基于物聯(lián)網(wǎng)的智能居家隔離系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李宇善 徐浩 楊琪 王勇 胡偉

摘 要：自疫情爆發(fā)以來，新冠確診患者和無癥狀感染者日益增加，社會和政府的重視程度也愈來愈高，為了減輕疫情防控的開支和節(jié)省社會資源，將當(dāng)下發(fā)展迅速的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和疫情防控工作相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決實(shí)際問題。本文提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的居家隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析了疫情防控的大前提下的隔離防疫工作的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，并分別介紹了改進(jìn)方案以及實(shí)現(xiàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改方案對于疫情防控的高效開展以及節(jié)省人力、物力有著實(shí)際作用，具有研發(fā)的可行性。

關(guān)鍵詞：智能居家隔離；物聯(lián)網(wǎng)；疫情防控

一、引言

自2020年全球爆發(fā)新冠疫情肺炎以來，疫情往往具有傳播速度快、流行范圍廣、社會影響大等特點(diǎn)，而且不易控制、難以識別和防范。相較于2003年的非典（SARS）疫情，本次新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）具有隱蔽性和傳播能力更強(qiáng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致此次疫情擴(kuò)散極為迅速，世界各國為此次疫情所付出的社會代價(jià)也更大。雖說疫情如今我們有巨大勝利，但此次疫情在很短的時(shí)間內(nèi)，就已經(jīng)在世界范圍構(gòu)成重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件，對全人類的身體健康構(gòu)成威脅，對世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全帶來了不確定性。而如今并不僅僅只有新冠病毒，也有甲流等新型流感威脅著人們，當(dāng)時(shí)國家實(shí)行居家隔離的政策，雖然盡可能的減少傳染，但是防疫人員要想了解真實(shí)的人們居家的情況也避免不了相互接觸。這也增大了轉(zhuǎn)染的可能性。為減少人們非必要不接觸，減少交叉感染的可能性，以及有效快速的了解居家人員的身體狀況，智能居家防疫系統(tǒng)有效的解決這一問題。

二、開發(fā)技術(shù)背景

居家防疫系統(tǒng)除傳統(tǒng)的GPS定位功能外，還結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人們與家的互聯(lián)，家與家的互聯(lián)。項(xiàng)目采用阿里云mqtt協(xié)議和微信小程序技術(shù)相結(jié)合的方式獲取隔離人員的隔離信息并對其行為做出相應(yīng)舉措。智能居家防疫系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的人工防控，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀況分析，并可利用手機(jī)微信進(jìn)行更為便捷的操作。在為隔離人員行為做出限制的同時(shí)也將隔離人員信息提供給疫情監(jiān)管人員，并減少了隔離人員也監(jiān)管人員的面對面的接觸，更加保障了居家隔離的可行性，同時(shí)也對他人的安全做出了保障。解決人機(jī)交互、微信小程序的開發(fā)等技術(shù)問題是該項(xiàng)目的核心，隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展以及硬件設(shè)備的不斷升級，為推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)條件支持，預(yù)計(jì)會使疫情防控措施朝著更智能更便捷的方向發(fā)展。

三、功能設(shè)計(jì)

將物聯(lián)網(wǎng)和家居環(huán)境深度融合，在家居環(huán)境中嵌入物聯(lián)網(wǎng)模塊節(jié)點(diǎn)，在主控單片機(jī)的控制之下，各傳感器節(jié)點(diǎn)之間交互信息，相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)智能居家隔離的目的。首先是能夠?qū)⒈桓綦x人員的基本信息展示在一塊顯示屏上，用來顯示被隔離人員的體溫、人數(shù)、身體特征以及環(huán)境的溫濕度、室內(nèi)二氧化碳的含量以及是否具有有毒氣體等信息。與此同時(shí)還配備地震監(jiān)測儀和火災(zāi)檢測儀等災(zāi)害傳感器模塊，進(jìn)一步為被隔離人員提供了安全保障。

（1）屏幕顯示隔離信息功能：利用OLED顯示屏和室內(nèi)人員的人機(jī)交互，在室內(nèi)被隔離人員進(jìn)行健康監(jiān)測之后，例如：體溫檢測、抗原檢測等。在檢測完畢之后，被隔離人員可在微信小程序上填寫自身的身體情況以及新冠肺炎的感染情況、室內(nèi)感染新冠得到人員數(shù)量、室內(nèi)已康復(fù)人員的數(shù)量等信息，用于統(tǒng)計(jì)和顯示在室外的屏幕內(nèi)容中，用以告知該戶人家的隔離狀況。

（2）自然災(zāi)害避險(xiǎn)功能：該功能是為隔離期間遇到自然災(zāi)害的緊急情況而設(shè)計(jì)，目的是為了最大限度地保護(hù)隔離人員的人身安全，將自然災(zāi)害防范于未然。系統(tǒng)配備了地震傳感器和火焰?zhèn)鞲衅饕约凹淄榈扔泻怏w傳感器，如果在隔離期間遇到諸如地震、火災(zāi)以及煤氣泄漏等意外險(xiǎn)情，能夠第一時(shí)間檢測到實(shí)施情況，在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)，住戶的大門會自動打開，便于人員及時(shí)逃離。

（3）微信小程序檢測系統(tǒng)：該功能是為了方便管理人員和被隔離人員的實(shí)時(shí)操作。在檢測到用戶上傳健康信息的同時(shí)，室內(nèi)的所有傳感器會同時(shí)上傳一次當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，用于確保人員的安全。同時(shí)如果被隔離人員遇到了任何緊急情況，可以隨時(shí)用微信小程序匯報(bào)并采取應(yīng)急措施。設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

四、測試與仿真

軟件：本系統(tǒng)的主控STM32芯片使用的測試與仿真的環(huán)境為Keil Software公司的keil軟件，芯片所控制的傳感器模塊的代碼調(diào)試與仿真測試都在此軟件中完成，主控芯片控制的傳感器模塊有：GPS模塊、振動傳感器、紅外傳感器、OLED屏幕、溫濕度傳感器等。輔助芯片esp8266的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境為Arduino平臺，用于連接阿里云云端，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的信息交互。在esp8266的調(diào)試與仿真過程中重點(diǎn)在于創(chuàng)建云節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊的信息與手機(jī)微信小程序的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)使用微信開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序環(huán)境和功能，重點(diǎn)在于功能的完善。

硬件：本系統(tǒng)的硬件測試與仿真軟件用到了Altum Designer的PCB設(shè)計(jì)軟件，在實(shí)現(xiàn)主控芯片、輔助芯片以及各傳感器之間的硬件互聯(lián)之外，還要保證硬件電路板的規(guī)格尺寸大小，以確保節(jié)省空間的同時(shí)做到功能的完善。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同時(shí)結(jié)合機(jī)械制造方法的智能居家防疫系統(tǒng)的方案，替代傳統(tǒng)人力疫情防控措施，不僅減少了疫情防控人員的數(shù)量，而且減緩了疫情防控的壓力，以便解決當(dāng)前疫情期間對隔離人員狀況監(jiān)測難、隔離人員統(tǒng)計(jì)難、人工對隔離人員進(jìn)行疫情防控周期長等問題，提高疫情防控的效率。

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