基于物聯網的智能居家隔離系統的研究與設計

李宇善 徐浩 楊琪 王勇 胡偉

摘 要：自疫情爆發以來，新冠確診患者和無癥狀感染者日益增加，社會和政府的重視程度也愈來愈高，為了減輕疫情防控的開支和節省社會資源，將當下發展迅速的物聯網技術和疫情防控工作相結合，利用物聯網技術解決實際問題。本文提出了一套基于物聯網的居家隔離系統的設計方案，分析了疫情防控的大前提下的隔離防疫工作的痛點和難點，并分別介紹了改進方案以及實現方法，并通過實驗驗證改方案對于疫情防控的高效開展以及節省人力、物力有著實際作用，具有研發的可行性。

關鍵詞：智能居家隔離；物聯網；疫情防控

一、引言

自2020年全球爆發新冠疫情肺炎以來，疫情往往具有傳播速度快、流行范圍廣、社會影響大等特點，而且不易控制、難以識別和防范。相較于2003年的非典（SARS）疫情，本次新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）具有隱蔽性和傳播能力更強的特點，導致此次疫情擴散極為迅速，世界各國為此次疫情所付出的社會代價也更大。雖說疫情如今我們有巨大勝利，但此次疫情在很短的時間內，就已經在世界范圍構成重大突發公共衛生事件，對全人類的身體健康構成威脅，對世界各國的經濟發展、社會穩定和國家安全帶來了不確定性。而如今并不僅僅只有新冠病毒，也有甲流等新型流感威脅著人們，當時國家實行居家隔離的政策，雖然盡可能的減少傳染，但是防疫人員要想了解真實的人們居家的情況也避免不了相互接觸。這也增大了轉染的可能性。為減少人們非必要不接觸，減少交叉感染的可能性，以及有效快速的了解居家人員的身體狀況，智能居家防疫系統有效的解決這一問題。

二、開發技術背景

居家防疫系統除傳統的GPS定位功能外，還結合了物聯網相關技術實現了人們與家的互聯，家與家的互聯。項目采用阿里云mqtt協議和微信小程序技術相結合的方式獲取隔離人員的隔離信息并對其行為做出相應舉措。智能居家防疫系統相較于傳統的人工防控，結合了物聯網相關技術進行實時狀況分析，并可利用手機微信進行更為便捷的操作。在為隔離人員行為做出限制的同時也將隔離人員信息提供給疫情監管人員，并減少了隔離人員也監管人員的面對面的接觸，更加保障了居家隔離的可行性，同時也對他人的安全做出了保障。解決人機交互、微信小程序的開發等技術問題是該項目的核心，隨著計算機行業的發展以及硬件設備的不斷升級，為推動物聯網發展提供了強有力的技術條件支持，預計會使疫情防控措施朝著更智能更便捷的方向發展。

三、功能設計

將物聯網和家居環境深度融合，在家居環境中嵌入物聯網模塊節點，在主控單片機的控制之下，各傳感器節點之間交互信息，相互協調，從而實現智能居家隔離的目的。首先是能夠將被隔離人員的基本信息展示在一塊顯示屏上，用來顯示被隔離人員的體溫、人數、身體特征以及環境的溫濕度、室內二氧化碳的含量以及是否具有有毒氣體等信息。與此同時還配備地震監測儀和火災檢測儀等災害傳感器模塊，進一步為被隔離人員提供了安全保障。

（1）屏幕顯示隔離信息功能：利用OLED顯示屏和室內人員的人機交互，在室內被隔離人員進行健康監測之后，例如：體溫檢測、抗原檢測等。在檢測完畢之后，被隔離人員可在微信小程序上填寫自身的身體情況以及新冠肺炎的感染情況、室內感染新冠得到人員數量、室內已康復人員的數量等信息，用于統計和顯示在室外的屏幕內容中，用以告知該戶人家的隔離狀況。

（2）自然災害避險功能：該功能是為隔離期間遇到自然災害的緊急情況而設計，目的是為了最大限度地保護隔離人員的人身安全，將自然災害防范于未然。系統配備了地震傳感器和火焰傳感器以及甲烷等有害氣體傳感器，如果在隔離期間遇到諸如地震、火災以及煤氣泄漏等意外險情，能夠第一時間檢測到實施情況，在發出警報的同時，住戶的大門會自動打開，便于人員及時逃離。

（3）微信小程序檢測系統：該功能是為了方便管理人員和被隔離人員的實時操作。在檢測到用戶上傳健康信息的同時，室內的所有傳感器會同時上傳一次當時的環境狀態，用于確保人員的安全。同時如果被隔離人員遇到了任何緊急情況，可以隨時用微信小程序匯報并采取應急措施。設計功能結構圖如圖1所示。

四、測試與仿真

軟件：本系統的主控STM32芯片使用的測試與仿真的環境為Keil Software公司的keil軟件，芯片所控制的傳感器模塊的代碼調試與仿真測試都在此軟件中完成，主控芯片控制的傳感器模塊有：GPS模塊、振動傳感器、紅外傳感器、OLED屏幕、溫濕度傳感器等。輔助芯片esp8266的開發與調試環境為Arduino平臺，用于連接阿里云云端，實現與手機的信息交互。在esp8266的調試與仿真過程中重點在于創建云節點，實現模塊的信息與手機微信小程序的數據交互，同時使用微信開發者工具開發微信小程序環境和功能，重點在于功能的完善。

硬件：本系統的硬件測試與仿真軟件用到了Altum Designer的PCB設計軟件，在實現主控芯片、輔助芯片以及各傳感器之間的硬件互聯之外，還要保證硬件電路板的規格尺寸大小，以確保節省空間的同時做到功能的完善。

五、結束語

本文設計了一個基于物聯網技術同時結合機械制造方法的智能居家防疫系統的方案，替代傳統人力疫情防控措施，不僅減少了疫情防控人員的數量，而且減緩了疫情防控的壓力，以便解決當前疫情期間對隔離人員狀況監測難、隔離人員統計難、人工對隔離人員進行疫情防控周期長等問題，提高疫情防控的效率。

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