基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统

摘要

本发明公开了一种基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统，包括温度传感器节点装置、路由器节点装置、协调器节点装置和监控中心；每个路由器节点装置在唤醒期间接收对应的所有温度传感器节点装置发送的体温数据，对体温数据进行融合处理，将融合结果发送至协调器节点装置；协调器节点装置整合所有路由器节点装置发送的经融合处理后的体温数据，根据预设的预警策略对其进行处理，筛选出其中的预警数据。本发明能够在校园内针对移动监控对象布设稳定工作的预警网络；考虑到温度传感器节点装置、路由器节点装置和协调器节点装置的分布特性和工作特性，采用多种手段在确保预警效率的基础上尽可能减少三者的耗电量，减少设备维护量。

说明书

技术领域

本发明涉及校园疾病预警技术领域，具体而言涉及一种基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统。

背景技术

人体的体温是人体生命体征最重要的表征之一，也是确诊和判断很多疑似病例的最关键、最直接的指标之一。如发热是新冠肺炎、SARS、禽流感、甲型H1N1型流感等传染病的常见症状。体温检测也是诊断此类病例的首要环节。目前，常见的体温测量方式主要有水银体温计为代表有接触式测量方式，计测量比较精准，但测量时间较长，测量过程接触人体，每次使用后都需要消毒，还存在交叉感染的风险，不适合疫情防控需求；另一种是以红外体温仪为代表的非接触式测量方式，红外体温仪能降低交叉感染概率，比水银体温计方便快捷，这种测温方法在疫情期间被广泛应用，但其缺点一是测量的温度容易受到气温、风速的影响而产生测量误差；二是暴露在外的皮肤温度并不稳定。

校园是人群密度较大的地方，属于传染病爆发的高危区，目前的校园通常采用在出入口或考勤点设置红外体温探测装置，以及学生自主测量老师等负责人统一数据进行人工管理相结合的方式进行管控。以上传统的体温测量基于人工方式工作量巨大，存在测量误差，还在交叉感染的风险，不能实时掌握体温状态，不能及时发现疑似病人，增加传染病的扩散风险。

目前市面上也存在部分便携式的体温测量穿戴式设备，但并未建立大范围内(如校园内)的巨大人数的体温监控预警体系，即使参考现有工业生产中的数据传输方式，也难以应对体温测量穿戴式设备的大功耗问题，也无法解决相关网络设备难以在校园这种极大场地场景下有效布设的问题，更加未考虑用户之间的关系网数据对测量频率等的影响。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统，能够在校园内针对移动监控对象布设稳定工作的预警网络；同时，考虑到温度传感器节点装置、路由器节点装置和协调器节点装置的分布特性和工作特性，采用多种手段在确保预警效率的基础上尽可能减少三者的耗电量，减少设备维护量，成功解决现有技术中存在的测量误差，测量不稳定，测量体温工作量大，费时、费力，存在交叉感染风险，以及由于外界环境温度影响导致的测量结果不准确等问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统，所述预警系统包括M个温度传感器节点装置、N个路由器节点装置、协调器节点装置和监控中心；所述M、N为大于等于1的正整数，且M大于等于N；

所述温度传感器节点装置、路由器节点装置和协调器节点装置均被设置成周期性唤醒工作模式，在唤醒期间执行数据采集、处理和收发任务；

所述M个温度传感器节点装置一一对应地佩戴在用户身上，用于根据外部控制指令按照预设体温采集周期采集所属用户的体温数据；

所述N个路由器节点装置分布设置在校园内，每个所述路由器节点装置与通信范围内至少一个温度传感器节点装置连接，每个所述路由器节点装置在唤醒期间接收对应的所有温度传感器节点装置发送的体温数据，对体温数据进行融合处理，将融合结果发送至协调器节点装置；

所述协调器节点装置整合所有路由器节点装置发送的经融合处理后的体温数据，根据预设的预警策略对其进行处理，筛选出其中的预警数据，并根据预警数据生成对应的预警信号进行预警；

所述监控中心与协调器节点装置连接，用于接收并存储协调器节点装置发送的体温数据和对应的预警处理结果，自适应地调整协调器节点装置的预警策略。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述温度传感器节点装置包括温度传感器、第一微控制器、第一显示模块、第一射频通信模块和第一电源模块；所述第一电源模块分别与温度传感器、第一微控制器、第一显示模块、第一射频通信模块连接，提供其正常工作所需电源；

