袁 標，陳天星，楊玉潔，魯瑋平

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都610000）

傳染性疾病自古以來都是人們談之色變的一個話題。人類在與傳染病斗爭的過程中，漸漸摸索到了扼制傳染病傳播的方法[1]。當傳染性病毒爆發(fā)時，只有實施科學(xué)的防控隔離措施才能起到事半功倍的作用。對不同風(fēng)險地區(qū)的人員應(yīng)實施不同的隔離措施，對中低風(fēng)險地區(qū)的非密切接觸者人群而言，實行統(tǒng)一的集中隔離會造成一定的醫(yī)療資源浪費。此時，居家隔離也就成為了解決這種矛盾的有效措施。

因此，本文設(shè)計出一套智能化、高效化的居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)。同時，設(shè)計了與之匹配的下位機-手環(huán)，可以實現(xiàn)體溫、血氧濃度、心率、跌倒檢測和室內(nèi)實時定位功能，推進了居家隔離監(jiān)管方式的智能化。

1 居家隔離的現(xiàn)狀

居家隔離是國家疫情防控體系中不可缺失的一環(huán)，國務(wù)院最新《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第八版）》將居家隔離對象劃分為了四類：（1）密切接觸者和密切接觸者中的特殊人群[2]；（2）實施“7+7”的入境人員；（3）出院后的患者和解除隔離后的無癥狀感染者；（4）其他經(jīng)專業(yè)人員評估無法進行集中隔離醫(yī)學(xué)觀察的人員。其中實施“7+7”的入境人員，結(jié)束集中隔離醫(yī)學(xué)觀察后繼續(xù)7天居家醫(yī)學(xué)觀察，其他人員均采取14天居家醫(yī)學(xué)觀察[2]。居家隔離者被要求每天早晚主動測量體溫并將結(jié)果匯報給監(jiān)測管理人員，若出現(xiàn)發(fā)熱、干咳、乏力、腹瀉等癥狀時，應(yīng)及時報備疾控中心，并送往相應(yīng)定點醫(yī)院診治觀察。

目前，居家隔離監(jiān)管方式大多為社區(qū)工作人員與小區(qū)安保人員通過監(jiān)控實行聯(lián)防聯(lián)控，存在中風(fēng)險地區(qū)人員返回低風(fēng)險地區(qū)，因疾控中心與地方社區(qū)溝通不及時，導(dǎo)致極個別本應(yīng)實施居家隔離的人員未能被納入管理的情況。境外歸國人員因已實施過集中隔離，到家后放松警惕，不進行居家隔離，私自出門等現(xiàn)象[3]。居家隔離需涉及疾控中心、醫(yī)務(wù)人員、社區(qū)管理人員、小區(qū)物管與居家隔離者等多方人員協(xié)同工作，但是各方人員之間卻又存在信息交互滯后的問題。其監(jiān)測也未采取智能化的方式，只有極少數(shù)小區(qū)在隔離點安裝攝像頭進行人臉識別監(jiān)測，沒有對居家隔離人員健康狀況進行監(jiān)測。醫(yī)護人員采取定時上門或者通過撥打電話對隔離人員進行監(jiān)管與健康狀態(tài)調(diào)查。當隔離者未測量體溫或故意瞞報時，會導(dǎo)致醫(yī)務(wù)人員不能及時獲得其健康狀況，造成嚴重的后果。

2 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

通過對以往各類流行性傳染病的研究，如非典、甲型H1N1、H7N9流感、新型冠狀病毒等，發(fā)現(xiàn)大部分流行性傳染病在發(fā)病初期都有相似的臨床表現(xiàn)癥狀[4]。其前期征兆主要表現(xiàn)為發(fā)熱，咳嗽，血氧濃度降低，嚴重者甚至出現(xiàn)昏厥的現(xiàn)象[5]。為此，本文設(shè)計的居家隔離系統(tǒng)針對傳染病前期表現(xiàn)癥狀，配置了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測模塊。同時，為了檢測隔離人員的位置，設(shè)置了WIFI室內(nèi)定位模塊[6]。居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)由用戶端、管理端、家庭端和服務(wù)器組成，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)緊密相連[7]。

用戶端的手環(huán)硬件組成如圖2所示，其手環(huán)硬件PCB原理圖如圖3所示。手環(huán)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6微控制器，包含了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測模塊、WIFI室內(nèi)定位模塊和電源模塊[8]。通過家庭WIFI網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)居家隔離人員健康信息的采集以及上傳。

