新冠肺炎隔離監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

任丹青，汪 瑾，韋雄鄴

（桂林電子科技大學(xué)，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(qiáng)，導(dǎo)致新冠感染人數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)。為防止疫情擴(kuò)散，保護(hù)人民不被新冠病毒感染，需對(duì)新冠肺炎感染康復(fù)者、新冠肺炎密切接觸者、高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)人員、國(guó)外回歸人員等進(jìn)行定點(diǎn)隔離觀察或居家隔離觀察，監(jiān)測(cè)他們的實(shí)時(shí)體溫和地理位置。為此，需要耗費(fèi)極大人力、物力、財(cái)力。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分地方采取防疫工作人員打電話等方式詢問、統(tǒng)計(jì)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(fèi)，同時(shí)隔離者的體溫和地理位置數(shù)據(jù)也可能存在故意造假等風(fēng)險(xiǎn)。為減少不必要的消耗，降低防疫難度，提高監(jiān)控隔離者體溫和實(shí)時(shí)地理位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的疫情隔離監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)為智能手環(huán)，它是一款體積小、佩戴方便、可通過皮膚直接測(cè)量體溫的智能產(chǎn)品。本項(xiàng)目通過智能手環(huán)采集隔離佩戴者的實(shí)時(shí)體溫，通過APP監(jiān)控隔離者的地理位置，最終借助智能終端儲(chǔ)存和處理隔離者的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

1 智能手環(huán)的硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的可穿戴設(shè)備部分—智能手環(huán)，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(jiān)測(cè)人體體溫，該元件將測(cè)得的實(shí)時(shí)體溫發(fā)送到SAMD21芯片，芯片接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并將實(shí)時(shí)體溫?cái)?shù)據(jù)在OLED上進(jìn)行顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存。當(dāng)實(shí)時(shí)體溫超過37.5 ℃時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)將立刻發(fā)出警告并通知防疫工作人員，防疫工作人員及時(shí)將可穿戴設(shè)備佩戴者送去醫(yī)院并進(jìn)行核酸檢測(cè)，且將體溫異常佩戴者近期的體溫變化生成表格輸出，由監(jiān)控管理平臺(tái)的監(jiān)管人員將體溫異常者體溫信息發(fā)給醫(yī)院，作為部分身體數(shù)據(jù)的參考?？纱┐髟O(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可穿戴設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 智能手環(huán)電路設(shè)計(jì)

為減小可穿戴設(shè)備智能手環(huán)的整體體積，采用Arduino nano小系統(tǒng)Seeeduino XIAO 開發(fā)板。XIAO開發(fā)板使用Microchip公司出品的SAMD21芯片，兼容Arduino IDE，功能強(qiáng)大。開發(fā)板長(zhǎng)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(fā)板的USB type-C接口下載代碼，適用于可穿戴設(shè)備的開發(fā)。XIAO主板引腳如圖2所示。

圖2 XIAO主板引腳

智能手環(huán)采用MAX30205人體溫度傳感器，傳感器通過熱敏電阻測(cè)溫，在34～40 ℃范圍內(nèi)時(shí)，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(jìn)行校驗(yàn)及線性化處理，具有體積小、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于MLX90614紅外線測(cè)溫模塊，熱敏電阻傳感器對(duì)人體溫度的采集準(zhǔn)確率更高，對(duì)體溫的實(shí)時(shí)變化監(jiān)測(cè)度高，體溫變化后，熱敏電阻可立即感知采集，更易實(shí)現(xiàn)體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)適合于醫(yī)療設(shè)備、手持設(shè)備、家用電器、室內(nèi)暖氣以及汽車空調(diào)等。智能手環(huán)根據(jù)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(tài)機(jī)構(gòu)，抗震性好。顯示器顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的體溫?cái)?shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 顯示器顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的體溫?cái)?shù)據(jù)

智能手環(huán)使用ESP8266 WiFi模塊與計(jì)算機(jī)通信，將XIAO開發(fā)板采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，網(wǎng)頁(yè)端接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、儲(chǔ)存等。智能手環(huán)電源采用鋰電池供電，體積小且續(xù)航能力強(qiáng)，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(fā)板背面，為可穿戴設(shè)備硬件供電。

1.2 電路板PCB設(shè)計(jì)

為減小可穿戴設(shè)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(cè)得數(shù)據(jù)的誤差。開發(fā)板焊接于PCB上方，電源焊接在開發(fā)板上，由導(dǎo)線與PCB相連，整體高度為34 mm。未封裝的可穿戴設(shè)備如圖4所示。

圖4 未封裝的可穿戴設(shè)備

1.3 智能手環(huán)功能介紹

人體溫度傳感器通過熱敏電阻測(cè)量佩戴者手腕處采集實(shí)時(shí)體溫，并將實(shí)時(shí)體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到Arduino nano主板，Arduino nano主板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器和WiFi模塊。顯示器可顯示實(shí)時(shí)體溫，若體溫發(fā)生變化，顯示器上的體溫?cái)?shù)值也會(huì)隨之變化；WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。功能流程如圖5所示。

