李家辰

（鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展，國際間的交流合作不斷加深，全球傳染病的跨區(qū)域傳播難以避免。2019 年12 月最先在武漢被發(fā)現(xiàn)的肺炎，是由一種新型冠狀病毒引起的。截至2020 年2 月14 日零時，全國累計確診病例66492 例，死亡病例1523 例，出院病例8096 例，現(xiàn)有疑似病例8969 例，而累計追蹤到密切接觸者則高達513183 人[1]，此次暴發(fā)的新冠肺炎疫情影響到人們生活的方方面面，對我國經(jīng)濟產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

自2003 年嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）的暴發(fā)流行以來，中國政府對傳染病的關(guān)注度大大提升，這為本次疫情得到一定的控制奠定了基礎(chǔ)。但是，傳染病的防控措施依就存在很多問題，主要的問題包括：對傳染病沒有形成正確的認(rèn)識；從事與傳染病相關(guān)工作人員分配部署不合理；我國傳染病的檢測預(yù)防機制不健全；傳染病的檢測機制不完善等[2]。對此，本文提出了一種能幫助佩戴者監(jiān)控自身身體數(shù)據(jù)及記錄行程信息的裝置設(shè)計方案，用于改善當(dāng)前傳染病預(yù)防困難、檢測機制不完善的現(xiàn)狀，使得用戶對自身健康情況更了解，疫情防控工作者對疫情有更好的把控。

1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

1.1 裝置原理

該裝置包括體征監(jiān)測系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)以及電池系統(tǒng)，裝置原理如圖1 所示。

圖1 裝置原理

裝置由電池系統(tǒng)供能，分別連接著體征監(jiān)測系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)。體征監(jiān)測系統(tǒng)對人體的溫度和脈搏進行檢測。熱電堆傳感器通過輻射接收面來接收鼓膜的紅外輻射，受到輻射后熱電偶溫度上升，熱電偶之間產(chǎn)生電動勢，在其輸出端獲得它們的總電勢差，之后再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路與Wi-Fi 模塊的串口相連，信號轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將數(shù)據(jù)傳給模塊；光電傳感器在工作時通過發(fā)送器向耳垂處發(fā)射光束，接收器用來接收耳垂處血管中的血液反射回來的光，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，之后傳感器中的檢測電路檢測接收器輸出的電信號，過濾干擾信號，輸出主要信號；再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路，將信號傳給Wi-Fi 模塊；最后Wi-Fi 模塊將接收到的信號進行處理，然后通過AT 指令，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。系統(tǒng)中的北斗定位模塊用來接收衛(wèi)星信號，從而得到佩戴者的位置信息，之后再通過網(wǎng)絡(luò)將佩戴者的位置以及對應(yīng)的時間信息上傳至服務(wù)器。

1.2 裝置外觀設(shè)計

該裝置的耳垂后部分采用加粗加厚設(shè)計，將耳垂托起，既增加了裝置內(nèi)部的空間，又增強了佩戴的舒適感。整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 裝置外觀

1.3 耳溫檢測系統(tǒng)

耳溫檢測部分由熱電堆傳感器和信號轉(zhuǎn)換電路組成。核心部件電熱堆傳感器是一種非接觸紅外測溫傳感器，不需要直接接觸被測物體就可以快速測得物體表面溫度。該裝置采用MRT116熱電堆溫度傳感器來測量人體的耳溫。

1.4 脈搏檢測系統(tǒng)

脈搏檢測部分由光電傳感器、LED 燈和信號轉(zhuǎn)換電路組成。核心部件光電傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣[3]。因此，光電式傳感器可應(yīng)用于光電脈搏監(jiān)測。該裝置采用EM7028 光電傳感器來對人體的心率進行測量。

1.5 數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)

數(shù)據(jù)上傳部分由Wi-Fi 模塊和電路組成，Wi-Fi 模塊又名串口Wi-Fi 模塊，屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層。該裝置使用的是ESP8266 模塊，ESP8266 模塊功耗低、設(shè)計緊湊、穩(wěn)定性高，可以將傳感器測得的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

1.6 供電系統(tǒng)

電池采用601111 可充電聚合物鋰電池。該型號電池電壓3.7V，容量為40mAh，具有體積小，供電好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可滿足一定時間內(nèi)持續(xù)實時定位信息傳輸、體征指標(biāo)測量工作要求。該電池可串聯(lián)USB 接口，實現(xiàn)常溫下最大電流0.5C 的充電工作。

