基于物聯網技術的疫情隔離監控系統的設計與實現

韋雄鄴，汪瑾，任丹青

（桂林電子科技大學，廣西桂林 541010)

1 引言

2019年年末暴發的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)，具有傳染性極強、發病率快的特點，在短時間內猶如狂風暴雨般席卷了全球[1]。如今全國各地都在緊張地進行著防疫工作。然而由于感染人數日漸增長，醫護防疫的人力物力有限，所以有大量的密切接觸者和疑似病例未能進行及時管控。而這些密切接觸者和疑似病例極有可能成為新發患者和新的傳染源，因此必須加強對這部分人的隔離觀察。

新冠病毒肺炎疫情暴發以來，急需一套有效的遠程監控系統來輔助疫情的防疫工作。本系統能夠及時監控隔離人員的身體狀況及所在位置并上傳結果數據，系統后臺同時對提交數據進行有效管理，利用該系統可以極大地節省人力物力，對疫情的防控提供非常好的幫助[2-3]。

2 系統的詳細設計

2.1 總體設計

隔離人員穿戴基于SAMD21芯片開發的可穿戴設備,由可穿戴設備中溫度傳感器模塊對隔離者進行體溫檢測。采集到的原始數據會在OLED屏幕上實時顯示，并通過藍牙發送到智能設備。同時智能設備采集隔離人員的地理信息，這個智能設備通常是智能手機或平板電腦,由應用程序對采集到的數據進行打包。完成后,將打包好的信息發送到后臺系統經過智能合約進行全面分析。（智能合約為判斷體溫是否正常和檢測隔離者是否超出隔離區域的標準，該合約由人員自行設置）。智能合約的核心為analyze函數，主要接收用戶在初次使用時輸入的體溫和隔離區域范圍存儲。在分析隔離人員是否超出范圍時，analyze函數將傳參值與提取的存儲值進行對比后，返回一個boolean類型的返回值。后臺系統將評估所提供的數據,根據評估結果判斷是否向智能設備發出警報,如果發出警報，隔離者的智能設備將會發出振鈴，監控平臺管理員將會有彈窗提示。

圖1 總體架構設計圖

2.2 監控管理平臺設計

監控系統平臺面向防控中心而設計，防控人員擁有管理員權限。通過該平臺，管理員可以了解隔離者身體參數信息的實時動態，接收由隔離者佩戴的可穿戴設備發送的警告信號和每日健康狀況報告，并且擁有向隔離者發送通知的功能，以便防控人員開展工作[4]。本系統采用輕量級網站開發SpringBoot+Vue的框架進行搭建，并采用遠程數據庫Mysql對數據進行存儲和傳輸，目的是能夠使Web端網站與Android應用端的數據能夠更方便統一管理。將獲取到的數據做數據渲染，形成可視化圖表，方便管理人員直觀地獲取數據所展示的信息。數據可視化的應用可以參考國內的可視化網站API開發文檔。采用Spring Security對管理員權限進行授權與驗證，并且采用最新的Mybaits-plus簡化對Dao層的數據操作。

圖2 監控管理平臺總體設計

2.3 監控隔離App功能設計

監控隔離App可以讓隔離者實時了解自身體溫狀況、隔離區域、疫情動態等相關信息。同時App還可以向防疫中心收發信息，提交隔離者每日身體健康報告，提交內容包括身體體溫，身體狀況，是否外出，是否接觸其他疑似病例等。實現足不出戶也能與醫護人員交流病情的功能。用戶還可以在疫情論壇板塊了解和討論有關疫情的熱點問題，在祝福墻獻上自己對工作在抗疫前線英雄的祝福。用戶可以在智能合約功能板塊中查看體溫閾值和隔離區域。用戶在初次使用時，需要在智能合約板塊中輸入自己預定的閾值，確認提交過后，不能隨意更改[5]。智能設備的定位采用百度地圖提供的“鷹眼軌跡SDK”。“鷹眼”能夠劃分虛擬地域圍欄，查詢圍欄內監控者的行動狀態，并監聽監控者是否超出虛擬圍欄。

