張雨潔，殷婷婷，陳威健，陸怡成，陶佳雯，王瑩瑩

（金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，人們可以便捷地穿梭于世界各地，其中外勤人員是頻繁往來于社會(huì)各地的人員。他們的廣泛流動(dòng)，可能引發(fā)一系列的公共安全問題，一旦有外勤人員在不知情的情況下感染極具危險(xiǎn)性的病毒，他們的流動(dòng)會(huì)致使病毒急速擴(kuò)散，如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制，病毒就會(huì)蔓延至全世界。

隨著傳感器、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用變得越來越廣泛，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的重要生命體征，改善用戶的健康管理方式、提高居民的生活質(zhì)量。文獻(xiàn)[5-6]構(gòu)建的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輔之多傳感器智能分配技術(shù)，可以在保證數(shù)據(jù)精度的前提下，同時(shí)對(duì)心率、血氧等體征數(shù)據(jù)和地理位置信息進(jìn)行采集；為解決傳統(tǒng)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)量小且難以分析復(fù)雜數(shù)據(jù)的問題，文獻(xiàn)[7-8]設(shè)計(jì)使用WiFi將監(jiān)測(cè)的心率、血氧等數(shù)據(jù)上傳至云端并進(jìn)行精確分析；文獻(xiàn)[9]對(duì)北斗三號(hào)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究，能夠獲得地理位置數(shù)據(jù)。在通信網(wǎng)絡(luò)上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)的重要感知技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，使數(shù)據(jù)傳輸更加迅速、準(zhǔn)確，給社會(huì)帶來了很大的便利。

本文設(shè)計(jì)了一種將GPS/北斗雙模定位技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的外勤人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能終端設(shè)備和云服務(wù)器組成，系統(tǒng)能為外勤工作人員提供各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)及位置信息，并將信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控端，通過可視化界面顯示出來。管理人員可以做到時(shí)刻查看外勤人員體征數(shù)據(jù)和位置，在外勤工作人員生命體征出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行篩查與隔離，在保障外勤工作人員健康安全的同時(shí)維護(hù)了社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要利用微處理器接收各項(xiàng)傳感器模塊所采集到的人體體征數(shù)據(jù)和定位信息，利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器，具體流程如圖1所示。設(shè)計(jì)包含有傳感器技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云服務(wù)器技術(shù)，通過傳感器和衛(wèi)星定位模塊采集溫度、心率、血氧、位置、速度等信息并交由嵌入式設(shè)備處理，嵌入式設(shè)備利用無線通信方式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給云服務(wù)器集中處理并顯示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)由硬件模塊和軟件模塊組成。在供電電壓保持穩(wěn)定的情況下，溫度模塊、心率模塊、血氧模塊、北斗模塊采集數(shù)據(jù)，通過傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)接收處理。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)不在指定閾值范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出警示；然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過WiFi模塊上傳至阿里云進(jìn)行處理解析并集中展示。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，阿里云也會(huì)發(fā)報(bào)警提示，便于管理人員查看并做出相應(yīng)處理措施。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳感器模塊采集數(shù)據(jù)、微處理器集中處理、無線通信模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送的功能，本設(shè)計(jì)構(gòu)建了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理和發(fā)送的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有體征數(shù)據(jù)采集模塊、位置定位模塊、主控芯片模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊，分別實(shí)現(xiàn)體征數(shù)據(jù)采集、位置信息采集、數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)打包發(fā)送和能量供應(yīng)的功能。具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)流程

2.1.1 STM32芯片

目前市面上廣泛應(yīng)用的處理器芯片主要有ARM、FPGA、DSP等，其中ARM 處理器體積小、功耗低、應(yīng)用范圍較廣。ST公司推出了一系列STM32產(chǎn)品，其中F1系列產(chǎn)品擁有豐富的外設(shè)和便捷的開發(fā)環(huán)境，優(yōu)化了功耗并減少了成本。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)所需要的定位模塊、體征監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的選型，設(shè)計(jì)至少需要3個(gè)USART、1個(gè)ADC、1個(gè)IC和4個(gè)電源供應(yīng)接口。因此本次設(shè)計(jì)可以使用意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款低功耗多功能的微處理器STM32F103。STM32F103芯片擁有基于ARM框架下的高性能“Cortex-M3”內(nèi)核，其最大時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，擁有512 KB FLASH和64 KB SRAM，內(nèi)部芯片支持2.0～3.6 V的電源供電；同時(shí)，它具有三種低功耗模式：待機(jī)、停止和休眠。定時(shí)器方面包含4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器。通信方式包括5個(gè)UART、2個(gè)SPI、2個(gè)IC、3個(gè)ADC、1個(gè)USB、1個(gè)CAN通信、1個(gè)SDIO，支持串口調(diào)試模式和JTAC調(diào)試模式。下面介紹STM32芯片的基本信息、特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，如圖4所示。

圖4 STM32F103芯片的優(yōu)點(diǎn)

2.1.2 GPS/北斗定位模塊

本次設(shè)計(jì)使用的是杭州中科微電子有限公司制造的位置定位模塊ATGM3320D，如圖5所示。這是一款高精度、高靈敏度的GPS/北斗雙模塊定位設(shè)備。ATGM3320D擁有32個(gè)通道，可以接收到大多數(shù)的GPS或北斗衛(wèi)星信號(hào)。適用于手持終端、車輛導(dǎo)航與定位、可穿戴設(shè)備、嵌入式定位設(shè)備等，ATGM3320D引腳定義和封裝與STM32基本兼容。

圖5 衛(wèi)星定位模塊的選型

2.1.3 溫度傳感器模塊

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部包含一個(gè)濕度感知模塊和一個(gè)測(cè)溫模塊，如圖6所示。DHT11傳感器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

