基于北斗定位的疫情防控装置应用

李家辰

（郑州大学地球科学与技术学院，河南郑州 450000）

0 引言

随着经济全球化发展，国际间的交流合作不断加深，全球传染病的跨区域传播难以避免。2019 年12 月最先在武汉被发现的肺炎，是由一种新型冠状病毒引起的。截至2020 年2 月14 日零时，全国累计确诊病例66492 例，死亡病例1523 例，出院病例8096 例，现有疑似病例8969 例，而累计追踪到密切接触者则高达513183 人[1]，此次暴发的新冠肺炎疫情影响到人们生活的方方面面，对我国经济产生严重影响。

自2003 年严重急性呼吸综合征（SARS）的暴发流行以来，中国政府对传染病的关注度大大提升，这为本次疫情得到一定的控制奠定了基础。但是，传染病的防控措施依就存在很多问题，主要的问题包括：对传染病没有形成正确的认识；从事与传染病相关工作人员分配部署不合理；我国传染病的检测预防机制不健全；传染病的检测机制不完善等[2]。对此，本文提出了一种能帮助佩戴者监控自身身体数据及记录行程信息的装置设计方案，用于改善当前传染病预防困难、检测机制不完善的现状，使得用户对自身健康情况更了解，疫情防控工作者对疫情有更好的把控。

1 系统技术架构设计

1.1 装置原理

该装置包括体征监测系统、北斗定位系统以及电池系统，装置原理如图1 所示。

图1 装置原理

装置由电池系统供能，分别连接着体征监测系统和北斗定位系统。体征监测系统对人体的温度和脉搏进行检测。热电堆传感器通过辐射接收面来接收鼓膜的红外辐射，受到辐射后热电偶温度上升，热电偶之间产生电动势，在其输出端获得它们的总电势差，之后再经过信号转换电路与Wi-Fi 模块的串口相连，信号转换电路将电信号转换为数字信号，将数据传给模块；光电传感器在工作时通过发送器向耳垂处发射光束，接收器用来接收耳垂处血管中的血液反射回来的光，并将光信号转换为电信号，之后传感器中的检测电路检测接收器输出的电信号，过滤干扰信号，输出主要信号；再经过信号转换电路，将信号传给Wi-Fi 模块；最后Wi-Fi 模块将接收到的信号进行处理，然后通过AT 指令，将数据上传至服务器。系统中的北斗定位模块用来接收卫星信号，从而得到佩戴者的位置信息，之后再通过网络将佩戴者的位置以及对应的时间信息上传至服务器。

1.2 装置外观设计

该装置的耳垂后部分采用加粗加厚设计，将耳垂托起，既增加了装置内部的空间，又增强了佩戴的舒适感。整体设计如图2所示。

图2 装置外观

1.3 耳温检测系统

耳温检测部分由热电堆传感器和信号转换电路组成。核心部件电热堆传感器是一种非接触红外测温传感器，不需要直接接触被测物体就可以快速测得物体表面温度。该装置采用MRT116热电堆温度传感器来测量人体的耳温。

1.4 脉搏检测系统

脉搏检测部分由光电传感器、LED 灯和信号转换电路组成。核心部件光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样[3]。因此，光电式传感器可应用于光电脉搏监测。该装置采用EM7028 光电传感器来对人体的心率进行测量。

1.5 数据上传系统

数据上传部分由Wi-Fi 模块和电路组成，Wi-Fi 模块又名串口Wi-Fi 模块，属于物联网传输层。该装置使用的是ESP8266 模块，ESP8266 模块功耗低、设计紧凑、稳定性高，可以将传感器测得的数据上传至服务器。

1.6 供电系统

电池采用601111 可充电聚合物锂电池。该型号电池电压3.7V，容量为40mAh，具有体积小，供电好，性能稳定等优点，可满足一定时间内持续实时定位信息传输、体征指标测量工作要求。该电池可串联USB 接口，实现常温下最大电流0.5C 的充电工作。

1.7 北斗定位系统

北斗卫星导航系统采用主动式双向测距三维导航，和GPS的被动式单向伪码测距相比，局部区域定位更精确。由地面中心控制系统接收位置信息并进行处理，向用户提供三维位置信息。该装置采用北斗定位模块来对佩戴者的位置和时间信息进行记录，并上传服务器。

2 系统的关键技术

2.1 光电技术脉搏测量原理

光电接收器接收来自皮肤反射的光，由于被照射部分皮肤、肌肉等组织会吸收部分光，因此光电接收器接收到的光电强度也会减弱。由于皮肤、血液等组织对照射光的吸收作用保持不变，但是血管容积在心脏作用下呈现搏动性变化：当心脏收缩时，血容量最多，血管对光的吸收量最大，检测到的光强度最小；当心脏舒张时，血容量最小，检测到的光强度最大。因此可以通过检测血管容积的变化来反映脉搏的变化。由于耳部颈动脉沿着耳道区垂直运行，并且耳垂中还有大量毛细血管，所以耳朵可以作为心率检测的有效区域。装置借助EM7028 光电传感器接收耳垂的光信号，再经过信号转换电路，将光信号转化为电信号，获得血容量变化频率，从而获得脉搏信息。

2.2 心率测量原理

对于无严重心肌疾病的人而言，心率和脉搏变化是同步的，因此，通过光电技术测量获得的脉搏信息可以和心率信息同步。这种方法对于一般用户适用。

2.3 耳温脉搏测量原理

在人体大脑中的下视丘内有一个支配人体恒温的定点构造，是人体温度变化反映最及时最敏感的部位。而流经鼓膜血液与下视丘的血液互相联系，因此，探测鼓膜附近的温度与温度变化，可以较为准确地判断人体的温度与温度变化。耳温测量参考耳温枪测量耳温的装置原理，在外耳道靠近鼓膜处通过入耳装置固定一个热电堆传感器，用于检测鼓膜的红外辐射。热电堆传感器吸收红外辐射，使热电偶发生相应的变化，进一步产生电势差，经过电路处理，得到人体耳朵鼓膜附近的温度信息[4]。

2.4 数据上传服务器原理

数据上传模块借助ESP8266 Wi-Fi 模块的优势，将热电堆传感器和光电传感器与该模块连接，传感器测得数据后，数据传输到ESP8266 模块上，模块负责所有计算，通过AT 指令请求进行HTTP 请求，之后发送数据到服务器，并存入数据库，以便需要时查看。

3 主要创新点

该挂耳式体温心率监测装置在人体体温和心率的检测方法上与常规的穿戴式检测设备不同，从以往的检测中心手腕转移到耳部，降低了环境因素对检测准确度的影响。在穿戴的舒适度方面，耳垂部位的耳垂托设计样式在确保耳垂部准确检测心率的同时，大大提高了装置的舒适度，也提高了装置在耳朵上佩戴的稳定程度。同时，把北斗定位系统的地理空间实时定位信息的优势与个体日常行动轨迹结合起来，能够准确地记录个体的行动路线，识别潜在的受感染人群，减少在疫情暴发等特殊时期里，由于感染者无法准确描述行程而带来的麻烦，从而更准确地识别病毒携带者所感染的潜在人群，为医疗、疾病防控以及政府部门及时制定流行性疾病防控政策提供实时数据基础。

4 结语

本文设计的装置实时监测佩戴者身体数据与行程，创新性地利用北斗定位系统来防控疫情。该系统利用北斗卫星、人体耳温脉搏信息采集、远程信息集中处理平台等功能，帮助解决广大群众对身体状况的监管问题，改善目前“密切接触者”监管难的问题，使医护人员治疗更具针对性。