基于DA14699芯片的新冠肺炎潛在患者隔離監護項圈的設計與實現

劉曉莎 ，胡平 ，田永毅，汪曉紅，夏東盛

1 陜西工業職業技術學院，咸陽市，712000

2 咸陽市新能源及微電網系統重點實驗室，咸陽市，712000

0 引言

近年來，由冠狀病毒引發的傳染性肺炎給全世界人民的健康帶來嚴重威脅[1]。這類病毒具有直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播等多種傳播形式[2]，引發的病毒性肺炎傳染性強，致死率高，已造成全球大流行疫情[3]。

針對上述傳染病，對不同情況的病患采取分類分級管理，維持醫療系統的正常負荷運轉十分必要。對疫區歸來人員或確診患者的密切接觸者，應當實施居家隔離監護措施。居家隔離要求潛在病患在住所內自行隔離至少14 d，期間定時測量體溫，匯報發熱咳嗽癥狀，并不得外出。部分潛在感染者出于主客觀各種原因，未能嚴格執行居家隔離政策，給疫情的防控工作帶來嚴重危害[4]。

對于居家隔離的潛在病患，主要關注其三項指標：一是體溫；二是咳嗽癥狀；三是活動范圍?；诂F有的物聯網技術和智能穿戴硬件功能，上述指標可利用便攜式自動監護設備，實現不間斷地可靠測量，并進行記錄。具體分析如下：

（1）體溫監測。根據物理學基本定律可知，一切物體處于絕對零度(-273oC)以上時，都會向外界發出紅外線[5]。利用高精度的紅外傳感器，就能接收到人體表面輻射出的紅外線，根據紅外線的強度大小，結合偏差修正算法，幾秒鐘內就可準確測量出被隔離者的體溫[6]。

（2）咳嗽癥狀監測。人在咳嗽時，其聲門關閉、呼吸肌收縮、肺內壓升高，然后聲門突然張開，肺內空氣噴射而出，這一過程持續多次，不可避免地將會伴隨著胸腔的連續多次劇烈振動。上述振動完全可以通過加速度傳感器完成可靠監測。三軸甚至六軸數碼輸出微機電系統（microelectro mechanical systems，MEMS）加速度計廣泛應用于智能穿戴設備中，用于計步、運動模式識別等功能，元器件性能成熟可靠，測量精度高。

（3）定位功能。智能穿戴設備主要采用2種定位方式：全球定位系統（global positioning system，GPS）與移動位置服務（location based service，LBS）。GPS接收來自太空中的衛星信號，根據其提供的經緯度坐標值來對地面目標進行定位，范圍廣，精度高，但衛星信號容易被云層、高山、建筑物等遮擋，導致信號接收困難，甚至難以實現定位[7]。

LBS定位依賴于移動運營商的基站，基站密度越高，網絡信號越強，其定位的精確度也越高[8]。這種定位方式操作簡便，只要擁有一部可以接收移動網絡信號的手機終端，就能夠實施定位。此外，這種定位方式抗干擾能力較強[9]。

基于上述分析，提出并設計一個專用于監護隔離狀態下的病毒性肺炎潛在患者的智能穿戴設備。其具有可靠的測體溫、測咳嗽及測定位3個主要功能，該裝置的成功研發將對防疫抗疫工作帶來積極有利的影響。

1 系統構成

1.1 主控制器

本方案采用Dialog 公司設計制造的SmartBond系列DA14699藍牙低功耗多核心微控制單元（microcontroller unit，MCU）作為整套裝置的主控制器。DA14699追求性能與功耗的平衡，內建有3個核心：1個基于ARM Cortex M33架構的高性能核心，其主頻高達96 MHz，能夠應用復雜算法快速處理海量數據；1個基于ARM Cortex M0+架構的低功耗核心，主要用來進行無線通信；還有1個可編程的微型數字信號處理器（digital signal processing，DSP），用于獨立的傳感器通信以及數據管理。DA14699的軟件可編程引擎支持藍牙BLE 5.1協議，擁有高速的數據傳輸性能[10]。

DA14699內置了先進的電源管理單元以及豐富的模擬、數字外設。為增強傳感功能，該芯片設計了專有的傳感器節點控制器（sensor node controller，SNC）[11]，它可以獨立處理各接口傳輸來的傳感器數據，非常適合多傳感器、低功率的智能穿戴設備應用。