圖6 溫度傳感器模塊選型

2.1.4 心率和血氧傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用MAX30102來測(cè)量心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)，MAX30102是一款具有脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)功能的心率血氧監(jiān)測(cè)模塊，如圖7（a）所示。它內(nèi)部包括紅光LED、紅外檢測(cè)器、光學(xué)元件和環(huán)境光抑制的電子元件等，內(nèi)部電路如圖7（b）所示。

圖7 心率和血氧傳感器選型

2.1.5 無線通信模塊

本次設(shè)計(jì)使用ESP8266作為WiFi模塊，如圖8（a）所示，它是一款低功耗低成本的WiFi芯片。ESP8266主要包含三種工作模式：“STA”“AP”“STA+AP”模式。在“STA”模式下，該模塊可以通過路由器訪問網(wǎng)絡(luò)；“AP”模式是將該模塊作為熱點(diǎn)與其他設(shè)備進(jìn)行無線通信，建立無線局域網(wǎng)；“STA+AP”模式是將兩者相結(jié)合，既可以訪問網(wǎng)絡(luò)，又可以進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)控制。ESP8266內(nèi)置32位的MCU，支持80 MHz和160 MHz的主頻，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，支持多種Socket AT指令。ESP8266內(nèi)部電路如圖8（b）所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸模塊選型

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程須將多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理操作，對(duì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、閾值判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。數(shù)據(jù)處理主要流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 ARM部分軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)需要利用心率模塊、血氧模塊、溫度模塊、經(jīng)緯度模塊等進(jìn)行采集。STM32F103對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，解析經(jīng)緯度模塊采集到的位置信息，對(duì)超出閾值的體征數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，閾值判斷流程如圖10所示。

圖10 閾值判斷流程

2.2.2 阿里云平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)

設(shè)備通過無線通信的方式將各項(xiàng)數(shù)據(jù)融合發(fā)送給阿里云服務(wù)器，傳輸過程中設(shè)備端和服務(wù)端都必需遵循相應(yīng)的通信協(xié)議。通過分析比較，本次設(shè)計(jì)選擇了基于TCP/IP的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）。

利用阿里云服務(wù)器建立可視化頁面和進(jìn)行后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理。在可視化頁面，使用阿里云服務(wù)器提供的地圖組件和卡片組件，其中地圖組件用于記錄和顯示設(shè)備的位置信息，卡片組件用于綁定和顯示體征數(shù)據(jù)源，如圖11所示。數(shù)據(jù)處理部分利用阿里云數(shù)據(jù)庫，根據(jù)設(shè)備上傳的屬性值進(jìn)行物模型的定義，使用實(shí)體的屬性來實(shí)現(xiàn)物模型產(chǎn)品功能的定義。當(dāng)數(shù)據(jù)由終端設(shè)備發(fā)送到阿里云時(shí)，阿里云會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解析，并通過物模型接收。

圖11 可視化頁面

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

外勤人員和管理者可通過訪問阿里云平臺(tái)，查看佩戴設(shè)備的外勤人員的實(shí)時(shí)位置信息，頁面右側(cè)設(shè)置四個(gè)信息卡片，分別顯示外勤人員當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度、溫度、心率和血氧飽和度。當(dāng)溫度超過37.3 ℃、心率小于53次/min、血氧飽和度小于90%或大于98%時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信息卡狀態(tài)變?yōu)榫鏍顟B(tài)，設(shè)備發(fā)出警報(bào)。

如圖12所示，當(dāng)外勤人員處在相對(duì)靜止的狀態(tài)下，可通過網(wǎng)頁查看當(dāng)前位置信息和各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)。當(dāng)被采集的數(shù)據(jù)超出或低于所設(shè)定的閾值時(shí)，信息卡片會(huì)從正常狀態(tài)變?yōu)榫鏍顟B(tài)，設(shè)備發(fā)出警告。

圖12 靜止?fàn)顟B(tài)

如圖13所示，當(dāng)外勤人員處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，網(wǎng)頁顯示的位置點(diǎn)會(huì)隨外勤人員的運(yùn)動(dòng)而改變，信息卡片實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)速度變化情況和各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時(shí)信息卡狀態(tài)改變，設(shè)備發(fā)出警報(bào)。

圖13 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

如圖14所示，設(shè)備獲取的位置信息每隔幾秒在地圖上進(jìn)行更新，所經(jīng)過的位置通過一系列密集的點(diǎn)近似形成一條運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖14 運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的外勤人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)。文中提出了外勤人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件總體設(shè)計(jì)方案，硬件方面設(shè)計(jì)了可穿戴設(shè)備的單片機(jī)STM32F103系統(tǒng)及GPS/北斗雙模定位模塊、WiFi無線通信模塊、各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊。軟件方面設(shè)計(jì)了對(duì)微處理器接收到的各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)和位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，數(shù)據(jù)被阿里云服務(wù)器接收并集中處理，數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化可被實(shí)時(shí)記錄顯示，此外數(shù)據(jù)可通過阿里云平臺(tái)的Web可視化界面顯示到網(wǎng)頁上。對(duì)組件進(jìn)行設(shè)備綁定并配置數(shù)據(jù)源，外勤人員可以實(shí)時(shí)查看體征數(shù)據(jù)和位置信息，一旦用戶體征異常，會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，盡可能降低危害性。本文所設(shè)計(jì)的基于STM32的外勤人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的位置信息和體征數(shù)據(jù)，對(duì)于公共衛(wèi)生安全及個(gè)人身體健康都具有一定的社會(huì)意義和工程價(jià)值。