基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的疫情隔離監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韋雄鄴，汪瑾，任丹青

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林 541010)

1 引言

2019年年末暴發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)，具有傳染性極強(qiáng)、發(fā)病率快的特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)猶如狂風(fēng)暴雨般席卷了全球[1]。如今全國各地都在緊張地進(jìn)行著防疫工作。然而由于感染人數(shù)日漸增長，醫(yī)護(hù)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(jìn)行及時(shí)管控。而這些密切接觸者和疑似病例極有可能成為新發(fā)患者和新的傳染源，因此必須加強(qiáng)對(duì)這部分人的隔離觀察。

新冠病毒肺炎疫情暴發(fā)以來，急需一套有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來輔助疫情的防疫工作。本系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)控隔離人員的身體狀況及所在位置并上傳結(jié)果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)后臺(tái)同時(shí)對(duì)提交數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，利用該系統(tǒng)可以極大地節(jié)省人力物力，對(duì)疫情的防控提供非常好的幫助[2-3]。

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

隔離人員穿戴基于SAMD21芯片開發(fā)的可穿戴設(shè)備,由可穿戴設(shè)備中溫度傳感器模塊對(duì)隔離者進(jìn)行體溫檢測(cè)。采集到的原始數(shù)據(jù)會(huì)在OLED屏幕上實(shí)時(shí)顯示，并通過藍(lán)牙發(fā)送到智能設(shè)備。同時(shí)智能設(shè)備采集隔離人員的地理信息，這個(gè)智能設(shè)備通常是智能手機(jī)或平板電腦,由應(yīng)用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行打包。完成后,將打包好的信息發(fā)送到后臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)過智能合約進(jìn)行全面分析。（智能合約為判斷體溫是否正常和檢測(cè)隔離者是否超出隔離區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)，該合約由人員自行設(shè)置）。智能合約的核心為analyze函數(shù)，主要接收用戶在初次使用時(shí)輸入的體溫和隔離區(qū)域范圍存儲(chǔ)。在分析隔離人員是否超出范圍時(shí)，analyze函數(shù)將傳參值與提取的存儲(chǔ)值進(jìn)行對(duì)比后，返回一個(gè)boolean類型的返回值。后臺(tái)系統(tǒng)將評(píng)估所提供的數(shù)據(jù),根據(jù)評(píng)估結(jié)果判斷是否向智能設(shè)備發(fā)出警報(bào),如果發(fā)出警報(bào)，隔離者的智能設(shè)備將會(huì)發(fā)出振鈴，監(jiān)控平臺(tái)管理員將會(huì)有彈窗提示。

圖1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)面向防控中心而設(shè)計(jì)，防控人員擁有管理員權(quán)限。通過該平臺(tái)，管理員可以了解隔離者身體參數(shù)信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，接收由隔離者佩戴的可穿戴設(shè)備發(fā)送的警告信號(hào)和每日健康狀況報(bào)告，并且擁有向隔離者發(fā)送通知的功能，以便防控人員開展工作[4]。本系統(tǒng)采用輕量級(jí)網(wǎng)站開發(fā)SpringBoot+Vue的框架進(jìn)行搭建，并采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫Mysql對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，目的是能夠使Web端網(wǎng)站與Android應(yīng)用端的數(shù)據(jù)能夠更方便統(tǒng)一管理。將獲取到的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)渲染，形成可視化圖表，方便管理人員直觀地獲取數(shù)據(jù)所展示的信息。數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用可以參考國內(nèi)的可視化網(wǎng)站API開發(fā)文檔。采用Spring Security對(duì)管理員權(quán)限進(jìn)行授權(quán)與驗(yàn)證，并且采用最新的Mybaits-plus簡(jiǎn)化對(duì)Dao層的數(shù)據(jù)操作。

圖2 監(jiān)控管理平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.3 監(jiān)控隔離App功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控隔離App可以讓隔離者實(shí)時(shí)了解自身體溫狀況、隔離區(qū)域、疫情動(dòng)態(tài)等相關(guān)信息。同時(shí)App還可以向防疫中心收發(fā)信息，提交隔離者每日身體健康報(bào)告，提交內(nèi)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(shí)現(xiàn)足不出戶也能與醫(yī)護(hù)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(guān)疫情的熱點(diǎn)問題，在祝福墻獻(xiàn)上自己對(duì)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(qū)域。用戶在初次使用時(shí)，需要在智能合約板塊中輸入自己預(yù)定的閾值，確認(rèn)提交過后，不能隨意更改[5]。智能設(shè)備的定位采用百度地圖提供的“鷹眼軌跡SDK”?！苞椦邸蹦軌騽澐痔摂M地域圍欄，查詢圍欄內(nèi)監(jiān)控者的行動(dòng)狀態(tài)，并監(jiān)聽監(jiān)控者是否超出虛擬圍欄。