所述温度传感器、第一显示模块、第一射频通信模块均与第一微控制器电连接；所述温度传感器根据第一微控制器的控制指令按照预设体温采集周期采集所属用户的实时体温，所述第一微控制器将实时体温通过第一显示模块进行显示，并在路由器节点装置唤醒期间通过第一射频通信模块将当前路由器唤醒周期内采集到的所有体温数据发送至路由器节点装置；

所述第一微控制器通过Z-stack协议栈对温度传感器节点采用休眠机制。

进一步地，所述第一微控制器还用于在路由器节点装置唤醒期间将第一电源模块的剩余电量连同体温数据一起发送至路由器节点装置，并接收路由器节点装置反馈的下一个路由器唤醒周期内的体温采集周期。

进一步地，温度采集周期为动态的，当温度传感器节点数据正常，采集周期按预定的周期采集；当温度数据高于警戒温度，启动异常体温采集模式，采集频率根据温度的异常程度动态变化，体温越高采集频率越高，路由器唤醒周期相应动态变化，同时异常体温采集的节点范围扩大到异常节点周围的3阶邻居节点，保障体温异常节点能被及时准确发现，可能被传染的节点也能纳入重点监测范围，能及时有效阻止传染扩散，提高实时监测的有效性，最大程度避免病毒传播。

进一步地，所述第一射频通信模块包括相互连接的巴比伦匹配电路和单极子不平衡天线；

所述巴比伦匹配电路包括收发端(RF_N)、收发端(RF_P)、电容(C15)、电容(C16)、电容(C17)、电容(C18)、电容(C19)、电感(L1)和电感(L2)；所述收发端(RF_N)依次通过电容(C15)、电感(L1)和电容(C19)连接至单极子不平衡天线；所述收发端(RF_P)依次通过电容(C16)、电容(C17)和电容(C19)连接至单极子不平衡天线；所述电容(C15)与电感(L1)相连接的端部通过电容(C18)连接至地；所述电容(C16)与电容(C17)相连接的端部通过电感(L2)连接至地。第一射频通信模块选用单极子不平衡天线，包括由分立电感L1、L2，电容C15、C16和C17等组成非平衡变压器，该电路既满足RF输入/输出匹配要求，又能获得最优的芯片性能。

进一步地，所述路由器节点装置包括第二微控制器、第二电源模块、第二射频通信模块和第一URAT通信模块；

所述第二微控制器依次通过第二射频通信模块、第一射频通信模块与第一微控制器连接，接收第一微控制器发送的体温数据，对体温数据进行融合处理，删除其中包括的冗余数据和错误数据；

所述第二微控制器通过第一URAT通信模块与协调器节点装置连接，采用串行通信URAT模式将融合结果发送至协调器节点装置。

进一步地，所述协调器节点装置包括第三微控制器、第三电源模块、第二URAT通信模块、第二显示模块、报警模块和4G通信模块；

所述第三微控制器依次通过第二URAT通信模块、第一URAT通信模块与第二微控制器连接，接收经融合处理后的体温数据，根据预设的预警策略对其进行处理，筛选出其中的预警数据，并根据预警数据生成对应的预警信号，通过报警模块发出预警信息；所述第三微控制器与第二显示模块连接，通过第二显示模块显示体温数据、预警数据和预警信息；

所述第三微控制器通过4G通信模块与监控中心连接，将体温数据、预警数据和预警信息发送至监控中心。

本发明动态唤醒周期与体温正相关，体温高于警戒温度，唤醒周期相应动态变小，这种策略既能有效降低功耗，又能保障异常节点及时被发现防止病毒传播。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够按体温监测要求设置实时监测学生的体温，具有及时性高，解决了人工测量存在的测量不准确、工作量大，交叉感染风险等问题。

2、本发明通过终端节点温度传感器实时采集学生的体温，解决了非接触式体温仪受到气温、风速等外界因素影响产生测量误差，能及时发现疑似病人的，极大降低了传染病的扩散风险。

3、本发明采用睡眠机制、数据融合技术，温度传感器节点与路由器节点、路由器节点与协调器节点的数据传输策略采用动态周期性唤醒、随机退避数据重传等低功耗数据传输策略，以上措施降低通信模块的能耗。

