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?gòu)V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(dòng)機(jī)：

隨著全球范圍內(nèi)疫情的爆發(fā)，對(duì)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(duì)體溫監(jiān)測(cè)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(cè)能力有限等問(wèn)題，因此需要新型家居安全系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)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(cè)、入侵偵測(cè)等，因此對(duì)于研究新型家居安全系統(tǒng)的體溫監(jiān)測(cè)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(cè)功能，而且還可以提供更廣泛的安全保障。除了對(duì)體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)功能，并將其應(yīng)用于家庭生活中。通過(guò)研究，可以為家庭提供一種便捷、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測(cè)方案，為疫情防控和健康管理提供安全可靠的支持。

通過(guò)將體溫監(jiān)測(cè)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(guò)設(shè)計(jì)新型家居安全系統(tǒng)中的體溫監(jiān)測(cè)功能，為家庭提供便捷、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測(cè)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(lái)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(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試及穩(wěn)定性驗(yàn)證。研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和用戶反饋，以驗(yàn)證體溫監(jiān)測(cè)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(chǎng)地以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了多組對(duì)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(guò)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(cè)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域

體溫監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]是用于測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域：

無(wú)接觸紅外測(cè)溫技術(shù)：無(wú)接觸紅外測(cè)溫技術(shù)是通過(guò)紅外線傳感器測(cè)量人體的體表溫度，無(wú)需直接接觸人體。這種技術(shù)在公共場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、車站等人流密集場(chǎng)所的體溫篩查中得到廣泛應(yīng)用。它具有測(cè)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(cè)。

體溫監(jiān)測(cè)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(cè)是常規(guī)的生命體征監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)是早期發(fā)現(xiàn)疫情傳播的重要手段，被廣泛用于機(jī)場(chǎng)、車站、學(xué)校等公共場(chǎng)所的體溫篩查。

1.2 目前已有的家庭體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

家庭體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指用于在家庭環(huán)境下實(shí)現(xiàn)體溫監(jiān)測(cè)和健康評(píng)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(cè)系統(tǒng)的研究。以下是幾個(gè)目前已有的研究方向：

無(wú)接觸紅外測(cè)溫技術(shù)結(jié)合智能家居系統(tǒng)：一些研究嘗試將無(wú)接觸紅外測(cè)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(cè)。通過(guò)在家中不同位置設(shè)置紅外傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)平臺(tái)[1]：另外一些研究著眼于開發(fā)全面的家庭體溫監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)整合多種體溫監(jiān)測(cè)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(tái)可以接收來(lái)自多樣化的體溫監(jiān)測(cè)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(guò)平臺(tái)查看個(gè)體的體溫趨勢(shì)、健康評(píng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到體溫異常，發(fā)出警報(bào)和提示信號(hào)。

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

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

⑥安裝有測(cè)溫模塊的人體位置跟蹤模塊：確保測(cè)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(guò)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(dòng)橫向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，橫向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)架左右移動(dòng)，同時(shí)滑塊位于滑動(dòng)架上的最高位置，當(dāng)橫移電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)架移動(dòng)時(shí)，激光測(cè)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(dòng)縱向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)滑塊向下移動(dòng)一段距離（10cm），然后橫移電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)架反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)感應(yīng)距離信息仍不變時(shí)，重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)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(cè)距傳感器的測(cè)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(guò)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(dòng)門型架橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)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(duì)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(guò)對(duì)兩個(gè)熱電堆傳感器采集的溫度值進(jìn)行收集比對(duì)，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(cè)功能的應(yīng)用場(chǎng)景與算法設(shè)計(jì)

3.1 溫度異常檢測(cè)算法選擇與邏輯設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控與異常檢測(cè)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(cè)算法往往難以應(yīng)對(duì)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(guò)結(jié)合多個(gè)子算法的優(yōu)勢(shì)，顯著提高了溫度異常檢測(cè)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(guò)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(cè)算法的方法，通過(guò)對(duì)每個(gè)算法的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，提高異常檢測(cè)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(cè)算法設(shè)計(jì)框架：

①數(shù)據(jù)預(yù)處理：從測(cè)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(guò)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?？梢圆捎煤?jiǎn)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)熱敏感子算法的權(quán)重，而在低溫環(huán)境中，則可以增加對(duì)冷敏感子算法的權(quán)重。這樣，算法能夠在不同場(chǎng)景下都能保持較高的檢測(cè)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(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)。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(guò)調(diào)整權(quán)重分配策略，進(jìn)一步優(yōu)化了溫度異常檢測(cè)的性能。

3.2 基于體溫?cái)?shù)據(jù)的健康狀況評(píng)估與預(yù)警

基于體溫?cái)?shù)據(jù)的健康狀況評(píng)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(píng)估與預(yù)警，首先需要采集可靠的體溫?cái)?shù)據(jù)?？梢允褂皿w溫傳感器或智能穿戴設(shè)備等硬件設(shè)備來(lái)收集體溫?cái)?shù)據(jù)。這些設(shè)備可以通過(guò)藍(lán)牙或其他無(wú)線通信方式與移動(dòng)設(shè)備或云平臺(tái)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(guò)濾波算法[5]（如均值濾波或中值濾波）來(lái)實(shí)現(xiàn)。平滑處理可以通過(guò)加權(quán)平均或指數(shù)平滑等技術(shù)來(lái)減小體溫?cái)?shù)據(jù)的波動(dòng)。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(lái)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(guò)聲音、震動(dòng)、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(chǔ)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(guò)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(huì)，隨著科技的不斷進(jìn)步，人體位置跟蹤與體溫監(jiān)測(cè)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(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體的精準(zhǔn)定位與體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)加權(quán)自融合算法，提高了異常檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性，為健康狀況評(píng)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(cè)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(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)，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(chǎng)景下的應(yīng)用需求。