一种居家隔离健康监测系统的研究

袁 标，陈天星，杨玉洁，鲁玮平

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都610000）

传染性疾病自古以来都是人们谈之色变的一个话题。人类在与传染病斗争的过程中，渐渐摸索到了扼制传染病传播的方法[1]。当传染性病毒爆发时，只有实施科学的防控隔离措施才能起到事半功倍的作用。对不同风险地区的人员应实施不同的隔离措施，对中低风险地区的非密切接触者人群而言，实行统一的集中隔离会造成一定的医疗资源浪费。此时，居家隔离也就成为了解决这种矛盾的有效措施。

因此，本文设计出一套智能化、高效化的居家隔离健康监测系统。同时，设计了与之匹配的下位机-手环，可以实现体温、血氧浓度、心率、跌倒检测和室内实时定位功能，推进了居家隔离监管方式的智能化。

1 居家隔离的现状

居家隔离是国家疫情防控体系中不可缺失的一环，国务院最新《新型冠状病毒肺炎防控方案（第八版）》将居家隔离对象划分为了四类：（1）密切接触者和密切接触者中的特殊人群[2]；（2）实施“7+7”的入境人员；（3）出院后的患者和解除隔离后的无症状感染者；（4）其他经专业人员评估无法进行集中隔离医学观察的人员。其中实施“7+7”的入境人员，结束集中隔离医学观察后继续7天居家医学观察，其他人员均采取14天居家医学观察[2]。居家隔离者被要求每天早晚主动测量体温并将结果汇报给监测管理人员，若出现发热、干咳、乏力、腹泻等症状时，应及时报备疾控中心，并送往相应定点医院诊治观察。

目前，居家隔离监管方式大多为社区工作人员与小区安保人员通过监控实行联防联控，存在中风险地区人员返回低风险地区，因疾控中心与地方社区沟通不及时，导致极个别本应实施居家隔离的人员未能被纳入管理的情况。境外归国人员因已实施过集中隔离，到家后放松警惕，不进行居家隔离，私自出门等现象[3]。居家隔离需涉及疾控中心、医务人员、社区管理人员、小区物管与居家隔离者等多方人员协同工作，但是各方人员之间却又存在信息交互滞后的问题。其监测也未采取智能化的方式，只有极少数小区在隔离点安装摄像头进行人脸识别监测，没有对居家隔离人员健康状况进行监测。医护人员采取定时上门或者通过拨打电话对隔离人员进行监管与健康状态调查。当隔离者未测量体温或故意瞒报时，会导致医务人员不能及时获得其健康状况，造成严重的后果。

2 居家隔离健康监测系统的设计

2.1 居家隔离健康监测系统的组成

通过对以往各类流行性传染病的研究，如非典、甲型H1N1、H7N9流感、新型冠状病毒等，发现大部分流行性传染病在发病初期都有相似的临床表现症状[4]。其前期征兆主要表现为发热，咳嗽，血氧浓度降低，严重者甚至出现昏厥的现象[5]。为此，本文设计的居家隔离系统针对传染病前期表现症状，配置了体温模块、心率/血氧浓度模块、跌倒检测模块。同时，为了检测隔离人员的位置，设置了WIFI室内定位模块[6]。居家隔离健康监测系统的系统架构如图1所示。

图1 居家隔离健康监测系统架构图

居家隔离健康监测系统由用户端、管理端、家庭端和服务器组成，并通过Internet网络紧密相连[7]。

用户端的手环硬件组成如图2所示，其手环硬件PCB原理图如图3所示。手环选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微控制器，包含了体温模块、心率/血氧浓度模块、跌倒检测模块、WIFI室内定位模块和电源模块[8]。通过家庭WIFI网络，可以实现居家隔离人员健康信息的采集以及上传。

图2 手环硬件图

图3 手环硬件PCB原理图

管理端人员由疾控中心、医护人员、社区管理人员以及小区物管构成。并且管理人员有着不同的任务分工，各司其职，其角色具体任务如下所示：

（1）疾控中心为最高权限管理者，在Web端负责监测所有居家隔离人员健康数据并统筹调配其他管理人员。当监测到异常数据时，首先进入平台的人员管理模块，调取隔离者信息后拨打电话核实异常情况，同时下发命令给社区及物业管理人员，使其到居家隔离点核实。然后疾控中心根据物管上报的信息决定是否通知医务人员上门检测。若医务人员检测后确认隔离者健康异常，疾控中心再调配相关医疗资源，送居家隔离者至定点医院接受治疗。

（2）医务人员在Web端接收平台传输的健康数据，给予医疗建议，上报给疾控中心。并等待执行疾控中心后续指令。

（3）社区管理人员与小区物管是连接疾控中心与隔离者重要的一环，他肩负起了核实手环示警的可靠度这一重要任务。工作人员在手机端APP上既能查看所属管辖地区隔离者的住址和健康信息，又可接收疾控中心的任务安排。

家庭端由居家隔离者和隔离者家庭成员构成，隔离者通过居家隔离系统的APP端只能查询自己的健康参数以及医疗建议。其家庭成员也可通过相应账号查询到隔离人员状况。

服务器包括了Web云端数据处理平台、应用服务器以及数据库。手环上采集到的信息通过WIFI网络上传到Internet，数据经过云端处理中心处理并储存到数据库[9]。既为医务人员对隔离者的健康状况分析提供了数据支撑，又可将其作为隔离期满后解除隔离的依据。