4、本发明的硬件系统采用模块化结构，该设计提高了节点的稳定性，保证了整个系统的稳定、可靠运行。

5、本发明通过路由器节点增加网络的覆盖面积，系统扩展性良好。

6、本发明从各个模块的元器件和微控制器的选择，数据采集、数据处理、数据通信等各方面，都采取了低功耗设计，系统具体运行成本低，生命周期长的优势。

附图说明

图1是本发明的基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统的结构示意图。

图2为温度传感器节点装置结构示意图。

图3为温度传感器节点装置的微控制器CC2530模块电路示意图。

图4为温度传感器节点装置的温度传感器模块电路示意图。

图5为温度传感器节点装置的射频通信模块电路示意图。

图6为温度传感器节点装置的显示模块电路示意图。

图7为温度传感器节点装置的电源模块电路示意图。

图8为路由器节点装置结构示意图。

图9为协调器节点装置结构示意图。

图10为协调器节点装置的微控制器模块电路示意图。

图11为协调器节点装置的报警模块电路示意图。

图12为协调器节点装置的4G通信模块电路示意图。

图13为协调器节点装置微控制器4G通信模块的USB接口电路示意图。

图1中：1为温度传感器节点装置，2为路由器节点装置，3为协调器节点装置。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1，本发明提及一种基于无线传感器网络的低功耗校园监控传染病预警系统，所述预警系统包括M个温度传感器节点装置2、N个路由器节点装置2、协调器节点装置3和监控中心；所述M、N为大于等于1的正整数，且M大于等于N。

所述温度传感器节点装置1、路由器节点装置2和协调器节点装置3均被设置成周期性唤醒工作模式，在唤醒期间执行数据采集、处理和收发任务。

所述M个温度传感器节点装置1一一对应地佩戴在用户身上，用于根据外部控制指令按照预设体温采集周期采集所属用户的体温数据。

所述N个路由器节点装置2分布设置在校园内，每个所述路由器节点装置2与通信范围内至少一个温度传感器节点1装置连接，每个所述路由器节点装置2在唤醒期间接收对应的所有温度传感器节点装置1发送的体温数据，对体温数据进行融合处理，将融合结果发送至协调器节点装置3。

所述协调器节点装置3整合所有路由器节点装置2发送的经融合处理后的体温数据，根据预设的预警策略对其进行处理，筛选出其中的预警数据，并根据预警数据生成对应的预警信号进行预警。

所述监控中心与协调器节点装置3连接，用于接收并存储协调器节点装置3发送的体温数据和对应的预警处理结果，自适应地调整协调器节点装置3的预警策略。

温度传感器节点装置1是终端节点，负责学生体温数据采集，不参与路由，温度传感器节点采用休眠机制，当温度传感器不工作时关闭通信模块，处于休眠休状态，需要工作时被唤醒，唤醒时间根据体温测量要求设置，休眠机制极大地降低了能耗，提高传感器模块的工作寿命，提高了整个系统的生命周期。

路由器节点装置2负责将温度传感器节点装置1采集的数据发送给协调器节点装置3，路由器节点装置2接收协调器节点装置3传达的数据信息给温度传感器节点(1)，路由器节点装置2结构简单，路由器节点装置2增加网络的覆盖面积，系统扩展性良好。

协调器节点装置3连接传感器网络与4G移动通信网，协调器节点装置3是传感器网络的核心，负责传感器网络的组建，控制路由器节点装置2和温度传感器节点装置1，将路由器节点装置2传来的数据进行处理，剔除错误数据，并将数据加以融合，通过4G移动通信网将数据传输到监控中心。

优选的，温度传感器节点装置1、路由器节点装置2和协调器节点装置3均采用USB电源供电。

一、温度传感器节点装置1结构和工作原理

温度传感器节点装置1的结构如图2所示，温度传感器节点装置1由温度传感器模块、第一显示模块、第一微控制器、第一射频通信模块组成。温度传感器模块采集学生体温信息并转换成数字信号传给微处理器，第一微处理器将温度传感器模块发来的数据进行处理、判断，通过第一显示模块显示体温数据以及被测学生的相关信息，包括姓名、性别、年龄、身份证号码、所在班级、宿舍、辅导员、班主任等。第一射频通信模块负责接收、发送数据信息。第一电源模块为整个温度传感器节点装置1提供电源。

