基于物联网的智能居家隔离系统的研究与设计

李宇善 徐浩 杨琪 王勇 胡伟

摘 要：自疫情爆发以来，新冠确诊患者和无症状感染者日益增加，社会和政府的重视程度也愈来愈高，为了减轻疫情防控的开支和节省社会资源，将当下发展迅速的物联网技术和疫情防控工作相结合，利用物联网技术解决实际问题。本文提出了一套基于物联网的居家隔离系统的设计方案，分析了疫情防控的大前提下的隔离防疫工作的痛点和难点，并分别介绍了改进方案以及实现方法，并通过实验验证改方案对于疫情防控的高效开展以及节省人力、物力有着实际作用，具有研发的可行性。

关键词：智能居家隔离；物联网；疫情防控

一、引言

自2020年全球爆发新冠疫情肺炎以来，疫情往往具有传播速度快、流行范围广、社会影响大等特点，而且不易控制、难以识别和防范。相较于2003年的非典（SARS）疫情，本次新型冠状病毒肺炎（COVID-19）具有隐蔽性和传播能力更强的特点，导致此次疫情扩散极为迅速，世界各国为此次疫情所付出的社会代价也更大。虽说疫情如今我们有巨大胜利，但此次疫情在很短的时间内，就已经在世界范围构成重大突发公共卫生事件，对全人类的身体健康构成威胁，对世界各国的经济发展、社会稳定和国家安全带来了不确定性。而如今并不仅仅只有新冠病毒，也有甲流等新型流感威胁着人们，当时国家实行居家隔离的政策，虽然尽可能的减少传染，但是防疫人员要想了解真实的人们居家的情况也避免不了相互接触。这也增大了转染的可能性。为减少人们非必要不接触，减少交叉感染的可能性，以及有效快速的了解居家人员的身体状况，智能居家防疫系统有效的解决这一问题。

二、开发技术背景

居家防疫系统除传统的GPS定位功能外，还结合了物联网相关技术实现了人们与家的互联，家与家的互联。项目采用阿里云mqtt协议和微信小程序技术相结合的方式获取隔离人员的隔离信息并对其行为做出相应举措。智能居家防疫系统相较于传统的人工防控，结合了物联网相关技术进行实时状况分析，并可利用手机微信进行更为便捷的操作。在为隔离人员行为做出限制的同时也将隔离人员信息提供给疫情监管人员，并减少了隔离人员也监管人员的面对面的接触，更加保障了居家隔离的可行性，同时也对他人的安全做出了保障。解决人机交互、微信小程序的开发等技术问题是该项目的核心，随着计算机行业的发展以及硬件设备的不断升级，为推动物联网发展提供了强有力的技术条件支持，预计会使疫情防控措施朝着更智能更便捷的方向发展。

三、功能设计

将物联网和家居环境深度融合，在家居环境中嵌入物联网模块节点，在主控单片机的控制之下，各传感器节点之间交互信息，相互协调，从而实现智能居家隔离的目的。首先是能够将被隔离人员的基本信息展示在一块显示屏上，用来显示被隔离人员的体温、人数、身体特征以及环境的温湿度、室内二氧化碳的含量以及是否具有有毒气体等信息。与此同时还配备地震监测仪和火灾检测仪等灾害传感器模块，进一步为被隔离人员提供了安全保障。

（1）屏幕显示隔离信息功能：利用OLED显示屏和室内人员的人机交互，在室内被隔离人员进行健康监测之后，例如：体温检测、抗原检测等。在检测完毕之后，被隔离人员可在微信小程序上填写自身的身体情况以及新冠肺炎的感染情况、室内感染新冠得到人员数量、室内已康复人员的数量等信息，用于统计和显示在室外的屏幕内容中，用以告知该户人家的隔离状况。

（2）自然灾害避险功能：该功能是为隔离期间遇到自然灾害的紧急情况而设计，目的是为了最大限度地保护隔离人员的人身安全，将自然灾害防范于未然。系统配备了地震传感器和火焰传感器以及甲烷等有害气体传感器，如果在隔离期间遇到诸如地震、火灾以及煤气泄漏等意外险情，能够第一时间检测到实施情况，在发出警报的同时，住户的大门会自动打开，便于人员及时逃离。

（3）微信小程序检测系统：该功能是为了方便管理人员和被隔离人员的实时操作。在檢测到用户上传健康信息的同时，室内的所有传感器会同时上传一次当时的环境状态，用于确保人员的安全。同时如果被隔离人员遇到了任何紧急情况，可以随时用微信小程序汇报并采取应急措施。设计功能结构图如图1所示。

四、测试与仿真

软件：本系统的主控STM32芯片使用的测试与仿真的环境为Keil Software公司的keil软件，芯片所控制的传感器模块的代码调试与仿真测试都在此软件中完成，主控芯片控制的传感器模块有：GPS模块、振动传感器、红外传感器、OLED屏幕、温湿度传感器等。辅助芯片esp8266的开发与调试环境为Arduino平台，用于连接阿里云云端，实现与手机的信息交互。在esp8266的调试与仿真过程中重点在于创建云节点，实现模块的信息与手机微信小程序的数据交互，同时使用微信开发者工具开发微信小程序环境和功能，重点在于功能的完善。

硬件：本系统的硬件测试与仿真软件用到了Altum Designer的PCB设计软件，在实现主控芯片、辅助芯片以及各传感器之间的硬件互联之外，还要保证硬件电路板的规格尺寸大小，以确保节省空间的同时做到功能的完善。

五、结束语

本文设计了一个基于物联网技术同时结合机械制造方法的智能居家防疫系统的方案，替代传统人力疫情防控措施，不仅减少了疫情防控人员的数量，而且减缓了疫情防控的压力，以便解决当前疫情期间对隔离人员状况监测难、隔离人员统计难、人工对隔离人员进行疫情防控周期长等问题，提高疫情防控的效率。

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