圖3 基于Andriod的手機(jī)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

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(shè)備的設(shè)計(jì)

可穿戴設(shè)備是基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，該設(shè)備主要用于對(duì)人體溫度和地理位置的監(jiān)控。運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)將收集并處理好的信號(hào)傳輸?shù)街悄芙K端設(shè)備上[6]。該設(shè)計(jì)共有四大模塊：信號(hào)采集單元、信號(hào)處理模塊、藍(lán)牙技術(shù)通信模塊和電源模塊。其中信號(hào)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(jìn)行。本設(shè)計(jì)使用SAMD21芯片作為核心處理元器件，MAX30205人體溫度傳感器測(cè)量人體體溫，體溫傳感器將測(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)結(jié)果在OLED上進(jìn)行顯示。

圖5 可穿戴設(shè)備控制系統(tǒng)

圖6 人體體溫測(cè)量模塊電路

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)開發(fā)是基于MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)的，對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作使用SQLyog數(shù)據(jù)庫管理軟件。表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵從三范式原則。主要表包括管理員用戶表、隔離區(qū)域表、隔離人員信息表、智能合約表、每日健康上報(bào)表以及信息通告表等。在判斷用戶數(shù)據(jù)是否超過閾值時(shí)，需要將隔離人員表與智能合約表進(jìn)行多表連接查詢。每日健康上報(bào)表字段包括表單ID、填報(bào)賬號(hào)（用戶名）、填報(bào)人（填報(bào)人姓名）、身體狀況、體溫、所在隔離地、是否外出、填報(bào)時(shí)間、備注，其中表單ID為主鍵，填報(bào)賬號(hào)為外鍵。為保護(hù)用戶賬號(hào)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(jī)鹽+密鑰對(duì)密碼進(jìn)行hash處理，將所得到的hash值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫的密碼字段中。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與特色

4.1 隔離者身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集

借助可穿戴設(shè)備對(duì)隔離者身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。利用藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉O(shè)備。智能設(shè)備在聯(lián)網(wǎng)的情況下，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)[7]。通過這種方式，醫(yī)務(wù)人員可以使用獨(dú)立于隔離者位置的網(wǎng)絡(luò)在線訪問隔離者數(shù)據(jù)。

4.2 利用虛擬邊界達(dá)到隔離目的

基于隔離者所在的地帶，可以動(dòng)態(tài)地生成地理圍欄，利用可穿戴設(shè)備對(duì)隔離者進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到區(qū)域隔離的目的。

4.3 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者當(dāng)前所在的位置，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控隔離者的體溫。當(dāng)體溫超過一定的閾值時(shí)，會(huì)向智能終端發(fā)出警告。

5 結(jié)果驗(yàn)證與分析

該系統(tǒng)面向的用戶群體大部分擁有簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此既要求有一個(gè)簡(jiǎn)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(jiān)管平臺(tái)的管理人員。本系統(tǒng)界面多采用圖表的形式向用戶展示數(shù)據(jù)。在通過多次實(shí)驗(yàn)后，目前實(shí)現(xiàn)的可穿戴設(shè)備的人體測(cè)溫模塊能夠?qū)⒄`差減少到±0.5°C的范圍之內(nèi)。并且一次充電可以維持一周左右的使用時(shí)間。然而對(duì)隔離人員的精準(zhǔn)定位與劃分隔離區(qū)域是最大的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于隔離人員往往隔離于某個(gè)酒店、旅館，或者是醫(yī)院安排的隔離點(diǎn)中。這就要求定位的范圍有可能百米范圍之內(nèi)，甚至需要定位到某棟建筑。由于可能存在網(wǎng)絡(luò)延遲的原因會(huì)導(dǎo)致隔離人員的定位誤認(rèn)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(qū)域之間做出判斷也是一個(gè)很大的難題，在多久的時(shí)間間隔內(nèi)做出判斷也需要實(shí)際考量。本系統(tǒng)采用的是由百度地圖提供的鷹眼Android SDK對(duì)隔離區(qū)域進(jìn)行地理圍欄的劃分。在網(wǎng)絡(luò)良好的情況下，能夠?qū)⒄`差值減低到可接受的范圍之內(nèi)。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)旨在運(yùn)用現(xiàn)代信息化技術(shù)來解決傳染性疾病疫情中對(duì)隔離人員的監(jiān)督管理問題，希望借助本系統(tǒng)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(xiàn)出一份力所能及的力量。