新冠肺炎隔離監控系統硬件設計

任丹青，汪 瑾，韋雄鄴

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541000）

0 引 言

自2019年末至今，新冠疫情肆虐全球，因新冠肺炎傳染性強，導致新冠感染人數持續增長。為防止疫情擴散，保護人民不被新冠病毒感染，需對新冠肺炎感染康復者、新冠肺炎密切接觸者、高風險地區人員、國外回歸人員等進行定點隔離觀察或居家隔離觀察，監測他們的實時體溫和地理位置。為此，需要耗費極大人力、物力、財力。通過調研發現，大部分地方采取防疫工作人員打電話等方式詢問、統計隔離者的體溫，在隔離者的家門貼封條等方式限制隔離者的出行范圍。這兩種方式不僅造成了人力、物力的浪費，同時隔離者的體溫和地理位置數據也可能存在故意造假等風險。為減少不必要的消耗，降低防疫難度，提高監控隔離者體溫和實時地理位置數據的準確度，本項目設計了基于物聯網的疫情隔離監控系統。系統的硬件部分設計為智能手環，它是一款體積小、佩戴方便、可通過皮膚直接測量體溫的智能產品。本項目通過智能手環采集隔離佩戴者的實時體溫，通過APP監控隔離者的地理位置，最終借助智能終端儲存和處理隔離者的各項數據。

1 智能手環的硬件系統總體設計

本監控系統的可穿戴設備部分—智能手環，采用SAMD21芯片作為核心處理元器件，采用MAX30205人體溫度傳感器監測人體體溫，該元件將測得的實時體溫發送到SAMD21芯片，芯片接收數據后進行處理，并將實時體溫數據在OLED上進行顯示，同時將數據上傳至計算機儲存。當實時體溫超過37.5 ℃時，監控系統管理平臺將立刻發出警告并通知防疫工作人員，防疫工作人員及時將可穿戴設備佩戴者送去醫院并進行核酸檢測，且將體溫異常佩戴者近期的體溫變化生成表格輸出，由監控管理平臺的監管人員將體溫異常者體溫信息發給醫院，作為部分身體數據的參考。可穿戴設備控制系統結構如圖1所示。

圖1 可穿戴設備控制系統結構

1.1 智能手環電路設計

為減小可穿戴設備智能手環的整體體積，采用Arduino nano小系統Seeeduino XIAO 開發板。XIAO開發板使用Microchip公司出品的SAMD21芯片，兼容Arduino IDE，功能強大。開發板長20 mm、寬17.5 mm，高3.5 mm，體積小，且背面具有電源焊盤，可焊接鋰電池供電，也可通過開發板的USB type-C接口下載代碼，適用于可穿戴設備的開發。XIAO主板引腳如圖2所示。

圖2 XIAO主板引腳

智能手環采用MAX30205人體溫度傳感器，傳感器通過熱敏電阻測溫，在34～40 ℃范圍內時，精度為0.1 ℃，溫度分辨率為16位（0.003 906 25 ℃）。在出廠前，該傳感器模塊已進行校驗及線性化處理，具有體積小、精度高、成本低等優點。相對于MLX90614紅外線測溫模塊，熱敏電阻傳感器對人體溫度的采集準確率更高，對體溫的實時變化監測度高，體溫變化后，熱敏電阻可立即感知采集，更易實現體溫的實時監測。該系統適合于醫療設備、手持設備、家用電器、室內暖氣以及汽車空調等。智能手環根據電路板的尺寸選用合適的OLED顯示屏，該顯示屏核心層厚度小于1 mm，為液晶厚度的1/3，全固態機構，抗震性好。顯示器顯示實時測量的體溫數據，如圖3所示。

圖3 顯示器顯示實時測量的體溫數據

智能手環使用ESP8266 WiFi模塊與計算機通信，將XIAO開發板采集處理的數據發送到計算機，網頁端接收數據，對數據進行處理、分析、儲存等。智能手環電源采用鋰電池供電，體積小且續航能力強，擁有type-C接口，可使用type-C充電線充電。鋰電池焊接在XIAO開發板背面，為可穿戴設備硬件供電。

1.2 電路板PCB設計

為減小可穿戴設備的表面面積，使用一塊雙面PCB。人體溫度傳感器位于PCB下方，使得熱敏電阻接觸人體皮膚，減小測得數據的誤差。開發板焊接于PCB上方，電源焊接在開發板上，由導線與PCB相連，整體高度為34 mm。未封裝的可穿戴設備如圖4所示。

