新冠肺炎隔离监控系统硬件设计

任丹青，汪 瑾，韦雄邺

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541000）

0 引 言

自2019年末至今，新冠疫情肆虐全球，因新冠肺炎传染性强，导致新冠感染人数持续增长。为防止疫情扩散，保护人民不被新冠病毒感染，需对新冠肺炎感染康复者、新冠肺炎密切接触者、高风险地区人员、国外回归人员等进行定点隔离观察或居家隔离观察，监测他们的实时体温和地理位置。为此，需要耗费极大人力、物力、财力。通过调研发现，大部分地方采取防疫工作人员打电话等方式询问、统计隔离者的体温，在隔离者的家门贴封条等方式限制隔离者的出行范围。这两种方式不仅造成了人力、物力的浪费，同时隔离者的体温和地理位置数据也可能存在故意造假等风险。为减少不必要的消耗，降低防疫难度，提高监控隔离者体温和实时地理位置数据的准确度，本项目设计了基于物联网的疫情隔离监控系统。系统的硬件部分设计为智能手环，它是一款体积小、佩戴方便、可通过皮肤直接测量体温的智能产品。本项目通过智能手环采集隔离佩戴者的实时体温，通过APP监控隔离者的地理位置，最终借助智能终端储存和处理隔离者的各项数据。

1 智能手环的硬件系统总体设计

本监控系统的可穿戴设备部分—智能手环，采用SAMD21芯片作为核心处理元器件，采用MAX30205人体温度传感器监测人体体温，该元件将测得的实时体温发送到SAMD21芯片，芯片接收数据后进行处理，并将实时体温数据在OLED上进行显示，同时将数据上传至计算机储存。当实时体温超过37.5 ℃时，监控系统管理平台将立刻发出警告并通知防疫工作人员，防疫工作人员及时将可穿戴设备佩戴者送去医院并进行核酸检测，且将体温异常佩戴者近期的体温变化生成表格输出，由监控管理平台的监管人员将体温异常者体温信息发给医院，作为部分身体数据的参考。可穿戴设备控制系统结构如图1所示。

图1 可穿戴设备控制系统结构

1.1 智能手环电路设计

为减小可穿戴设备智能手环的整体体积，采用Arduino nano小系统Seeeduino XIAO 开发板。XIAO开发板使用Microchip公司出品的SAMD21芯片，兼容Arduino IDE，功能强大。开发板长20 mm、宽17.5 mm，高3.5 mm，体积小，且背面具有电源焊盘，可焊接锂电池供电，也可通过开发板的USB type-C接口下载代码，适用于可穿戴设备的开发。XIAO主板引脚如图2所示。

图2 XIAO主板引脚

智能手环采用MAX30205人体温度传感器，传感器通过热敏电阻测温，在34～40 ℃范围内时，精度为0.1 ℃，温度分辨率为16位（0.003 906 25 ℃）。在出厂前，该传感器模块已进行校验及线性化处理，具有体积小、精度高、成本低等优点。相对于MLX90614红外线测温模块，热敏电阻传感器对人体温度的采集准确率更高，对体温的实时变化监测度高，体温变化后，热敏电阻可立即感知采集，更易实现体温的实时监测。该系统适合于医疗设备、手持设备、家用电器、室内暖气以及汽车空调等。智能手环根据电路板的尺寸选用合适的OLED显示屏，该显示屏核心层厚度小于1 mm，为液晶厚度的1/3，全固态机构，抗震性好。显示器显示实时测量的体温数据，如图3所示。

图3 显示器显示实时测量的体温数据

智能手环使用ESP8266 WiFi模块与计算机通信，将XIAO开发板采集处理的数据发送到计算机，网页端接收数据，对数据进行处理、分析、储存等。智能手环电源采用锂电池供电，体积小且续航能力强，拥有type-C接口，可使用type-C充电线充电。锂电池焊接在XIAO开发板背面，为可穿戴设备硬件供电。

