可以進(jìn)行編程，可以說是智能手環(huán)的“鼻祖”。

直至2019年，智能化已經(jīng)深入人們的生活，智能手環(huán)也已經(jīng)是各年齡段都在佩戴的產(chǎn)品，功能變得更加豐富，但功能抄襲嚴(yán)重，異形造型居多。大多數(shù)的手環(huán)采用藍(lán)牙連接的方式，這種連接方式極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)斷連的現(xiàn)象。在山東華宇工學(xué)院的資源下以及周旭老師和郝傳柱老師的帶領(lǐng)，研究并設(shè)計(jì)一款能監(jiān)測(cè)體溫和位置且采用Wi-Fi連接的監(jiān)測(cè)手環(huán)。

2 校園新冠疫情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)手環(huán)的設(shè)計(jì)分析

2020年的新年被一場(chǎng)疫情打攪，全國人民眾志成城，疫情得以控制。但近段時(shí)間，多地疫情反反復(fù)復(fù)出現(xiàn)。在未來一兩年仍存在潛在的隱患，學(xué)生的體溫監(jiān)控及人員流動(dòng)控制刻不容緩。

2020年春季開學(xué)，面對(duì)大量的學(xué)生，山東華宇工學(xué)院安排人員在各個(gè)教學(xué)樓、餐廳、宿舍等多處地域進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)，浪費(fèi)大量人力。目前，市面上出現(xiàn)的智能手環(huán)大多是沒有體溫監(jiān)測(cè)功能，即使有這項(xiàng)功能，也沒有辦法達(dá)到統(tǒng)一獲取體溫及位置的要求。校園新冠疫情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)用在各省中小學(xué)、幼兒園及高校，達(dá)到能夠及時(shí)獲取學(xué)生的體溫和位置的目的。

監(jiān)測(cè)手環(huán)選用Arduino Nano作為微處理器模塊，Arduino Nano是一款8位微控制的智能芯片，其體積小、功能全面。常用的STC 12C5A60S2雖然價(jià)格低廉，易于控制，但其計(jì)算速度慢，片上數(shù)據(jù)資源較少，存儲(chǔ)容量較小，它難以存儲(chǔ)大量的編譯器和軟件，以實(shí)現(xiàn)快速而又準(zhǔn)確的響應(yīng)和控制。并且因?yàn)闀r(shí)鐘的限制，使得定時(shí)精確度不夠，外圍控制電路大大增加系統(tǒng)工作的不便。STC51系列單片機(jī)運(yùn)算處理速度慢，片上數(shù)據(jù)庫資源少，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫容量小，難以對(duì)較多的大容量編譯器進(jìn)行存儲(chǔ)，難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的響應(yīng)和控制。

心率模塊選用ADS1292模塊，該模塊用于生物電位測(cè)量，低功耗、雙通道、24位模擬前端和心率檢測(cè)電路。在心電程序的調(diào)試過程中，團(tuán)隊(duì)中的調(diào)試員以心電信號(hào)模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)時(shí)采集并記錄使用者的心電信號(hào)和心電信號(hào)波形，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)手環(huán)顯示心率以及手機(jī)APP端動(dòng)態(tài)心電圖的顯示。

加速度計(jì)等模塊的選擇中鑒于CMPedometer系統(tǒng)最低版本需要是iOS8（部分功能需要iOS9），使用范圍小，因此該計(jì)步器使用者的設(shè)備具有一定的要求。但是MPU-6050是目前世界上第一個(gè)集成的六軸運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理組件，與多組件解決方案產(chǎn)品相比，避免了陀螺儀組合和加速器的時(shí)間軸的差異，并且有廣泛的應(yīng)用范圍。最終選用MPU6050六軸傳感器來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)手環(huán)的計(jì)步功能。計(jì)步程序調(diào)試時(shí)，調(diào)試員將模塊固定在手臂上在平地上來回走動(dòng)，將顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際步數(shù)進(jìn)行對(duì)比調(diào)試；同時(shí)在多種真實(shí)活動(dòng)場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試：平地、上下樓梯以及上下坡統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)步數(shù)，多次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與實(shí)際步數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行調(diào)試。

溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)模塊首先選擇一款LMT70測(cè)溫模塊，LMT70是一款小巧、精度準(zhǔn)確、功耗低的導(dǎo)電互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬溫度傳感器，具有對(duì)溫度信號(hào)的準(zhǔn)確輸入和輸出檢測(cè)性并使用智能引腳。調(diào)試過程中先測(cè)量冰水混合物的溫度，與冰點(diǎn)0℃作比較，進(jìn)行校準(zhǔn)，再將LMT70傳感器對(duì)準(zhǔn)測(cè)量調(diào)試員手腕處溫度，多次測(cè)量求取平均值，與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)實(shí)數(shù)進(jìn)行比較，再次進(jìn)行調(diào)試，直至兩者所測(cè)溫度誤差在允許范圍之內(nèi)。

監(jiān)測(cè)手環(huán)的總電路校園新冠疫情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手環(huán)采用Arduino Nano單片機(jī)作為主控芯片，以ESP8266作為主控制器，配以TI的模擬前端芯片ADS1292、六軸傳感器MPU6050、LMT70溫度傳感器等外圍模塊，實(shí)現(xiàn)無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)手環(huán)的總電路如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)手環(huán)總電路

通過騰訊云平臺(tái)，將溫度傳感器與GPS芯片收集的學(xué)生體溫、位置信息經(jīng)過手機(jī)APP顯示，體溫正常為綠點(diǎn)，體溫超過37.3℃為紅點(diǎn)，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間到達(dá)校外區(qū)域?yàn)辄S點(diǎn)，這樣管理人員可以實(shí)時(shí)掌控學(xué)生體溫及位置。系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)用功能，方便對(duì)以往數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用查看，有人體溫超標(biāo)或在隔離期間離開學(xué)校區(qū)域系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，通知管理人員進(jìn)行再次核實(shí)。

3 成果展示

監(jiān)測(cè)手環(huán)外形如圖2所示，系統(tǒng)先對(duì)志愿者成員進(jìn)行初期測(cè)試，效果良好，達(dá)到預(yù)期效果；其次，擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，對(duì)電氣工程學(xué)院的學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)期效果良好；最后，將系統(tǒng)應(yīng)用于全校學(xué)生，每名學(xué)生佩戴“智能之星”，學(xué)生可以從手機(jī)APP端實(shí)時(shí)了解自己的體溫狀況如圖3所示。服務(wù)器端可以實(shí)時(shí)獲取在校學(xué)生的體溫以及位置，既解決學(xué)生忘記體溫打卡的事情，又解決學(xué)生私自外出的情況。

圖2 監(jiān)測(cè)手環(huán)外形

圖3 手機(jī)APP端顯示

監(jiān)測(cè)手環(huán)是以NB-loT技術(shù)為媒介，利用溫度傳感器與GPS芯片實(shí)時(shí)收集學(xué)生體溫與位置信息，將信息傳送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在校生體溫及位置的有效檢測(cè)。監(jiān)測(cè)手環(huán)不僅使用方便、操作簡(jiǎn)單，還可省去大量人工并解決人工的低效問題。

4 結(jié)束語

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，校園新冠疫情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手環(huán)具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍廣。在同一頻段內(nèi)，NB-IoT技術(shù)比現(xiàn)有的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)接收信號(hào)更加靈敏，監(jiān)測(cè)范圍也就更廣，足以覆蓋整個(gè)校園；②監(jiān)測(cè)系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)用簡(jiǎn)便。應(yīng)用空中接口信令簡(jiǎn)化、PSM、e－DRX等節(jié)能技術(shù)降低終端模塊的功耗；③性價(jià)比高。手環(huán)功能特定，僅檢測(cè)體溫；④監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)學(xué)生數(shù)量大。使用NB-IoT技術(shù)減少接受指令的數(shù)據(jù)，信息接入能力增強(qiáng)，可以監(jiān)測(cè)的學(xué)生數(shù)量大。

目前裝置的初期模型比較大，不便于攜帶。后期將會(huì)采用高集成度的SoC芯片，這種新型SoC芯片由于其高集成度的技術(shù)和設(shè)計(jì)解決方案所制造，它具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)量精確度高、反應(yīng)快速以及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，使其更加小型化、便攜。