圖4 未封裝的可穿戴設備

1.3 智能手環功能介紹

人體溫度傳感器通過熱敏電阻測量佩戴者手腕處采集實時體溫，并將實時體溫數據發送到Arduino nano主板，Arduino nano主板對數據進行處理，處理后將數據發送到顯示器和WiFi模塊。顯示器可顯示實時體溫，若體溫發生變化，顯示器上的體溫數值也會隨之變化；WiFi模塊將數據發送到計算機，計算機接收數據后將對數據進行處理和儲存。功能流程如圖5所示。

圖5 功能流程

2 硬件系統測試

打開智能手環系統開關，OLED顯示屏顯示的溫度數值從室溫開始，每秒刷新1次，以0.1 ℃的溫度差發生變化。當人體體溫穩定時，OLED顯示屏的顯示體溫不再有刷新更改；若人體溫度再次發生改變，OLED顯示屏的數值即刻隨之變化。人體體溫數據采集見表1所列。

表1 人體體溫數據采集

通過測量的6組數據發現，當外界溫度較低時，人體溫度數值變化次數較多，體溫不穩定。當人處于室外剛走進室內時，電子體溫計測量的腋下體溫數值和智能手環測量的手腕體溫數值誤差較大。受外界因素的影響，手腕的溫度比身體其他地方更低，但該誤差對于監測手環佩戴者的體溫影響不大。測試了多個志愿者，通過獲得的多組數據發現，當人體體溫低于36 ℃時出現誤差的可能性遠遠大于36 ℃以上，人體體溫越高，手環測量的數據越準確。

3 疫情隔離監控系統創新點

3.1 隔離人員體溫采集

通過智能可穿戴設備對隔離人員進行實時體溫采集，通過藍牙技術將數據傳輸到智能手機APP，手機APP在聯網的條件下，利用網絡將隔離人員的身體體溫和地理位置發送到監控系統管理平臺。借助這種方式，醫生和防疫工作人員可在線訪問隔離人員的身體數據并確定被隔離人員是否在隔離點。

3.2 利用虛擬邊界達到隔離目的

基于隔離人員所在的隔離點，可以動態生成地理圍欄，利用可穿戴設備對隔離人員進行地理位置監控，從而達到區域隔離的目的。

3.3 可穿戴設備獲取地理位置和體溫

本項目中的可穿戴設備不僅可以獲取隔離人員的實時地理位置，并且能夠實時監控隔離人員的體溫。當體溫超過正常范圍時，會向監控系統管理平臺發出警告并通知防疫工作人員。且當隔離人員離開隔離點時，智能設備會發出振鈴警告，同時向監控系統管理平臺發出隔離人員已離開隔離點的信息，并顯示他們的實時地理位置。

3.4 隔離監控APP的設計

本項目中的APP小程序可以使用戶隨時了解疫情動態，參與討論有關疫情的熱點話題，并且提供祝福墻為抗疫前線的英雄加油鼓勁。用戶還能在APP中隨時了解自身的體溫狀況和隔離區域范圍。當用戶體溫超過正常范圍或用戶超出當前規定的隔離區域時，APP帶有的提醒功能將促使智能設備發出振鈴警告。

4 結 語

新冠肺炎隔離監控系統是一個基于物聯網和區塊鏈的新冠病毒智能監控系統。該系統提高了監控隔離人員的效率，減少了監控隔離人員所消耗的人力、物力及財力。系統借助智能手環向醫院提供隔離人員的體溫數據，方便對隔離人員身體健康狀態進行跟蹤及研究。通過測試，本系統能較好地對隔離人員進行體溫及地理位置的實時跟蹤，便于監控被隔離人員。同時還發現，本系統的可穿戴設備智能手環仍存在一些不足，氣溫較低時，對實時體溫的測量存在誤差。當佩戴者體溫較低時，溫度傳感器測量的數據誤差較大，數值浮動次數較多。經過多輪測試，使用金屬貼片接觸皮膚將溫度傳遞給熱敏電阻，測得的數據值較為準確，誤差小，體溫數值浮動小。今后，我們將進一步對手環進行改進，提高其各項性能，為防疫抗疫提供更好的幫助及支持。