圖2 手環(huán)硬件圖

圖3 手環(huán)硬件PCB原理圖

管理端人員由疾控中心、醫(yī)護人員、社區(qū)管理人員以及小區(qū)物管構(gòu)成。并且管理人員有著不同的任務(wù)分工，各司其職，其角色具體任務(wù)如下所示：

（1）疾控中心為最高權(quán)限管理者，在Web端負責(zé)監(jiān)測所有居家隔離人員健康數(shù)據(jù)并統(tǒng)籌調(diào)配其他管理人員。當監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時，首先進入平臺的人員管理模塊，調(diào)取隔離者信息后撥打電話核實異常情況，同時下發(fā)命令給社區(qū)及物業(yè)管理人員，使其到居家隔離點核實。然后疾控中心根據(jù)物管上報的信息決定是否通知醫(yī)務(wù)人員上門檢測。若醫(yī)務(wù)人員檢測后確認隔離者健康異常，疾控中心再調(diào)配相關(guān)醫(yī)療資源，送居家隔離者至定點醫(yī)院接受治療。

（2）醫(yī)務(wù)人員在Web端接收平臺傳輸?shù)慕】禂?shù)據(jù)，給予醫(yī)療建議，上報給疾控中心。并等待執(zhí)行疾控中心后續(xù)指令。

（3）社區(qū)管理人員與小區(qū)物管是連接疾控中心與隔離者重要的一環(huán)，他肩負起了核實手環(huán)示警的可靠度這一重要任務(wù)。工作人員在手機端APP上既能查看所屬管轄地區(qū)隔離者的住址和健康信息，又可接收疾控中心的任務(wù)安排。

家庭端由居家隔離者和隔離者家庭成員構(gòu)成，隔離者通過居家隔離系統(tǒng)的APP端只能查詢自己的健康參數(shù)以及醫(yī)療建議。其家庭成員也可通過相應(yīng)賬號查詢到隔離人員狀況。

服務(wù)器包括了Web云端數(shù)據(jù)處理平臺、應(yīng)用服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫。手環(huán)上采集到的信息通過WIFI網(wǎng)絡(luò)上傳到Internet，數(shù)據(jù)經(jīng)過云端處理中心處理并儲存到數(shù)據(jù)庫[9]。既為醫(yī)務(wù)人員對隔離者的健康狀況分析提供了數(shù)據(jù)支撐，又可將其作為隔離期滿后解除隔離的依據(jù)。

2.2 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能與原理

居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)通過手環(huán)實時采集生理參數(shù)的方式對隔離人員進行24小時全天候管理，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)管模式成本高，不能實時監(jiān)管的問題，降低了感染風(fēng)險。加強了各方管理人員之間的信息流動，形成了一個隔離人員管理流程的閉環(huán)。其主要功能由隔離人員信息管理、各模塊聯(lián)合報警功能、人員調(diào)度、健康數(shù)據(jù)與個人信息的查看、健康數(shù)據(jù)分析五部分組成，系統(tǒng)整體工作流程如圖4所示。

圖4 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

2.2.1 隔離人員信息管理

疾控中心在人員管理模塊對居家隔離人員進行個人信息以及隔離點的詳細登記，確保每個居家隔離者都被納入管理。后續(xù)手環(huán)采集的生理參數(shù)和異常次數(shù)都將展示到個人信息頁面。管理人員可通過此模塊查看各隔離者的信息以及健康狀態(tài)。

2.2.2 各模塊聯(lián)合報警功能

手環(huán)可以實現(xiàn)定位、體溫檢測、跌倒檢測、心率/血氧檢測功能，各模塊聯(lián)合報警工作流程如圖5所示。

圖5 各模塊聯(lián)合報警工作流程圖

（1）定位功能

系統(tǒng)使用ESP8266WIFI模塊接入網(wǎng)絡(luò)，手環(huán)采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至ESP8266模塊，再經(jīng)過Internet網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺服務(wù)器。系統(tǒng)根據(jù)能否接收到手環(huán)傳送的數(shù)據(jù)來判斷隔離者是否居家隔離，實現(xiàn)定位功能。為防止隔離者使用手機熱點代替WIFI連接，導(dǎo)致定位功能失效，隔離者使用的系統(tǒng)APP界面無聯(lián)網(wǎng)功能。手環(huán)首次使用時，聯(lián)網(wǎng)只能通過管理人員APP端進行。