温度传感器节点装置1的能量消耗模块主要有温度传感器模块、第一显示模块、第一微控制器模块和第一射频通信模。随着集成电路工艺的进步，温度传感器模块、微控制器模块的功耗都很低。本发明的第一显示模块采用Oled，显示文字选择黑色，Oled自发光，像素点独立工作，Oled屏幕比LCD省电,尤其显示文字为黑色时，因此这部分功耗也非常小。因为通信模块处于发送、接收、空闲状态时功耗都很大，第一射频通信模块的功耗比较大。但通信模块处于睡眠状态能量消耗极低，近似为零，本发明采用动态唤醒机制，唤醒周期由体温测量要求、体温采集模式动态设置，这种策略既能及时发现异常又能最大限度地降低能耗，提高整个系统的生命周期。

优选的，温度传感器节点装置1、路由器节点装置2的微处理器模块都选择TI公司的ZigBee芯片CC2530，该芯片集成TI开发的Zigbee协议栈Z-Stack，减少系统开发成本和开发周期，同时CC2530有休眠模式，能够保证芯片既节能又不影响工作效率，节约能耗。第一微处理器电路如图3所示，温度传感器节点电路由第一微处理器电路、温度传感器模块电路、第一射频通信模块电路、第一显示模块电路、第一电源模块电路组成。

温度传感器模块电路如图4所示，温度传感器DS18B20为单总线数字温度传感器，CC2530对DS18B20数据的读写通过其第2引脚DO完成。DS18B20的2引脚DQ连接CC2530的11引脚P1.0口，R1为4.7K的上拉电阻，保证总线闲置时能够保持在高电平状态。

温度传感器节点装置1的第一射频通信模块电路如图5所示，该模块由电感L1、L2、电容C15、C16、C17、C18、C19和天线A1组成。电感L1、L2，电容C15，C16等元件组成匹配电路实现与天线阻抗匹配，满足RF输入/输出匹配要求。CC2530的25、26引脚RF_N、RF_P是一对差分输入输出信号，电容C15接CC2530的26引脚RF_N，电容C16接CC2530的25引脚RF_P。传感器节点(1)的显示模块电路如图6所示，Oled的6引脚DC接CC2530的5引脚P1.5，Oled的5引脚RST接CC2530的6引脚P1.4，Oled的4引脚SDA接CC2530的7引脚P1.3，Oled的3引脚SCL接CC2530的8引脚P1.2。

温度传感器节点装置1的第一电源模块电路如图7所示，第一电源模块电路由滤波电容C20、C21、限流电阻R4、指示发光二极D1管组成。C20为高频滤波，C21为低频滤波，用于减小输出电压纹波并抑制ASM1117自激振荡。电源模块的滤波电容C20、C21的一端接线性稳压芯片ASM1117的1引脚Vout，另一端接ASM1117的2引脚，ASM1117的2引脚与发光二极管D1相连，发光二极管D1的另一端通过限流电阻R4与+5V电源相连，发光二极管D1用于电源模块电路的上电指示，发光二极管D1限流电阻R4用于指示光二极管D1上电时正常工作。

二、路由器节点装置2的结构和工作原理

路由器节点装置2的结构如图8所示，路由器节点装置2由第二微控制器、电源模块、第二射频通信模块、第一URAT模块组成。路由器节点装置2负责协调器节点装置3与温度传感器节点装置1之间的信息传输，路由器节点装置2的特征是增加网络的覆盖面积。路由器节点装置2的电源采用USB电源供电，路由器节点装置2的第二电源模块、第二射频通信模块、第二微控制器同温度传感器节点装置1可采用相似的芯片和电路结构。

路由器节点装置2的能量消耗主要为第二微控制器模块和第二射频通信模。如一中所述，微控制器模块的功耗很低。这部分的功耗主要消耗在第二射频通信模块，当射频通信模块处于发送、接收、空闲状态时，本发明采用睡眠唤醒机制，路由器节点与协调器节点的数据传输策略采用动态周期性唤醒、随机退避数据重传等低功耗数据传输策略，极大地降低通信模块的能耗。路由器节点装置2将温度传感器节点装置1传来的数据进行数据融合，只传输有用信息，提出冗余、错误信息，减少数据流量，有效降低了无线通信消耗的能量。

