基于Arduino和LoRa的新型冠状病毒感染监控系统的设计.pdf

物联网技术 2023年/第10期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application1260 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 和基于 Arduino 和 LoRa 的新型冠状病毒 感染监控系统的设计吴培洁，龙光利（陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001）摘 要：为减少人员聚集，实现校园新型冠状病毒传播的智能防控，设计了一种基于 Arduino 和 LoRa 的新型冠状病毒感染监控系统。该系统以 LoRa 无线通信技术和物联网通信为基础，以 Arduino 为主控平台，以红外传感器等为数据采集设备，以 OLED 显示屏为数据终端，根据校园人流量数据，设计并实现校园新型冠状病毒感染监控网络，以便准确掌握校园新型冠状病毒感染的动态信息。实验结果表明，系统可以实现测试点人数的统计，通过Arduino 进行计数并存储数据，通过串口输出所有数据并通过 LoRa 节点模块发送至后台显示。前端采集的数据可以在 OLED 终端显示，可为学校师生提供有效的人流量数据。关键词：校园疫情防控；新型冠状病毒；监控；远距离通信技术；物联网；红外传感器中图分类号：TP39；TM914.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）10-0126-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.10.035收稿日期：2023-01-18 修回日期：2023-02-16基金项目：教育部产学合作协同育人项目（220500682260631）；2022年陕西省大学生创新创业训练计划项目（S2022 10720045）2023年/第10期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application127SSD1306 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 12864，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 自带的串口物联网技术 2023年/第10期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application128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。图 6 校园新型冠状病毒感染监控系统的调试5 结 语在新冠疫情常态化形势下，校园人员流量的控制十分必要。为此，本文设计了一款基于 Arduino 和 LoRa 的校园新型冠状病毒感染监控系统，该系统可以实时检测到校园人数，适用于多个场景，并且可以通过液晶屏显示出来，有效解决人员流动大且无法统计的难题。注：本文通讯作者为龙光利。参考文献1 李志涵，伯磊，王雪蓓，等.基于物联网的校园疫情监控系统设计与实现 J.物联网技术，2022，12（2）：76-79.2 刘欣荣，肖炯恩.校园疫情全过程防控管理及应对措施研究 J.广东职业技术教育与研究，2020，11（5）：111-115.3 蒋震.基于 NB-loT 的信息采集系统设计与实现 D.南京：东南大学，2019.4 陈博.低功耗广域网 LoRa 的研究与通信资源优化设计 D.重庆：重庆邮电大学，2023.5陈欣宇.基于LoRa外设的智能终端移动自组网技术研究D.北京：北京邮电大学，2019.6 张晓杰，张璇，朱野，等.应用 LoRa 通信协议的松散式有界星群构型设计 J.上海航天，2021，38（2）：119-124.7 霍春光，刘影，代巍.基于 LoRa 的智能大棚控制系统设计 J.物联网技术，2021，11（4）：84-88.8 周德胜.基于 LoRa 的矿用无线通信系统设计 J.煤矿安全，2021，52（4）：170-173.9 怀天宇.基于 LoRa 技术的校园火情监测系统 J.现代信息科技，2020，4（23）：31-33.10 王志，雷达，周仔明，等.基于 Arduino 语音控制室内垃圾分类的系统设计 J.电脑知识与技术，2020，16（5）：81-82.作者简介：吴培洁（2001），女，陕西西安人，本科。龙光利（1968），陕西汉中人，教授，研究方向为无线通信、物联网与电子技术应用。图 5 加速比和并行效率3 结 语本文采用 CUDA 实现了二维稳态热传导程序的并行化。分析测试数据得出，在执行并行化后，随着分块数的增加，其程序性能要比原来提升几倍。这对其实际应用有很大的 帮助。参考文献1 王静，张晓平.分数阶拉普拉斯方程的一种新型有限差分方法 J.数学杂志，2021，41（6）：549-561.2 桂彤.分数阶拉普拉斯微分方程数值解法 D.南京：东南大学，2019.3 叶方琪.两类分数阶拉普拉斯方程正解的单调性 D.金华：浙江师范大学，2022.4 王艺静，魏兵，魏群.频域有限差分法的 GPU 并行算法 C/第十七届全国电波传播年会会议论文集.延安：中国电子学会电波传播分会，2022：251-254.5 曹建伟.基于 GPU 求解椭圆型偏微分方程的并行算法的研究 D.大连：大连理工大学，2014.6 杨秋足.组合热边界下二维梯度板平面稳态温度场分析 D.邯郸：河北工程大学，2017.7 陈金雄，张敏，沈丹梅，等.有限差分法的一维热传导方程应用 J.武夷学院学报，2022，41（3）：53-57.8 肖震南，魏兵，沙威.二维 DGTD 的 CUDA 加速研究 C/2021年全国微波毫米波会议论文集（上册）.南京：中国电子学会微波分会，2021：66-68.9 汤晟.带 Neumann 边界条件的时间分数阶积分微分方程的有限差分法 D.广州：广东工业大学，2022.10 刘君，魏雁昕，陈洁.基于非结构网格有限差分法的扎染算法 J.航空学报，2021，42（7）：258-270.（上接第125页）