1.7 北斗定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用主動式雙向測距三維導(dǎo)航，和GPS的被動式單向偽碼測距相比，局部區(qū)域定位更精確。由地面中心控制系統(tǒng)接收位置信息并進行處理，向用戶提供三維位置信息。該裝置采用北斗定位模塊來對佩戴者的位置和時間信息進行記錄，并上傳服務(wù)器。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光電技術(shù)脈搏測量原理

光電接收器接收來自皮膚反射的光，由于被照射部分皮膚、肌肉等組織會吸收部分光，因此光電接收器接收到的光電強度也會減弱。由于皮膚、血液等組織對照射光的吸收作用保持不變，但是血管容積在心臟作用下呈現(xiàn)搏動性變化：當(dāng)心臟收縮時，血容量最多，血管對光的吸收量最大，檢測到的光強度最??；當(dāng)心臟舒張時，血容量最小，檢測到的光強度最大。因此可以通過檢測血管容積的變化來反映脈搏的變化。由于耳部頸動脈沿著耳道區(qū)垂直運行，并且耳垂中還有大量毛細(xì)血管，所以耳朵可以作為心率檢測的有效區(qū)域。裝置借助EM7028 光電傳感器接收耳垂的光信號，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，獲得血容量變化頻率，從而獲得脈搏信息。

2.2 心率測量原理

對于無嚴(yán)重心肌疾病的人而言，心率和脈搏變化是同步的，因此，通過光電技術(shù)測量獲得的脈搏信息可以和心率信息同步。這種方法對于一般用戶適用。

2.3 耳溫脈搏測量原理

在人體大腦中的下視丘內(nèi)有一個支配人體恒溫的定點構(gòu)造，是人體溫度變化反映最及時最敏感的部位。而流經(jīng)鼓膜血液與下視丘的血液互相聯(lián)系，因此，探測鼓膜附近的溫度與溫度變化，可以較為準(zhǔn)確地判斷人體的溫度與溫度變化。耳溫測量參考耳溫槍測量耳溫的裝置原理，在外耳道靠近鼓膜處通過入耳裝置固定一個熱電堆傳感器，用于檢測鼓膜的紅外輻射。熱電堆傳感器吸收紅外輻射，使熱電偶發(fā)生相應(yīng)的變化，進一步產(chǎn)生電勢差，經(jīng)過電路處理，得到人體耳朵鼓膜附近的溫度信息[4]。

2.4 數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器原理

數(shù)據(jù)上傳模塊借助ESP8266 Wi-Fi 模塊的優(yōu)勢，將熱電堆傳感器和光電傳感器與該模塊連接，傳感器測得數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼SP8266 模塊上，模塊負(fù)責(zé)所有計算，通過AT 指令請求進行HTTP 請求，之后發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，并存入數(shù)據(jù)庫，以便需要時查看。

3 主要創(chuàng)新點

該掛耳式體溫心率監(jiān)測裝置在人體體溫和心率的檢測方法上與常規(guī)的穿戴式檢測設(shè)備不同，從以往的檢測中心手腕轉(zhuǎn)移到耳部，降低了環(huán)境因素對檢測準(zhǔn)確度的影響。在穿戴的舒適度方面，耳垂部位的耳垂托設(shè)計樣式在確保耳垂部準(zhǔn)確檢測心率的同時，大大提高了裝置的舒適度，也提高了裝置在耳朵上佩戴的穩(wěn)定程度。同時，把北斗定位系統(tǒng)的地理空間實時定位信息的優(yōu)勢與個體日常行動軌跡結(jié)合起來，能夠準(zhǔn)確地記錄個體的行動路線，識別潛在的受感染人群，減少在疫情暴發(fā)等特殊時期里，由于感染者無法準(zhǔn)確描述行程而帶來的麻煩，從而更準(zhǔn)確地識別病毒攜帶者所感染的潛在人群，為醫(yī)療、疾病防控以及政府部門及時制定流行性疾病防控政策提供實時數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的裝置實時監(jiān)測佩戴者身體數(shù)據(jù)與行程，創(chuàng)新性地利用北斗定位系統(tǒng)來防控疫情。該系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星、人體耳溫脈搏信息采集、遠(yuǎn)程信息集中處理平臺等功能，幫助解決廣大群眾對身體狀況的監(jiān)管問題，改善目前“密切接觸者”監(jiān)管難的問題，使醫(yī)護人員治療更具針對性。