基于STM32的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)的研制

徐江坤 王儀昭 魏吉平

摘 要：為了監(jiān)測(cè)環(huán)衛(wèi)工人的健康狀況并促進(jìn)環(huán)衛(wèi)管理工作更加科學(xué)化，研制了一種基于STM32的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)。系統(tǒng)通過硬件模塊采集心率、血氧、體溫、溫濕度和紫外線等生理及環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)通過GPRS傳輸至上位機(jī)處理和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)衛(wèi)工人身體狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);系統(tǒng)集成了LED警示燈和一鍵求助按鈕，以保障環(huán)衛(wèi)工人的作業(yè)安全;結(jié)合GPS實(shí)現(xiàn)合理調(diào)度。仿真及測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)功耗在0.1 W以下，且有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。相關(guān)設(shè)計(jì)有望對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的智能安全服裝提供技術(shù)支持和參考。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測(cè);STM32;GPRS;生理參數(shù);環(huán)衛(wèi)工裝;傳感器

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展，環(huán)衛(wèi)工人的健康狀況越來越受到社會(huì)的關(guān)注。我國(guó)環(huán)衛(wèi)工人以中老年人居多，該人群患高血壓、高血脂等慢性疾病的比例較大[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于特定人群的健康監(jiān)測(cè)方面的研究已經(jīng)取得一些成效，可用于監(jiān)測(cè)特定人群的呼吸、心電、體溫等參數(shù)[2]。身體參數(shù)的變化能夠及時(shí)傳輸?shù)娇偪刂行倪M(jìn)行實(shí)時(shí)處理。隨著智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)也逐漸涉及云計(jì)算、云服務(wù)等新興技術(shù)領(lǐng)域[3]。

我國(guó)環(huán)衛(wèi)行業(yè)信息化程度低，屬于信息化改造的“價(jià)值洼地”[4]。環(huán)衛(wèi)工人日常工作于復(fù)雜的交通道路中，危險(xiǎn)系數(shù)較高，而工作服是普通的反光馬甲，存在諸多安全隱患。環(huán)衛(wèi)管理部門的任務(wù)調(diào)度和應(yīng)急指揮能力較弱，難以及時(shí)掌控城區(qū)各道路保潔作業(yè)的工作狀態(tài);面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)緊急情況，難以進(jìn)行及時(shí)有效的工作調(diào)度。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過無線傳輸將采集的生理參數(shù)傳送至上位機(jī)，對(duì)生理參數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示[5]，及時(shí)調(diào)整用戶工作狀態(tài)，保障用戶身體健康。同時(shí)還設(shè)計(jì)有一鍵求助、LED警示等功能，可通過位置共享實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)工作的實(shí)時(shí)調(diào)度與智能化管理[6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)可分為三個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、控制與交互模塊以及上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊、控制與交互模塊構(gòu)成系統(tǒng)的下位機(jī)[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊由心率傳感器、血氧濃度傳感器、體溫傳感器、紫外線傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器及GPS模塊組成，用于測(cè)量人體生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及實(shí)時(shí)定位。

（2）控制與交互模塊由STM32單片機(jī)和GPRS無線通信模塊以及0.96寸OLED屏構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總控和下位機(jī)與上位機(jī)之間的無線通信。

（3）上位機(jī)通過中國(guó)移動(dòng)OneNet云平臺(tái)對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)纳砗铜h(huán)境參數(shù)等進(jìn)行處理并顯示[1]。

此外，控制與交互模塊還集成了一鍵求助按鈕和LED警示燈，可在緊急時(shí)刻和夜間環(huán)境中保障環(huán)衛(wèi)工人的安全;OLED屏可實(shí)時(shí)顯示生理及環(huán)境參數(shù);供電系統(tǒng)采用太陽能電池和鋰電池兩種供電模式，以保證系統(tǒng)在室外作業(yè)環(huán)境下可持續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)以STM32單片機(jī)為主控芯片，心率、血氧采集采用MAX30102傳感器，體溫監(jiān)測(cè)選用GY-MCU90615傳感器，溫度監(jiān)測(cè)選用DHT11傳感器，紫外線測(cè)量采用ML8511傳感器。各參數(shù)通過SIM800C GPRS模塊傳送至上位機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 心率血氧傳感器模塊