圖3 基于Andriod的手機應用功能設計

圖4 百度地圖的“鷹眼SDK”虛擬圍欄功能展示代碼

2.4 可穿戴設備的設計

可穿戴設備是基于物聯網設計的，該設備主要用于對人體溫度和地理位置的監控。運用藍牙技術將收集并處理好的信號傳輸到智能終端設備上[6]。該設計共有四大模塊：信號采集單元、信號處理模塊、藍牙技術通信模塊和電源模塊。其中信號采集單元包括人體溫度采集和地理位置信息采集，分別通過溫度傳感器和GPS定位來進行。本設計使用SAMD21芯片作為核心處理元器件，MAX30205人體溫度傳感器測量人體體溫，體溫傳感器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，并將實時結果在OLED上進行顯示。

圖5 可穿戴設備控制系統

圖6 人體體溫測量模塊電路

3 數據庫設計

本系統的數據庫設計開發是基于MySQL數據庫進行搭建設計的，對數據庫的操作使用SQLyog數據庫管理軟件。表結構設計遵從三范式原則。主要表包括管理員用戶表、隔離區域表、隔離人員信息表、智能合約表、每日健康上報表以及信息通告表等。在判斷用戶數據是否超過閾值時，需要將隔離人員表與智能合約表進行多表連接查詢。每日健康上報表字段包括表單ID、填報賬號（用戶名）、填報人（填報人姓名）、身體狀況、體溫、所在隔離地、是否外出、填報時間、備注，其中表單ID為主鍵，填報賬號為外鍵。為保護用戶賬號安全，防止密碼泄露，使用SpringSecurity中的密碼加密算法BCryptPasswordEncoder。該算法采用SHA-256+隨機鹽+密鑰對密碼進行hash處理，將所得到的hash值存儲到數據庫的密碼字段中。

4 創新點與特色

4.1 隔離者身體各項數據采集

借助可穿戴設備對隔離者身體各項數據信息進行采集。利用藍牙技術將數據傳輸到智能設備。智能設備在聯網的情況下，利用網絡傳輸將數據發送到監控系統管理平臺[7]。通過這種方式，醫務人員可以使用獨立于隔離者位置的網絡在線訪問隔離者數據。

4.2 利用虛擬邊界達到隔離目的

基于隔離者所在的地帶，可以動態地生成地理圍欄，利用可穿戴設備對隔離者進行監控，從而達到區域隔離的目的。

4.3 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者當前所在的位置，并且能夠實時監控隔離者的體溫。當體溫超過一定的閾值時，會向智能終端發出警告。

5 結果驗證與分析

該系統面向的用戶群體大部分擁有簡單計算機知識，因此既要求有一個簡潔的隔離人員信息輸入界面，又要求將每天收集到的信息整潔地展示給監管平臺的管理人員。本系統界面多采用圖表的形式向用戶展示數據。在通過多次實驗后，目前實現的可穿戴設備的人體測溫模塊能夠將誤差減少到±0.5°C的范圍之內。并且一次充電可以維持一周左右的使用時間。然而對隔離人員的精準定位與劃分隔離區域是最大的重點與難點。由于隔離人員往往隔離于某個酒店、旅館，或者是醫院安排的隔離點中。這就要求定位的范圍有可能百米范圍之內，甚至需要定位到某棟建筑。由于可能存在網絡延遲的原因會導致隔離人員的定位誤認為超出范圍，因此如何在定位誤差與隔離人員真正離開隔離區域之間做出判斷也是一個很大的難題，在多久的時間間隔內做出判斷也需要實際考量。本系統采用的是由百度地圖提供的鷹眼Android SDK對隔離區域進行地理圍欄的劃分。在網絡良好的情況下，能夠將誤差值減低到可接受的范圍之內。

6 結束語

本系統旨在運用現代信息化技術來解決傳染性疾病疫情中對隔離人員的監督管理問題，希望借助本系統能夠減少疫情防控中的人力物力，把更多的資源投入救助重癥患者的一線抗疫工作中，為防疫抗疫獻出一份力所能及的力量。