基于新型家居安全系統(tǒng)的體溫監(jiān)測功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王北一WANG Bei-yi；梁俊銘LIANG Jun-ming；林偉杰LIN Wei-jie；李啟文LI Qi-wen；顏鈺婷YAN Yu-ting

（①廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，佛山 528500；②智研創(chuàng)學(xué)技術(shù)咨詢（佛山市）有限責(zé)任公司，佛山 528500）

0 引言

研究背景和動機(jī)：

隨著全球范圍內(nèi)疫情的爆發(fā)，對個(gè)人健康和安全的關(guān)注日益增加。在家庭生活中，特別是在疫情期間，對體溫監(jiān)測的需求變得尤為重要。傳統(tǒng)的體溫計(jì)存在使用不便、實(shí)時(shí)監(jiān)測能力有限等問題，因此需要新型家居安全系統(tǒng)來解決這一問題。此外，新型家居安全系統(tǒng)還可以在日常生活中提供更廣泛的安全保障，如火災(zāi)監(jiān)測、入侵偵測等，因此對于研究新型家居安全系統(tǒng)的體溫監(jiān)測功能具有重要意義。

新型家居安全系統(tǒng)不僅具備體溫監(jiān)測功能，而且還可以提供更廣泛的安全保障。除了對體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測，這種多功能性使得新型家居安全系統(tǒng)成為了家庭安全的守護(hù)者。

研究目的和意義：

本研究的目的是基于新型家居安全系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種有效的體溫監(jiān)測功能，并將其應(yīng)用于家庭生活中。通過研究，可以為家庭提供一種便捷、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測方案，為疫情防控和健康管理提供安全可靠的支持。

通過將體溫監(jiān)測功能與其他智能家居設(shè)備進(jìn)行集成，我們可以開發(fā)出更加智能化、個(gè)性化的家居安全系統(tǒng)。

通過設(shè)計(jì)新型家居安全系統(tǒng)中的體溫監(jiān)測功能，為家庭提供便捷、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測方案，為疫情防控和健康管理提供安全可靠的支持。同時(shí)，本研究還將為智能家居安全系統(tǒng)的發(fā)展提供創(chuàng)新的思路和解決方案，促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

研究方法和數(shù)據(jù)來源：

本研究將采用實(shí)驗(yàn)研究方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種新型家居安全系統(tǒng)，整合體溫傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對其進(jìn)行性能測試及穩(wěn)定性驗(yàn)證。研究數(shù)據(jù)主要來源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和用戶反饋，以驗(yàn)證體溫監(jiān)測功能的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)為避免由環(huán)境以及其他因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，我們將實(shí)驗(yàn)場地以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了多組對照，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及有效性增添多了保障。通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，我們將為家居安全領(lǐng)域的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。

1 相關(guān)研究綜述

1.1 體溫監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域

體溫監(jiān)測技術(shù)[1]是用于測量和記錄人體體溫的技術(shù)手段。隨著科技的發(fā)展，體溫監(jiān)測技術(shù)得到了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新。下面將介紹幾種常見的體溫監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域：

無接觸紅外測溫技術(shù)：無接觸紅外測溫技術(shù)是通過紅外線傳感器測量人體的體表溫度，無需直接接觸人體。這種技術(shù)在公共場所、機(jī)場、車站等人流密集場所的體溫篩查中得到廣泛應(yīng)用。它具有測量速度快、非侵入性、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模人群的體溫監(jiān)測。

體溫監(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、健康管理、疾病預(yù)防等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，體溫監(jiān)測是常規(guī)的生命體征監(jiān)測之一，用于幫助醫(yī)生判斷患者的健康狀況和疾病進(jìn)展情況。在健康管理領(lǐng)域，體溫監(jiān)測可以幫助用戶實(shí)時(shí)了解自身的健康狀況，及時(shí)采取措施預(yù)防疾病。而在疫情防控期間，體溫監(jiān)測是早期發(fā)現(xiàn)疫情傳播的重要手段，被廣泛用于機(jī)場、車站、學(xué)校等公共場所的體溫篩查。

1.2 目前已有的家庭體溫監(jiān)測系統(tǒng)研究

家庭體溫監(jiān)測系統(tǒng)是指用于在家庭環(huán)境下實(shí)現(xiàn)體溫監(jiān)測和健康評估的系統(tǒng)。在當(dāng)前的科技環(huán)境下，已經(jīng)涌現(xiàn)出許多家庭體溫監(jiān)測系統(tǒng)的研究。以下是幾個(gè)目前已有的研究方向：

無接觸紅外測溫技術(shù)結(jié)合智能家居系統(tǒng)：一些研究嘗試將無接觸紅外測溫技術(shù)與智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)家庭體溫監(jiān)測。通過在家中不同位置設(shè)置紅外傳感器，可以實(shí)時(shí)測量家庭成員的體溫，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芗揖酉到y(tǒng)進(jìn)行分析。