采用集成有血氧和心率監(jiān)測(cè)功能的生物傳感器模塊MAX30102測(cè)量心率和血氧飽和度[7]。實(shí)驗(yàn)表明，不論將傳感器置于手部、耳部還是身體其他部位，都可以精準(zhǔn)測(cè)得這兩項(xiàng)參數(shù)。該傳感器模塊由LED、光電監(jiān)視器和電源構(gòu)成，通過標(biāo)準(zhǔn)I2C兼容通信接口將采集的數(shù)值傳輸給STM32單片機(jī)，之后由單片機(jī)進(jìn)行心率、血氧飽和度計(jì)算[8]。心率血氧采集電路如圖4所示。

心率測(cè)量基于光電容積法，其理論依據(jù)為 Beer Lambert Law，即單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)的吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c、吸收層的厚度d成正比[9]。人體組織在血管血液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同的透光率。從光源發(fā)出的光除被人體組織吸收外，一部分經(jīng)血液漫反射返回，其余部分透射出來。因此，光電式脈搏傳感器按照光接收方式不同可分為反射式和透射式兩種。反射式光電容積脈搏法相比透射式測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)在于其可精確測(cè)得血管內(nèi)容積的變化，使用更加廣泛。如圖5所示，發(fā)光光源即本設(shè)計(jì)中使用的綠光LED，發(fā)出的光到皮膚表層，然后光接收器接收血液漫反射的光信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波電路、放大電路后輸出模擬信號(hào)[9-10]。

2.2 體溫傳感器模塊

測(cè)量體溫采用的GY-MCU90615紅外體溫模塊具有體積小、功耗低、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，適合人體測(cè)溫。其內(nèi)置的MLX90615單片紅外測(cè)溫芯片是一款由Melexis公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低成本、非接觸式紅外溫度測(cè)量數(shù)字傳感器，輸出的數(shù)據(jù)和物體的溫度呈線性比例關(guān)系，有較高的精度和分辨率。憑借MLX90615內(nèi)部集成的低噪聲放大器、高分辨率16位ADC和功能強(qiáng)大的DSP單元[11]，可以極大地簡(jiǎn)化模擬前端電路的設(shè)計(jì)，無需再增加額外運(yùn)算放大器及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖6所示為MLX90615芯片電路。

紅外溫度傳感器通過SMBus協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。且傳感器模塊通過串口連接至單片機(jī)后，單片機(jī)可向模塊發(fā)送輸出指令，模塊將持續(xù)輸出體溫?cái)?shù)據(jù)。還可以通過查詢輸出方式發(fā)送特定指令給模塊，每發(fā)送一次指令，模塊將返回一次體溫?cái)?shù)據(jù)。

2.3 紫外線傳感器模塊

系統(tǒng)集成的ML8511紫外線傳感器適合環(huán)衛(wèi)工人工作的室外場(chǎng)所，其模塊內(nèi)部配有放大器，可根據(jù)紫外線強(qiáng)度將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，并輸出與紫外線強(qiáng)度成正比的模擬電壓[12]。之后通過STM32中的A/D轉(zhuǎn)換器獲得紫外線強(qiáng)度的數(shù)字量。圖7所示為ML8511芯片電路。

2.4 GPS模塊

GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，體積小巧，性能優(yōu)異。模塊內(nèi)置放大電路，有利于無源陶瓷天線快速搜索衛(wèi)星信號(hào)。通過串口可對(duì)其進(jìn)行波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位、精度因子等參數(shù)的設(shè)置，并可保存參數(shù)于E2PROM。模塊自帶的SMA接口可以連接各種有源天線，適應(yīng)能力強(qiáng)。模塊兼容3.3 V/5 V電平，可以方便地連接單片機(jī)系統(tǒng)。圖8所示為U-BLOX NEO-6M模組電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由如下兩部分構(gòu)成：

（1）下位機(jī)軟件部分對(duì)傳感器采集的各項(xiàng)生理、環(huán)境參數(shù)等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，得到符合要求的數(shù)據(jù)，通過GPRS與上位機(jī)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（2）上位機(jī)軟件部分以O(shè)neNet移動(dòng)云端為核心，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的接收與處理功能，并將處理結(jié)果進(jìn)行圖像化顯示。