温度传感器节点装置1与路由器节点装置2、路由器节点装置2与协调器节点装置3的数据传输策略采用周期性唤醒、随机退避数据重传等低功耗数据传输策略，降低通信模块的能耗。周期性唤醒机制为当温度传感器没有数据采集任务时，关闭传感器模块，关闭射频通信模块，处理器进入休眠状态，温度传感器节点以最低功耗运行，周期性唤醒能极大降低传感器节点的功耗，降低了数据碰撞的概率，并延长传感器节点的的使用寿命。随机退避数据重传机制对差错恢复采用重传策略，发送节点发送完一个数据包，等待目的节点发回确认包后，才进行下一个数据包的发送，如果数据包丢失或确认包丢失，发送节点会在适当时机重发该数据包。重传策略如下：检测信道是否空闲，如果空闲，发送数据包等待确认；如果信道忙，采用退避算法争用信道；等待确认包超时，对数据包重传，重传等待时间也采用随机退避算法计算。退避时间计算如公式(1)所示：

Delay＝Random()×aSlottime (1)

公式(1)中，Random()竞争窗口的伪随机整数，aSlottime是一个时间槽时间。

本发明通过采用以上措施有效降低各装置能耗。

路由器节点装置2与协调器节点装置3之间采用UART通信。UART通信模块的MAX232芯片11引脚T1IN与CC2530的TX1引脚相连，12引脚R1OUT与CC2530的RX1引脚相连，13、14引脚与协调器节点的微控制器相连。

三、协调器节点装置3的结构和工作原理

协调器节点装置3的结构如图9所示，由第三微控制器、第二UART通信模块、4G通信模块、第二显示模块、报警模块和第三电源模块组成。协调器节点装置3的第二显示模块可以采用与第一温度传感器节点装置(1)的第一显示模块相同的电路结构，第二UART通信模块可以采用与路由器节点装置2的第一UART通信模块相同的电路结构。协调器节点装置3是无线传感器网络与4G网络的桥梁，协调整个网络管理整个传感器网络的设备信息。

协调器节点装置3的第三微控制器选用德州仪器的MSP430F149，电路结构如图10所示。路由器节点装置2与协调器节点装置3通过UART串口进行数据信息传输，UART串口与路由器节点装置2的相同。USB芯片选择公司的PDIUSBD12。MSP430F149的P1.0-P1.3引脚12-15接显示模块，P3.7/URXD1、P3.6/UTXD1引脚接UART通信模块，P3.1引脚29接报警模块，P5.0-P5.7引脚44-51接PDIUSBD12的控制位DMACKQ_N、DMREQ、WR_N、RD_N、CS_N，MSP430F149的21引脚接PDIUSBD12的中断引脚14INT_N。

协调器节点装置3的报警模块电路如图11所示，报警模块由限流电阻RB1、RB1、蜂鸣器LS1组成。第三微控制器MSP430F149的31引脚P3.3与报警模块的限流电阻RL1一端相连，当学生体温出现异常时，触发报警模块报警。

协调器节点装置3的4G通信模块负责协调器节点与监控中心之间的信息的传输，4G通信模块可以选择多模无线上网模块ME3760，电路如图12所示。ME3760与协调器节点的微控制器MSP430F149接口方式是USB接口，满足两者之间的高速数据传输。

图13为协调器节点装置3的微控制器与4G通信模块的接口电路。PDIUSBD12的数据位1-4、6-9引脚接MSP430F149的44-51引脚P5.0-P5.7，控制位DMACKQ_N、DMREQ、WR_N、RD_N、CS_N分别接MSP430F149的18、17、16、15、11引脚，中断引脚14INT_N接MSP430F149的21引脚。

四、体温数据采集原理和采集频率自适应调整策略

进一步地，所述第一微控制器还用于在路由器节点装置唤醒期间将第一电源模块的剩余电量连同体温数据一起发送至路由器节点装置，并接收路由器节点装置反馈的下一个路由器唤醒周期内的体温采集周期。

优选的，本发明采用动态温度采集策略，当温度传感器节点数据正常，采集周期按预定的周期采集；当温度数据高于警戒温度，启动异常体温采集模式，采集频率根据温度的异常程度动态变化，体温越高采集频率越高，路由器唤醒周期相应动态变化，同时异常体温采集的节点范围扩大到异常节点周围的3阶邻居节点，保障体温异常节点能被及时准确发现，可能被传染的节点也能纳入重点监测范围，能及时有效阻止传染扩散，提高实时监测的有效性，最大程度避免病毒传播。

五、预警策略调整

所述第三微控制器接收经融合处理后的体温数据，根据预设的预警策略对其进行处理，筛选出其中的预警数据，并根据预警数据生成对应的预警信号，通过报警模块发出预警信息；所述第三微控制器与第二显示模块连接，通过第二显示模块显示体温数据、预警数据和预警信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。