1.2 紅外測溫傳感器

高精度的體溫測量模塊是智能監護項圈完成其監護功能的必備元件。本項目采用了由邁來芯（Melexis）公司設計制造的MLX90640型紅外傳感器。該型傳感器的紅外像素陣列規格為32×24，能夠實現各像素完全校準，其外觀如圖1所示。該傳感器采用4引線TO39封裝工藝，符合數字接口的行業標準，具有優秀的兼容性和廣泛的適用性。MLX90640總計包含有768個遠紅外線（far infrared ray，FIR）像素，這些像素有序排列，形成一個環境傳感器，進而可對芯片周圍的環境溫度進行測量[12]。該傳感器具有自主隨機存取存儲器（random access memory，RAM），測量數據可存儲其中。主控制器可通過集成電路（integated circuit，IC）進行訪問。MLX90640適用于高精度的非接觸測量，結合特有的紅外聚光技術及溫差修正算法[13]，能夠實現±0.2oC的測量精度，完全能夠滿足潛在感染者的監護需求。

圖1 MLX90640紅外傳感器外形Fig.1 Shape of MLX90640 infrared sensor

1.3 加速度計

呼吸系統疾病常常引發連續咳嗽，胸腔隨之劇烈振動。本方案采用智能項圈的形式，吊墜部分恰好位于胸口部位，利用加速度傳感器，就能夠對咳嗽癥狀實現可靠檢測。

本項目采用了STMicroelectronics（意法半導體）公司設計制造的LIS3DH微功耗三軸MEMS加速度計，用以測量器件在X、Y、Z三個方向上的加速度情況。芯片內置了1個溫度傳感器和3路ADC（Analog-to-Digital Converter，模擬數字轉換器），具備擴展整合陀螺儀等伴隨芯片的能力。

加速度計的測量原理為：感應器件受到慣性力的作用，導致其自身電壓發生相應變化。上述電壓信號通過芯片內部的ADC轉換成量化后的具體數值。LIS3DH支持±2 g/±4 g/±8 g/±16 g（1 g=9.8 m/s2）四種量程，完全滿足檢測咳嗽癥狀的要求。該加速度計結合內置的多種算法，具有較高的測量精度[14]。LIS3DH芯片引腳，如圖2所示。

圖2 LIS3DH引腳Fig.2 Chip pin of LIS3DH

1.4 定位模塊

本方案定位模塊采用了Mobile Tek（移柯通信）設計制造的L218定位導航芯片。該芯片同時集成了“GPRS+GPS+北斗”模塊，其中GPRS支持850/900/1800/1900四個頻段，具有低功耗高性能的技術特點。L218靜態定位精度高達2.5 m，動態下可檢測出0.1 m/s的運動速度。L218采用易于焊接的LCC封裝方式，共有47個引腳，內部集成了TCP/IP協議以及快速定位功能。特別適用于對尺寸敏感的跟蹤器設備以及其它需要定位能力的應用場合。其功能模塊，如圖3所示。

圖3 L218模塊功能框架Fig.3 Module function block diagram of L218

1.5 整體硬件架構

結合前述分析，為滿足智能項圈的監護功能，方案的整體硬件架構設計，如圖4所示。

圖4 智能項圈硬件架構Fig.4 Hardware architecture of smart collar

智能項圈的外形設計，如圖5所示。為了能更加有效地檢測咳嗽癥狀，方案將監護設備外形設計成了項圈的形式。集中了處理器和各類傳感器的表盤位于吊墜位置，以此來最大程度地感受胸腔在咳嗽時的振動?；诘凸目紤]，應用了單色LCD液晶屏作為顯示器[15]，可顯示體溫及累計的隔離時間。表盤背面是MLX90640的紅外感應窗，表盤內的L218芯片與配套的SIM卡聯合發揮作用，基于LBS+GPS+北斗系統對人員進行快速定位。表帶及接頭部分均采用柔性親膚硅膠材質制作，以此提升人員佩戴的舒適感。

圖5 智能項圈外觀Fig.5 Smart collar look

2 軟件系統設計

2.1 數據采集

病毒性肺炎潛在感染者回歸社區后，經過防疫人員的檢查和信息登記，即發放智能監護項圈進行佩戴。每個智能項圈有專屬的設備碼，利用智能藍牙終端與項圈進行綁定，就可以進行后續的信息傳輸與讀取了。

根據相關傳感器要求的測量條件，對各傳感器在項圈表盤內的位置進行了合理布局，功能模塊布局設計方案，如圖6所示。

圖6 功能模塊布局Fig.6 Functional module layout

2.2 算法設計

針對紅外測溫模塊的技術特性，體溫測量程序初步設計方案，如圖7所示。當測得的體溫值大于37.3oC時，液晶屏示數閃爍，進行報警提示，可手動按鍵復位報警。

圖7 體溫測量程序Fig.7 Temperature measurement procedure

利用加速度計內置的ADC轉換器，將直接測得的胸腔部位加速度的模擬量，轉換成具體數值g(t)。加速度計每隔1 s測量記錄一次實時值g(t)。若連續15 s內，g(t)＞g(0)且累計次數超過8次，即認為被隔離者發生了一次咳嗽。g(0)的設定，需要根據實際咳嗽來確定?？人园Y狀的檢測判斷程序，如圖8所示。

