疫情防控下外勤人员监测系统设计.pdf
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1、2023年/第8期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception70 引 言可穿戴设备如智能 VR 眼镜、智能手环等设备1被广泛应用于生活和工业生产等领域,可为佩戴者提供心率、血氧等数据2,但存在着交互性差、携带不便、测量精确度不够、系统稳定性差等问题3,还不能达到为外勤人员提供安全保障的要求4。国内外有不少关于可穿戴设备以及智能体征监测的研究,例如戴欢等人5设计了一种基于信道状态相位信息的生命体征监测方法,提高了信息采集的准确度和系统的稳定性;孙旭东等人6设计了一款基于 ZigBee 的定位及体征监测系统,实现对外勤人员各项信息的采集,解决了设备在恶劣情况下的运转难题
2、。国外对可穿戴设备的研究也有很多,英特尔公司联手运动设计师推出了两款搭载了 Intel 硬件平台Curie 的智能服装,利用传感器收集心跳、体温等生理信号。市面上有体征监测功能的可穿戴设备大多围绕运动健康这一主题7-8,针对外勤人员的设计仍较少9,且难以满足在高危场景中采集体征数据的需求10。本文基于无线传感网络技术,通过温湿度模块、气敏传感器等实时监测穿戴者所处外部环境状况,通过心率血氧模块、温度传感器等实时监测穿戴者的生理体征数据,若发生有害气体浓度过高、体温心率等数据异常时,管理者能够及时得到预警信息并采取营救措施,以减少伤亡;此外,本设计还搭载了北斗模块,管理者可实时获取相关人员的位置
3、信息,若发生紧急状况,营救人员能够第一时间利用定位系统抵达现场,提高救援效率。1 总体设计本文设计以外勤人员为主要应用对象,实现心率、血氧、体温等体征参数的连续测量,并对温湿度、氧气浓度、有害气体浓度等外界信息进行实时监测;同时还会监测穿戴者的位置信息,用于辅助现场指挥人员确定穿戴者是否遇到危险情况。监测系统以物联网传统架构为基础,由感知层、网络层和应用层三部分构成。感知层使用温湿度传感器、气敏传感器等多种传感器对外界环境和人体体征状态进行信息的采集,再经由网络层对数据进行处理和传输,最终汇总到应用层,对数据进行可视化管理。图 1 为系统总体设计。图 1 系统总体设计1.1 感知层网络物联网技
4、术中的感知层主要完成对外界环境的信息采集工作。监测系统中的感知层由温湿度传感器、气敏传感器、惯性传感器、北斗模块等硬件构成,通过多个终端对信息完成采集工作,并将所采集的数据进行实时传输。疫情防控下外勤人员监测系统设计许佳彤1,吴有龙2,叶 晴2,张 艳1,许 蓓1,郑 坤1,苏 杰2(1.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院,江苏 南京 211169;2.金陵科技学院 电子信息工程学院,江苏 南京 211169)摘 要:针对外勤人员在执行搜查和救援任务时存在过度疲劳、身处险境时无法保证自身安全的问题,设计了一款依托物联网技术的可穿戴设备。外勤人员监测系统运用定位、无线通信等物联网技术,采用 S
5、TM32 开发板,结合温湿度模块、4G 模块、心率血氧模块、气敏传感器、北斗定位模块等实时采集穿戴者的位置信息、生理体征信息和外部环境信息,若佩戴者的各项数据出现异常则发起预警,并由服务器将信息发送到网页端。本设计能够实现及时发现异常状况,最大可能减少人员伤亡,从而为外勤人员的生命安全提供有力保障。关键词:物联网技术;北斗定位;可穿戴设备;体征监测;无线通信技术;外勤人员中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2023)08-0007-03收稿日期:2022-06-26 修回日期:2022-07-25基金项目:2022年江苏省大学生创新创业训练计划项目(202
6、2135 73066Y,202213573125T);金陵科技学院科教融合项目(2022KJRH10,2022KJRH15)DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.002物联网技术 2023年/第8期 全面感知 Comprehensive Perception81.2 网络层技术根据监测系统中无线通信的距离以及数据传输量,WiFi与 4G 相结合的传输模式是最适合应用在外勤人员监测系统中的无线通信技术。与其他物联网无线通信技术相比,例如LoRa、Bluetooth、ZigBee 等,WiFi 与 4G 相结合的传输模式具有功耗低、成本低、覆盖广、网络容量大等
7、优点,适用于长距离通信且数据传输量较大的应用场景。1.3 应用层管理Web 客户端的主要任务是显示由传感器所监测到的各项数据,并进行可视化操作,若数据超过阈值则将在客户端发出预警,可及时发现异常情况。应用层以 HTML 为基础、以Vue 渐进式框架为核心连接后端数据库,并采用 MQTT 协议进行数据传输。2 硬件设计2.1 STM32 开发板外勤人员体征监测硬件系统以 STM32 开发板为核心,如图 2 所示,搭载了 STM32F103 芯片,共 100 脚;集成定时 器 Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART 等 多 种外设功能,可用于外接模块与开发板通信。2.2 无线
8、通信模块EC20 R2.1 采用 LTE 3GPP Rel.11 技术,并且支持速率在 50 150 Mb/s 范围内;同时将 UMTS/HSPA+UC20 模块和多网络制式 LTE EC20/EC21 模块封装在一起,可以实现 3G 网络与 4G 网络无缝切换的功能。EC20 4G 模块如图 3 所示。图 2 STM32 开发板 图 3 EC20 4G 模块2.3 温湿度传感器 外界环境温湿度信息主要通过 DHT11 温湿度传感器进行采集,传感器实物如图 4 所示。DHT11 传感器内嵌耐久性感湿原件和 NTC 测温元件,将所测得的数据以一定规律转化为连续的电信号,从而得到外界环境的温度和湿
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