家庭體溫監(jiān)測平臺[1]：另外一些研究著眼于開發(fā)全面的家庭體溫監(jiān)測平臺，通過整合多種體溫監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)分析手段，提供全面的健康管理功能。這些平臺可以接收來自多樣化的體溫監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行分析和展示。用戶可以通過平臺查看個(gè)體的體溫趨勢、健康評估結(jié)果，并與醫(yī)療機(jī)構(gòu)或家庭醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)商和咨詢。

2 新型家居安全系統(tǒng)的體溫監(jiān)測功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與組成部分

新型家居安全系統(tǒng)的體溫監(jiān)測功能設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)的整體架構(gòu)和各個(gè)組成部分。一種可行的系統(tǒng)架構(gòu)如下：

①控制模塊：控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和功能。負(fù)責(zé)命令傳輸、數(shù)據(jù)處理和決策等。

②測溫模塊：使用紅外線人體溫度傳感器，負(fù)責(zé)接收人體體溫?cái)?shù)據(jù)。

③預(yù)警模塊：包括蜂鳴器和提示音箱等，一旦檢測到體溫異常，發(fā)出警報(bào)和提示信號。

④隔離模塊：使用喇叭形隔絕器，防止噪音和干擾對系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

⑤人體位置傳感模塊：通過激光測距傳感器、位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的位置和距離信息。

⑥安裝有測溫模塊的人體位置跟蹤模塊：確保測溫模塊與人體之間的準(zhǔn)確接觸，提供準(zhǔn)確的體溫?cái)?shù)據(jù)。（圖1、圖2）

圖1 控制關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 整體俯視圖

2.2 功能設(shè)計(jì)工作過程及原理（實(shí)施案例）

工作時(shí)，每隔一段時(shí)間（10min）首先橫移電機(jī)工作帶動橫向螺桿轉(zhuǎn)動，橫向螺桿轉(zhuǎn)動帶動滑動架左右移動，同時(shí)滑塊位于滑動架上的最高位置，當(dāng)橫移電機(jī)帶動滑動架移動時(shí)，激光測距傳感器感應(yīng)的距離信息等于房間本體寬度或者是距離房間本體內(nèi)擺設(shè)的距離時(shí)（擺設(shè)物品時(shí)輸入物品的距離參數(shù)，在此時(shí)不觸發(fā)），縱移電機(jī)帶動縱向螺桿轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動滑塊向下移動一段距離（10cm），然后橫移電機(jī)帶動滑動架反向運(yùn)動，當(dāng)感應(yīng)距離信息仍不變時(shí)，重復(fù)執(zhí)行上述過程，當(dāng)距離信息發(fā)生變化時(shí)，控制器采集縱向位移傳感器和橫向位移傳感器以及激光測距傳感器的測距參數(shù)信息，進(jìn)而判斷出人體最高處也就是頭部的空間位置信息，進(jìn)而通過計(jì)算（具體計(jì)算方法屬于現(xiàn)有技術(shù)），控制器控制橫轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)而帶動門型架橫向轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動熱電堆溫度傳感器朝向人體方向，同時(shí)縱轉(zhuǎn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動塊轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得熱電堆溫度傳感器朝向人體方向，進(jìn)而控制器采集熱電堆溫度傳感器的溫度信息，當(dāng)溫度過高時(shí)，控制器控制預(yù)警模塊發(fā)出警報(bào)信息。

擋圈可對熱電堆溫度傳感器感應(yīng)方向之外的熱源信息進(jìn)行遮擋，進(jìn)而防止受到干擾，增加穩(wěn)定性。通過對兩個(gè)熱電堆傳感器采集的溫度值進(jìn)行收集比對，進(jìn)而得到較為準(zhǔn)確的溫度值。（圖3、圖4）

圖3 局部正剖視圖

圖4 人體位置跟蹤模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 體溫監(jiān)測功能的應(yīng)用場景與算法設(shè)計(jì)

3.1 溫度異常檢測算法選擇與邏輯設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控與異常檢測成為了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于環(huán)境復(fù)雜多變，單一的檢測算法往往難以應(yīng)對各種突發(fā)狀況和不確定性。為了克服這一挑戰(zhàn)，在進(jìn)行本系統(tǒng)的算法選擇和邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，我們選擇采用加權(quán)自融合算法，通過結(jié)合多個(gè)子算法的優(yōu)勢，顯著提高了溫度異常檢測的準(zhǔn)確性和魯棒性。

本功能在設(shè)計(jì)時(shí)采用接入團(tuán)隊(duì)家居安全系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)（基于應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的家居安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]），其中自研的家居安全系統(tǒng)通過加權(quán)自融合算法而實(shí)現(xiàn)的。加權(quán)自融合算法是一種綜合多個(gè)異常檢測算法的方法，通過對每個(gè)算法的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，提高異常檢測的準(zhǔn)確性和魯棒性。下面是一個(gè)基于加權(quán)自融合算法的溫度異常檢測算法設(shè)計(jì)框架：