圖8 咳嗽檢測程序Fig.8 Cough detection procedure

病毒性肺炎潛在感染者的活動范圍應嚴格限定在個人住所內。基于LBS定位模塊，被監護者的位置信息存儲在表盤內，便于防疫人員讀取。

2.3 數據傳輸

防疫人員每隔1 d登門，攜帶綁定該項圈的智能藍牙終端，利用DA14699原生支持的藍牙BLE5.1協議，快速傳輸項圈內存儲的體溫、加速度及定位信息。此外，由于藍牙傳輸的距離長達10 m，故防疫人員與潛在患者可實現無接觸監護，這大大降低了防疫人員的被感染風險。

2.4 曲線顯示

防疫人員手持智能藍牙終端，連接智能項圈后，讀取的數據便可在屏幕上進行直觀展示。智能終端APP顯示界面，如圖9所示。

圖9 智能終端APP顯示界面Fig.9 APP display interface of intelligent terminal

從顯示界面看，體溫、咳嗽與位置等核心信息分別獨立顯示，并可在點擊后于下部區域展示詳情。頂部位置設計為概覽，可顯示隔離累計時間、異常項總貌等，方便防疫人員迅速獲得被隔離者的當前身體狀況。

3 測試與評價

系統開發完成后，選擇2名感冒人員（編號A、B）和1名健康人員（編號C）先期進行了1 d的連續監測，根據監測曲線，重新調整設置了相關參數。

調試完畢后，對3名測試人員進行了連續3 d的跟蹤測量。利用醫用額溫槍隨機測量體溫，并與智能項圈表盤實時顯示的數值進行比對，結果如表1所示。

表1 體溫測量檢驗Tab.1 The thermometry test

從表1可知，智能項圈與額溫槍所測數值偏差均＜1%，因而具有較高的測量精度，能夠滿足隔離監護的要求。

針對咳嗽癥狀判斷準確性的檢驗，主要采用人工計數的方式。通過比對人工計數與項圈計數，對項圈測咳嗽功能進行評估。檢驗結果如表2所示。

從表2可知，加速度計反應靈敏，配合咳嗽檢測程序，能夠準確識別病人的咳嗽，準確率為100%。

表2 咳嗽次數檢驗Tab.2 The cough frequency test

定位功能的校驗過程：被測人員每隔1 h，移動至另一棟居民樓。移動完成后，查看其項圈的實時定位信息。結果表明，測量數據能夠隨人員位置變動而變化，反應靈敏，定位快速。

綜合上述測驗結果，本項目開發的智能項圈核心參數測量功能可靠，精度較高，確實可以起到居家隔離監護的功能，應用推廣后能夠大大減輕防疫人員的工作強度。

4 不足與改進

本項目所研發設計的智能項圈裝置，為針對特定功能進行的組合式創新，對廣泛應用的測溫、測振及測坐標等各傳感器及芯片實施了優化整合，這些元器件經受市場考驗，功能可靠。項目試驗期間，受疫情期間隔離政策影響，未能進行較大規模的有效性驗證，后續工作將進一步開展試驗，并根據數據優化相關功能參數與判斷邏輯。

受環境復雜性影響，裝置的測量存在誤差：在測咳嗽過程中，正常的噴嚏、突發的上身運動等都會對振動傳感器形成干擾；小區附近通訊基站密度較低，也將大大影響人員坐標的測量精度。上述不足有待進一步的優化完善，后期將聯合有關醫療器械企業共同開發，圍繞便攜可靠改進產品。

完成了呼吸道傳染病智能監控項圈的概念性設計與原理性驗證工作，希望能夠引起業內注意，最終促成該型設備的研發制造，進而滿足疫情常態化防控的需求。

5 結語

針對冠狀病毒引發的傳染性肺炎，依據其發熱咳嗽等典型癥狀，開發設計了集測溫、測振和定位功能于一體的醫療用智能監護項圈。設備以DA14699無線多核MCU為主控制器，搭配LIS3DH三軸加速度計、MLX90640紅外傳感器及L218多源定位模塊，實現了居家隔離監護的全自動化。經調試調整，核心參數測量準確，監護數據連續完整，大大提高了社區防疫人員對居家隔離者的監護水平，具有較好的應用推廣前景。