數(shù)據(jù)采集部分由溫濕度傳感器、心率與血氧濃度傳感器、體溫傳感器、紫外線傳感器模塊組成。上述模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析與處理，之后將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到移動(dòng)云平臺(tái)OneNet。在云端，利用均方誤差算法去除異常數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行擬合，判斷當(dāng)前以及之后一段時(shí)間內(nèi)用戶是否處于安全狀態(tài)，及時(shí)發(fā)送提示信息，提醒用戶按時(shí)休息。同時(shí)將數(shù)據(jù)流進(jìn)行圖形化展示，便于環(huán)衛(wèi)部門合理調(diào)度。系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要是為了驗(yàn)證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是否可以正常完成預(yù)期的全部功能，主要分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。

4.1 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試的作用在于監(jiān)測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程，即從傳感器采集數(shù)據(jù)開始，直到發(fā)送至云端，驗(yàn)證系統(tǒng)是否可以正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的完整性與一致性。系統(tǒng)由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、發(fā)送模塊和供電模塊構(gòu)成。系統(tǒng)上電后，主控單元會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集、顯示和發(fā)送模塊進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，各數(shù)據(jù)采集（傳感器）模塊開始向主控模塊發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，用戶還可以通過GPRS模塊和OLED屏幕實(shí)現(xiàn)與環(huán)衛(wèi)中心的通信。

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要利用移動(dòng)云平臺(tái)OneNet來接收、分析和顯示數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行指揮調(diào)度。單片機(jī)每5 s通過GPRS模塊發(fā)送一次數(shù)據(jù)，OneNet云端依據(jù)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)解碼[13]，進(jìn)一步分析并顯示分析結(jié)果，如圖10所示。

根據(jù)分析結(jié)果，若環(huán)衛(wèi)工人的身體狀況異常，如體溫、心率等參數(shù)處于異常狀態(tài)或有異常趨勢(shì)時(shí)，抑或工作環(huán)境狀況不利，用戶已在環(huán)境比較惡劣（如高溫）的情況下工作一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出提示信息，告知用戶當(dāng)前的身體狀況，提醒用戶及時(shí)休息。同時(shí)，如果環(huán)衛(wèi)中心需要對(duì)環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行調(diào)度，也會(huì)發(fā)出調(diào)度提示信息。提示信息會(huì)被用戶端接收并顯示在0.96寸OLED屏幕上，由此實(shí)現(xiàn)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控的功能。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)當(dāng)前環(huán)衛(wèi)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套用于環(huán)衛(wèi)行業(yè)的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶端采集數(shù)據(jù)，環(huán)衛(wèi)中心接收并分析數(shù)據(jù)，對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)控的完整過程。可以初步為環(huán)衛(wèi)部門提供一個(gè)較為良好的智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)解決方案。但同時(shí)該系統(tǒng)也存在不足，目前對(duì)數(shù)據(jù)的分析所采用的算法較為簡(jiǎn)單，無法從數(shù)據(jù)中提取出更多的有用信息，因此未來仍需改進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)更多功能。

參考文獻(xiàn)

[1]李若愚，戎舟，倪珊，等.基于LabVIEW的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（11）：18-20.

[2]馬碧春.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用展望[J].中國(guó)醫(yī)院管理，2006（10）：73-74.

[3]劉丹，何南，劉茂，等 .基于ZigBee技術(shù)的老年人遠(yuǎn)程保健監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（11）：54-56.

[4]盧鳴.環(huán)衛(wèi)行業(yè)現(xiàn)狀與智能垃圾分類前景分析[J].網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2019，9（1）：9-17.

[5]劉春，翟敬梅，徐曉，等.基于嵌入式的智能健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的研發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（11）：258-260.

[6]鄒焱飚，謝存禧.基于家庭的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（10）：30-34.

[7]王超.基于STM32的家用監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[8]王翔.可穿戴式心率傳感監(jiān)測(cè)裝置的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[9]王立剛.基于STM32的智能心電采集和傳輸系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（11）：36-38.

[10]戴君偉，王博亮.光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（2）：78-80.

[11]王金海，國(guó)海丁，王慧泉，等.互聯(lián)網(wǎng)+下的云健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37（S1）： 88-93.

[12]吳慧，行鴻彥，吳紅軍，等.基于物聯(lián)網(wǎng)模式的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)[J].電子器件，2019，42（4）：1056-1062.

[13]孟濬，張賢華，顏文俊.基于智能手機(jī)傳感網(wǎng)的室內(nèi)老年監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2017，34（4）：1084-1088.