基于物联网技术的疫情隔离监控系统的设计与实现

韦雄邺，汪瑾，任丹青

（桂林电子科技大学，广西桂林 541010)

1 引言

2019年年末暴发的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)，具有传染性极强、发病率快的特点，在短时间内犹如狂风暴雨般席卷了全球[1]。如今全国各地都在紧张地进行着防疫工作。然而由于感染人数日渐增长，医护防疫的人力物力有限，所以有大量的密切接触者和疑似病例未能进行及时管控。而这些密切接触者和疑似病例极有可能成为新发患者和新的传染源，因此必须加强对这部分人的隔离观察。

新冠病毒肺炎疫情暴发以来，急需一套有效的远程监控系统来辅助疫情的防疫工作。本系统能够及时监控隔离人员的身体状况及所在位置并上传结果数据，系统后台同时对提交数据进行有效管理，利用该系统可以极大地节省人力物力，对疫情的防控提供非常好的帮助[2-3]。

2 系统的详细设计

2.1 总体设计

隔离人员穿戴基于SAMD21芯片开发的可穿戴设备,由可穿戴设备中温度传感器模块对隔离者进行体温检测。采集到的原始数据会在OLED屏幕上实时显示，并通过蓝牙发送到智能设备。同时智能设备采集隔离人员的地理信息，这个智能设备通常是智能手机或平板电脑,由应用程序对采集到的数据进行打包。完成后,将打包好的信息发送到后台系统经过智能合约进行全面分析。（智能合约为判断体温是否正常和检测隔离者是否超出隔离区域的标准，该合约由人员自行设置）。智能合约的核心为analyze函数，主要接收用户在初次使用时输入的体温和隔离区域范围存储。在分析隔离人员是否超出范围时，analyze函数将传参值与提取的存储值进行对比后，返回一个boolean类型的返回值。后台系统将评估所提供的数据,根据评估结果判断是否向智能设备发出警报,如果发出警报，隔离者的智能设备将会发出振铃，监控平台管理员将会有弹窗提示。

图1 总体架构设计图

2.2 监控管理平台设计

监控系统平台面向防控中心而设计，防控人员拥有管理员权限。通过该平台，管理员可以了解隔离者身体参数信息的实时动态，接收由隔离者佩戴的可穿戴设备发送的警告信号和每日健康状况报告，并且拥有向隔离者发送通知的功能，以便防控人员开展工作[4]。本系统采用轻量级网站开发SpringBoot+Vue的框架进行搭建，并采用远程数据库Mysql对数据进行存储和传输，目的是能够使Web端网站与Android应用端的数据能够更方便统一管理。将获取到的数据做数据渲染，形成可视化图表，方便管理人员直观地获取数据所展示的信息。数据可视化的应用可以参考国内的可视化网站API开发文档。采用Spring Security对管理员权限进行授权与验证，并且采用最新的Mybaits-plus简化对Dao层的数据操作。

图2 监控管理平台总体设计

2.3 监控隔离App功能设计

监控隔离App可以让隔离者实时了解自身体温状况、隔离区域、疫情动态等相关信息。同时App还可以向防疫中心收发信息，提交隔离者每日身体健康报告，提交内容包括身体体温，身体状况，是否外出，是否接触其他疑似病例等。实现足不出户也能与医护人员交流病情的功能。用户还可以在疫情论坛板块了解和讨论有关疫情的热点问题，在祝福墙献上自己对工作在抗疫前线英雄的祝福。用户可以在智能合约功能板块中查看体温阈值和隔离区域。用户在初次使用时，需要在智能合约板块中输入自己预定的阈值，确认提交过后，不能随意更改[5]。智能设备的定位采用百度地图提供的“鹰眼轨迹SDK”。“鹰眼”能够划分虚拟地域围栏，查询围栏内监控者的行动状态，并监听监控者是否超出虚拟围栏。

图3 基于Andriod的手机应用功能设计

图4 百度地图的“鹰眼SDK”虚拟围栏功能展示代码

2.4 可穿戴设备的设计

可穿戴设备是基于物联网设计的，该设备主要用于对人体温度和地理位置的监控。运用蓝牙技术将收集并处理好的信号传输到智能终端设备上[6]。该设计共有四大模块：信号采集单元、信号处理模块、蓝牙技术通信模块和电源模块。其中信号采集单元包括人体温度采集和地理位置信息采集，分别通过温度传感器和GPS定位来进行。本设计使用SAMD21芯片作为核心处理元器件，MAX30205人体温度传感器测量人体体温，体温传感器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，并将实时结果在OLED上进行显示。

图5 可穿戴设备控制系统

图6 人体体温测量模块电路

3 数据库设计

本系统的数据库设计开发是基于MySQL数据库进行搭建设计的，对数据库的操作使用SQLyog数据库管理软件。表结构设计遵从三范式原则。主要表包括管理员用户表、隔离区域表、隔离人员信息表、智能合约表、每日健康上报表以及信息通告表等。在判断用户数据是否超过阈值时，需要将隔离人员表与智能合约表进行多表连接查询。每日健康上报表字段包括表单ID、填报账号（用户名）、填报人（填报人姓名）、身体状况、体温、所在隔离地、是否外出、填报时间、备注，其中表单ID为主键，填报账号为外键。为保护用户账号安全，防止密码泄露，使用SpringSecurity中的密码加密算法BCryptPasswordEncoder。该算法采用SHA-256+随机盐+密钥对密码进行hash处理，将所得到的hash值存储到数据库的密码字段中。

4 创新点与特色

4.1 隔离者身体各项数据采集

借助可穿戴设备对隔离者身体各项数据信息进行采集。利用蓝牙技术将数据传输到智能设备。智能设备在联网的情况下，利用网络传输将数据发送到监控系统管理平台[7]。通过这种方式，医务人员可以使用独立于隔离者位置的网络在线访问隔离者数据。

4.2 利用虚拟边界达到隔离目的

基于隔离者所在的地带，可以动态地生成地理围栏，利用可穿戴设备对隔离者进行监控，从而达到区域隔离的目的。

4.3 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者当前所在的位置，并且能够实时监控隔离者的体温。当体温超过一定的阈值时，会向智能终端发出警告。

5 结果验证与分析

该系统面向的用户群体大部分拥有简单计算机知识，因此既要求有一个简洁的隔离人员信息输入界面，又要求将每天收集到的信息整洁地展示给监管平台的管理人员。本系统界面多采用图表的形式向用户展示数据。在通过多次实验后，目前实现的可穿戴设备的人体测温模块能够将误差减少到±0.5°C的范围之内。并且一次充电可以维持一周左右的使用时间。然而对隔离人员的精准定位与划分隔离区域是最大的重点与难点。由于隔离人员往往隔离于某个酒店、旅馆，或者是医院安排的隔离点中。这就要求定位的范围有可能百米范围之内，甚至需要定位到某栋建筑。由于可能存在网络延迟的原因会导致隔离人员的定位误认为超出范围，因此如何在定位误差与隔离人员真正离开隔离区域之间做出判断也是一个很大的难题，在多久的时间间隔内做出判断也需要实际考量。本系统采用的是由百度地图提供的鹰眼Android SDK对隔离区域进行地理围栏的划分。在网络良好的情况下，能够将误差值减低到可接受的范围之内。

6 结束语

本系统旨在运用现代信息化技术来解决传染性疾病疫情中对隔离人员的监督管理问题，希望借助本系统能够减少疫情防控中的人力物力，把更多的资源投入救助重症患者的一线抗疫工作中，为防疫抗疫献出一份力所能及的力量。