（2）體溫檢測功能

體溫是反映人體健康狀況的重要指標，本系統(tǒng)使用DS18B20接觸式溫度傳感器，參考人體正常溫度范圍，系統(tǒng)將溫度報警閾值下限設(shè)置為36度，上限為37.2度。當體溫在正常范圍內(nèi)時，手環(huán)每隔5分鐘向平臺發(fā)送1次數(shù)據(jù)。若超出范圍，立刻聯(lián)合心率/血氧模塊判斷是否需要警示疾控中心管理者，同時將發(fā)送數(shù)據(jù)頻率改為每分鐘發(fā)送1次。

（3）跌倒檢測功能

若居家隔離者在隔離期間突然暈倒、休克，為爭取更多搶救時間，手環(huán)使用三軸加速度傳感器ADXL345實現(xiàn)跌倒狀態(tài)檢測功能。當檢測到居家隔離者跌倒后，立刻聯(lián)合心率/血氧模塊判斷隔離者是否暈厥。

（4）心率/血氧檢測功能

光電傳感器MAX30102通過紅外LED燈的照射，得到心率的ADC值，可經(jīng)過算法轉(zhuǎn)換得出心率。又因為攜帶氧氣的紅血球能夠吸收較多的紅外光，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理可分析得出人體的血氧濃度[10]。為增大報警的準確性，當其心率、血氧未在設(shè)置的閾值內(nèi)時，需要聯(lián)合體溫模塊共同判斷。

2.2.3 人員調(diào)度

疾控中心作為居家隔離系統(tǒng)的最高權(quán)限者，負責(zé)隔離人員的整體監(jiān)測以及其他工作人員任務(wù)的分配。疾控中心通知隔離者所屬社區(qū)以及小區(qū)物管協(xié)助落實居家隔離。當隔離人員出現(xiàn)異常時，疾控中心首先查看異常人員的信息，撥打電話詢問異常原因，然后再通過工作人員調(diào)度模塊，安排物管或醫(yī)務(wù)人員至隔離點檢測。根據(jù)檢測人員傳回平臺的信息，進行后續(xù)工作的分配。

2.2.4 健康數(shù)據(jù)與個人信息的查看

因居家隔離者的信息與健康數(shù)據(jù)屬于個人隱私，需要嚴格控制查看權(quán)限。不同的角色對應(yīng)了不同的查看權(quán)限。疾控中心可查看所有隔離人員的健康數(shù)據(jù)與個人信息。醫(yī)務(wù)人員可獲取個人健康相關(guān)的數(shù)據(jù)。社區(qū)管理人員以及小區(qū)物管只能獲取所管轄地區(qū)的隔離人員健康數(shù)據(jù)以及其他非敏感的個人信息（如姓名、隔離點位置、聯(lián)系電話等）。居家隔離者及其親屬，通過居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)APP端可查詢到屬于自己的各項數(shù)據(jù)以及醫(yī)療建議。

2.2.5 健康數(shù)據(jù)分析

手環(huán)采集到的各種健康數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絎eb云端數(shù)據(jù)處理平臺并保存至數(shù)據(jù)庫中，同時，醫(yī)務(wù)人員可根據(jù)隔離者的歷史數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析，既可判斷隔離者的健康狀態(tài)，給予相應(yīng)的醫(yī)療建議，又可將其作為隔離期滿后解除隔離的依據(jù)。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)及驗證

基于本文設(shè)計的居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室條件下進行簡單的測試，上位機Web端能夠接收到下位機通過WIFI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且顯示在Web端的界面上，實現(xiàn)了對居家隔離人員的智能化管理[11]，測試結(jié)果如圖6所示。在兩天內(nèi)對單個下位機手環(huán)進行不間斷的測試，結(jié)果表明該手環(huán)能夠連續(xù)的采集居家隔離人員的身體健康參數(shù)并且各模塊采集的數(shù)據(jù)誤差均在可接受范圍內(nèi)。各模塊與各專業(yè)工具采集的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表1所示。

圖6 居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)Web界面圖

表1 部分模塊測試結(jié)果

4 結(jié)束語

新冠肺炎疫情自2019年末爆發(fā)以來，中國政府采取強有力的應(yīng)對措施。經(jīng)過全國人民的不懈努力，國內(nèi)疫情得到了良好的控制[12]。由此，居家隔離的重點也應(yīng)由國內(nèi)轉(zhuǎn)向境外歸國人員。加強完善居家隔離措施是疫情防控體系中尤為重要的一環(huán)。本文提出的居家隔離健康監(jiān)測系統(tǒng)為疫情防控提供了良好的技術(shù)手段，便于疾控中心對隔離人員實行高效的管理。