1.2 电路板PCB设计

为减小可穿戴设备的表面面积，使用一块双面PCB。人体温度传感器位于PCB下方，使得热敏电阻接触人体皮肤，减小测得数据的误差。开发板焊接于PCB上方，电源焊接在开发板上，由导线与PCB相连，整体高度为34 mm。未封装的可穿戴设备如图4所示。

图4 未封装的可穿戴设备

1.3 智能手环功能介绍

人体温度传感器通过热敏电阻测量佩戴者手腕处采集实时体温，并将实时体温数据发送到Arduino nano主板，Arduino nano主板对数据进行处理，处理后将数据发送到显示器和WiFi模块。显示器可显示实时体温，若体温发生变化，显示器上的体温数值也会随之变化；WiFi模块将数据发送到计算机，计算机接收数据后将对数据进行处理和储存。功能流程如图5所示。

图5 功能流程

2 硬件系统测试

打开智能手环系统开关，OLED显示屏显示的温度数值从室温开始，每秒刷新1次，以0.1 ℃的温度差发生变化。当人体体温稳定时，OLED显示屏的显示体温不再有刷新更改；若人体温度再次发生改变，OLED显示屏的数值即刻随之变化。人体体温数据采集见表1所列。

表1 人体体温数据采集

通过测量的6组数据发现，当外界温度较低时，人体温度数值变化次数较多，体温不稳定。当人处于室外刚走进室内时，电子体温计测量的腋下体温数值和智能手环测量的手腕体温数值误差较大。受外界因素的影响，手腕的温度比身体其他地方更低，但该误差对于监测手环佩戴者的体温影响不大。测试了多个志愿者，通过获得的多组数据发现，当人体体温低于36 ℃时出现误差的可能性远远大于36 ℃以上，人体体温越高，手环测量的数据越准确。

3 疫情隔离监控系统创新点

3.1 隔离人员体温采集

通过智能可穿戴设备对隔离人员进行实时体温采集，通过蓝牙技术将数据传输到智能手机APP，手机APP在联网的条件下，利用网络将隔离人员的身体体温和地理位置发送到监控系统管理平台。借助这种方式，医生和防疫工作人员可在线访问隔离人员的身体数据并确定被隔离人员是否在隔离点。

3.2 利用虚拟边界达到隔离目的

基于隔离人员所在的隔离点，可以动态生成地理围栏，利用可穿戴设备对隔离人员进行地理位置监控，从而达到区域隔离的目的。

3.3 可穿戴设备获取地理位置和体温

本项目中的可穿戴设备不仅可以获取隔离人员的实时地理位置，并且能够实时监控隔离人员的体温。当体温超过正常范围时，会向监控系统管理平台发出警告并通知防疫工作人员。且当隔离人员离开隔离点时，智能设备会发出振铃警告，同时向监控系统管理平台发出隔离人员已离开隔离点的信息，并显示他们的实时地理位置。

3.4 隔离监控APP的设计

本项目中的APP小程序可以使用户随时了解疫情动态，参与讨论有关疫情的热点话题，并且提供祝福墙为抗疫前线的英雄加油鼓劲。用户还能在APP中随时了解自身的体温状况和隔离区域范围。当用户体温超过正常范围或用户超出当前规定的隔离区域时，APP带有的提醒功能将促使智能设备发出振铃警告。

4 结 语

新冠肺炎隔离监控系统是一个基于物联网和区块链的新冠病毒智能监控系统。该系统提高了监控隔离人员的效率，减少了监控隔离人员所消耗的人力、物力及财力。系统借助智能手环向医院提供隔离人员的体温数据，方便对隔离人员身体健康状态进行跟踪及研究。通过测试，本系统能较好地对隔离人员进行体温及地理位置的实时跟踪，便于监控被隔离人员。同时还发现，本系统的可穿戴设备智能手环仍存在一些不足，气温较低时，对实时体温的测量存在误差。当佩戴者体温较低时，温度传感器测量的数据误差较大，数值浮动次数较多。经过多轮测试，使用金属贴片接触皮肤将温度传递给热敏电阻，测得的数据值较为准确，误差小，体温数值浮动小。今后，我们将进一步对手环进行改进，提高其各项性能，为防疫抗疫提供更好的帮助及支持。