①數(shù)據(jù)預(yù)處理：從測溫模塊收集到的溫度數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行預(yù)處理。這包括去除噪聲、平滑處理和歸一化等操作，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性。

②加權(quán)自融合算法：根據(jù)已有的子算法結(jié)果，通過加權(quán)融合的方式綜合多個(gè)子算法的輸出結(jié)果。加權(quán)融合的權(quán)重可以根據(jù)每個(gè)子算法的性能、穩(wěn)定性和可靠性等進(jìn)行確定。可以采用簡單的加權(quán)平均或使用更復(fù)雜的方法（如基于距離、信息熵、模糊邏輯等）進(jìn)行融合。

③異常判斷與報(bào)警：根據(jù)融合后的異常檢測結(jié)果，判斷當(dāng)前溫度是否異常。如果異常，觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，如發(fā)出警報(bào)聲、發(fā)送警報(bào)通知等。

④系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新與反饋：監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)時(shí)更新算法和參數(shù)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和個(gè)體差異。同時(shí)，用戶反饋也應(yīng)該作為一個(gè)重要的因素，對算法進(jìn)行校正和優(yōu)化。

在實(shí)際應(yīng)用中，加權(quán)自融合算法可以根據(jù)不同的生產(chǎn)環(huán)境和溫度特性，靈活調(diào)整各子算法的權(quán)重。例如，在高溫環(huán)境中，可以增加對熱敏感子算法的權(quán)重，而在低溫環(huán)境中，則可以增加對冷敏感子算法的權(quán)重。這樣，算法能夠在不同場景下都能保持較高的檢測準(zhǔn)確性。

加權(quán)自融合算法的核心思想在于將多個(gè)子算法的輸出結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，以充分利用各子算法在不同場景下的優(yōu)勢。這種算法不僅考慮了各子算法本身的性能，還根據(jù)實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過調(diào)整權(quán)重分配策略，進(jìn)一步優(yōu)化了溫度異常檢測的性能。

3.2 基于體溫?cái)?shù)據(jù)的健康狀況評估與預(yù)警

基于體溫?cái)?shù)據(jù)的健康狀況評估與預(yù)警涉及多個(gè)技術(shù)方面，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建和預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)基于體溫?cái)?shù)據(jù)的健康狀況評估與預(yù)警，首先需要采集可靠的體溫?cái)?shù)據(jù)。可以使用體溫傳感器或智能穿戴設(shè)備等硬件設(shè)備來收集體溫?cái)?shù)據(jù)。這些設(shè)備可以通過藍(lán)牙或其他無線通信方式與移動設(shè)備或云平臺進(jìn)行連接。

采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，以確保其準(zhǔn)確性和一致性。預(yù)處理步驟可以包括去除噪聲、平滑處理和歸一化等操作。去除噪聲可以通過濾波算法[5]（如均值濾波或中值濾波）來實(shí)現(xiàn)。平滑處理可以通過加權(quán)平均或指數(shù)平滑等技術(shù)來減小體溫?cái)?shù)據(jù)的波動。歸一化操作可以將體溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的值，以便后續(xù)處理和比較。

該系統(tǒng)可以根據(jù)模型的輸出結(jié)果和事先設(shè)定的閾值來判斷體溫是否異常，并觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。預(yù)警機(jī)制可以通過聲音、震動、通知消息等方式向用戶發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該能夠記錄和存儲體溫?cái)?shù)據(jù)和預(yù)警信息，以便用戶和醫(yī)療專業(yè)人員進(jìn)行查看和分析，并通過多種方式向用戶發(fā)出預(yù)警，從而幫助人們更好地管理自己的健康狀況。

4 結(jié)論

在現(xiàn)代社會，隨著科技的不斷進(jìn)步，人體位置跟蹤與體溫監(jiān)測功能已經(jīng)成為保障人員安全和預(yù)防疾病的重要手段。本設(shè)計(jì)的人體位置跟蹤與體溫監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)了對人體的精準(zhǔn)定位與體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過加權(quán)自融合算法，提高了異常檢測的準(zhǔn)確性和魯棒性，為健康狀況評估提供了有力支持。同時(shí)，該系統(tǒng)還為用戶提供了直觀、用戶友好的界面和交互功能，使用戶能夠方便地了解自己的健康狀況并獲得及時(shí)的預(yù)警信息。本設(shè)計(jì)的人體位置跟蹤與體溫監(jiān)測功能在保障人員安全、預(yù)防疾病等方面具有顯著的優(yōu)勢和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化算法和界面設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以滿足更多場景下的應(yīng)用需求。