2.2 居家隔离健康监测系统的功能与原理

居家隔离健康监测系统通过手环实时采集生理参数的方式对隔离人员进行24小时全天候管理，解决了传统人工监管模式成本高，不能实时监管的问题，降低了感染风险。加强了各方管理人员之间的信息流动，形成了一个隔离人员管理流程的闭环。其主要功能由隔离人员信息管理、各模块联合报警功能、人员调度、健康数据与个人信息的查看、健康数据分析五部分组成，系统整体工作流程如图4所示。

图4 居家隔离健康监测系统工作流程图

2.2.1 隔离人员信息管理

疾控中心在人员管理模块对居家隔离人员进行个人信息以及隔离点的详细登记，确保每个居家隔离者都被纳入管理。后续手环采集的生理参数和异常次数都将展示到个人信息页面。管理人员可通过此模块查看各隔离者的信息以及健康状态。

2.2.2 各模块联合报警功能

手环可以实现定位、体温检测、跌倒检测、心率/血氧检测功能，各模块联合报警工作流程如图5所示。

图5 各模块联合报警工作流程图

（1）定位功能

系统使用ESP8266WIFI模块接入网络，手环采集的数据通过串口发送至ESP8266模块，再经过Internet网络转发至云平台服务器。系统根据能否接收到手环传送的数据来判断隔离者是否居家隔离，实现定位功能。为防止隔离者使用手机热点代替WIFI连接，导致定位功能失效，隔离者使用的系统APP界面无联网功能。手环首次使用时，联网只能通过管理人员APP端进行。

（2）体温检测功能

体温是反映人体健康状况的重要指标，本系统使用DS18B20接触式温度传感器，参考人体正常温度范围，系统将温度报警阈值下限设置为36度，上限为37.2度。当体温在正常范围内时，手环每隔5分钟向平台发送1次数据。若超出范围，立刻联合心率/血氧模块判断是否需要警示疾控中心管理者，同时将发送数据频率改为每分钟发送1次。

（3）跌倒检测功能

若居家隔离者在隔离期间突然晕倒、休克，为争取更多抢救时间，手环使用三轴加速度传感器ADXL345实现跌倒状态检测功能。当检测到居家隔离者跌倒后，立刻联合心率/血氧模块判断隔离者是否晕厥。

（4）心率/血氧检测功能

光电传感器MAX30102通过红外LED灯的照射，得到心率的ADC值，可经过算法转换得出心率。又因为携带氧气的红血球能够吸收较多的红外光，利用不同红血球吸收光谱不同的原理可分析得出人体的血氧浓度[10]。为增大报警的准确性，当其心率、血氧未在设置的阈值内时，需要联合体温模块共同判断。

2.2.3 人员调度

疾控中心作为居家隔离系统的最高权限者，负责隔离人员的整体监测以及其他工作人员任务的分配。疾控中心通知隔离者所属社区以及小区物管协助落实居家隔离。当隔离人员出现异常时，疾控中心首先查看异常人员的信息，拨打电话询问异常原因，然后再通过工作人员调度模块，安排物管或医务人员至隔离点检测。根据检测人员传回平台的信息，进行后续工作的分配。

2.2.4 健康数据与个人信息的查看

因居家隔离者的信息与健康数据属于个人隐私，需要严格控制查看权限。不同的角色对应了不同的查看权限。疾控中心可查看所有隔离人员的健康数据与个人信息。医务人员可获取个人健康相关的数据。社区管理人员以及小区物管只能获取所管辖地区的隔离人员健康数据以及其他非敏感的个人信息（如姓名、隔离点位置、联系电话等）。居家隔离者及其亲属，通过居家隔离健康监测系统APP端可查询到属于自己的各项数据以及医疗建议。

2.2.5 健康数据分析

手环采集到的各种健康数据，传输到Web云端数据处理平台并保存至数据库中，同时，医务人员可根据隔离者的历史数据，进行大数据分析，既可判断隔离者的健康状态，给予相应的医疗建议，又可将其作为隔离期满后解除隔离的依据。

3 系统的实现及验证

基于本文设计的居家隔离健康监测系统在实验室条件下进行简单的测试，上位机Web端能够接收到下位机通过WIFI发送过来的数据，并且显示在Web端的界面上，实现了对居家隔离人员的智能化管理[11]，测试结果如图6所示。在两天内对单个下位机手环进行不间断的测试，结果表明该手环能够连续的采集居家隔离人员的身体健康参数并且各模块采集的数据误差均在可接受范围内。各模块与各专业工具采集的数据对比结果如表1所示。

图6 居家隔离健康监测系统Web界面图

表1 部分模块测试结果

4 结束语

新冠肺炎疫情自2019年末爆发以来，中国政府采取强有力的应对措施。经过全国人民的不懈努力，国内疫情得到了良好的控制[12]。由此，居家隔离的重点也应由国内转向境外归国人员。加强完善居家隔离措施是疫情防控体系中尤为重要的一环。本文提出的居家隔离健康监测系统为疫情防控提供了良好的技术手段，便于疾控中心对隔离人员实行高效的管理。