圖5 功能流程

2 硬件系統(tǒng)測(cè)試

打開智能手環(huán)系統(tǒng)開關(guān)，OLED顯示屏顯示的溫度數(shù)值從室溫開始，每秒刷新1次，以0.1 ℃的溫度差發(fā)生變化。當(dāng)人體體溫穩(wěn)定時(shí)，OLED顯示屏的顯示體溫不再有刷新更改；若人體溫度再次發(fā)生改變，OLED顯示屏的數(shù)值即刻隨之變化。人體體溫?cái)?shù)據(jù)采集見表1所列。

表1 人體體溫?cái)?shù)據(jù)采集

通過測(cè)量的6組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界溫度較低時(shí)，人體溫度數(shù)值變化次數(shù)較多，體溫不穩(wěn)定。當(dāng)人處于室外剛走進(jìn)室內(nèi)時(shí)，電子體溫計(jì)測(cè)量的腋下體溫?cái)?shù)值和智能手環(huán)測(cè)量的手腕體溫?cái)?shù)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(duì)于監(jiān)測(cè)手環(huán)佩戴者的體溫影響不大。測(cè)試了多個(gè)志愿者，通過獲得的多組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體體溫低于36 ℃時(shí)出現(xiàn)誤差的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于36 ℃以上，人體體溫越高，手環(huán)測(cè)量的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。

3 疫情隔離監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 隔離人員體溫采集

通過智能可穿戴設(shè)備對(duì)隔離人員進(jìn)行實(shí)時(shí)體溫采集，通過藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)APP，手機(jī)APP在聯(lián)網(wǎng)的條件下，利用網(wǎng)絡(luò)將隔離人員的身體體溫和地理位置發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)。借助這種方式，醫(yī)生和防疫工作人員可在線訪問隔離人員的身體數(shù)據(jù)并確定被隔離人員是否在隔離點(diǎn)。

3.2 利用虛擬邊界達(dá)到隔離目的

基于隔離人員所在的隔離點(diǎn)，可以動(dòng)態(tài)生成地理圍欄，利用可穿戴設(shè)備對(duì)隔離人員進(jìn)行地理位置監(jiān)控，從而達(dá)到區(qū)域隔離的目的。

3.3 可穿戴設(shè)備獲取地理位置和體溫

本項(xiàng)目中的可穿戴設(shè)備不僅可以獲取隔離人員的實(shí)時(shí)地理位置，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控隔離人員的體溫。當(dāng)體溫超過正常范圍時(shí)，會(huì)向監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)發(fā)出警告并通知防疫工作人員。且當(dāng)隔離人員離開隔離點(diǎn)時(shí)，智能設(shè)備會(huì)發(fā)出振鈴警告，同時(shí)向監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)發(fā)出隔離人員已離開隔離點(diǎn)的信息，并顯示他們的實(shí)時(shí)地理位置。

3.4 隔離監(jiān)控APP的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中的APP小程序可以使用戶隨時(shí)了解疫情動(dòng)態(tài)，參與討論有關(guān)疫情的熱點(diǎn)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(shí)了解自身的體溫狀況和隔離區(qū)域范圍。當(dāng)用戶體溫超過正常范圍或用戶超出當(dāng)前規(guī)定的隔離區(qū)域時(shí)，APP帶有的提醒功能將促使智能設(shè)備發(fā)出振鈴警告。

4 結(jié) 語(yǔ)

新冠肺炎隔離監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的新冠病毒智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高了監(jiān)控隔離人員的效率，減少了監(jiān)控隔離人員所消耗的人力、物力及財(cái)力。系統(tǒng)借助智能手環(huán)向醫(yī)院提供隔離人員的體溫?cái)?shù)據(jù)，方便對(duì)隔離人員身體健康狀態(tài)進(jìn)行跟蹤及研究。通過測(cè)試，本系統(tǒng)能較好地對(duì)隔離人員進(jìn)行體溫及地理位置的實(shí)時(shí)跟蹤，便于監(jiān)控被隔離人員。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的可穿戴設(shè)備智能手環(huán)仍存在一些不足，氣溫較低時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)體溫的測(cè)量存在誤差。當(dāng)佩戴者體溫較低時(shí)，溫度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差較大，數(shù)值浮動(dòng)次數(shù)較多。經(jīng)過多輪測(cè)試，使用金屬貼片接觸皮膚將溫度傳遞給熱敏電阻，測(cè)得的數(shù)據(jù)值較為準(zhǔn)確，誤差小，體溫?cái)?shù)值浮動(dòng)小。今后，我們將進(jìn)一步對(duì)手環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，提高其各項(xiàng)性能，為防疫抗疫提供更好的幫助及支持。