基于物聯(lián)網(wǎng)的病房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

姚 科，李國利，鄒惟清，王昊宇

（金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京211169）

病房的環(huán)境直接影響病人的睡眠質(zhì)量和心理狀態(tài)，間接決定病人的康復速度，對病房環(huán)境的遠程監(jiān)測為管理病房環(huán)境提供很大的便利。研究病房環(huán)境采集、遠程監(jiān)測病房環(huán)境系統(tǒng)具有重要的意義。遠程環(huán)境的監(jiān)測實時體現(xiàn)病房的環(huán)境質(zhì)量。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、交通與物流、能源與公用事業(yè)、零售業(yè)等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)和物理世界的交互節(jié)點，負責信息的采集和簡單處理，與將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層進行數(shù)據(jù)分析和處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過多樣的數(shù)據(jù)采集傳感器，采集所需的信息數(shù)據(jù)，并按照一定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)物與物、物與人之間的連接。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲、計算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬往往有限，采用HTTP協(xié)議作為應(yīng)用層通信協(xié)議存在時效性差、傳輸效率低、功耗大等問題，因此設(shè)計一種可以在硬件性能不佳、網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的病房環(huán)境使用的監(jiān)測系統(tǒng)顯得十分重要。本系統(tǒng)采用輕量級傳輸協(xié)議MQTT消息隊列遙測傳輸協(xié)議作為本項目的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對低帶寬網(wǎng)絡(luò)和低計算能力的設(shè)備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。本文設(shè)計了采集病房環(huán)境參數(shù)并上傳至服務(wù)器，遠程實時監(jiān)測環(huán)境變化方案，并制作實物對需求和目的進行驗證和調(diào)試。

1 系統(tǒng)硬件布局設(shè)計

本文基于ESP8266 WiFi模塊、STM32系列MCU和MQTT協(xié)議設(shè)計了一種環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，環(huán)境采集傳感器由溫濕度傳感器DHT11和光照度傳感器BH1750組成，實現(xiàn)溫濕度和光照度的采集；數(shù)據(jù)處理模塊采用STM32的主控芯片實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的接收、存儲、分析和顯示，將處理完的數(shù)據(jù)以串口的形式發(fā)送給ESP-01物聯(lián)網(wǎng)模塊，由ESP-01將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；阿里云ECS云服務(wù)器平臺作為MQTT消息代理，負責主題訂閱管理、消息轉(zhuǎn)發(fā)和緩沖，實現(xiàn)傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心的信息交互。數(shù)據(jù)上傳模塊與阿里云ECS云服務(wù)器的交互數(shù)據(jù)類型為JSON格式。用戶端通過基于TCP的MQTT協(xié)議訂閱設(shè)備上行數(shù)據(jù)主題獲取數(shù)據(jù)，并下發(fā)命令至服務(wù)器，ESP-01訂閱下行命令主題并接收下行命令，以串口的方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊處理成控制信號用于控制下端設(shè)備。

MQTT通信協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱式的消息協(xié)議。協(xié)議定義了發(fā)布服務(wù)器和客戶端兩個對象，作為整個通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心的發(fā)布服務(wù)器，可以連接多個客戶端。系統(tǒng)硬件布局圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件布局圖

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

1.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設(shè)計

DHT11是一款單總線輸出數(shù)字信號的溫濕度傳感器。其內(nèi)部包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件。DHT11通過單線制串行接口與MCU傳輸信號，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。它體積小、功耗極低、相對溫濕度一體式測量，使其成為該類傳感器在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

GY-302是基于I2C總線通信的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，采集光照強度采用BH1750FVI芯片。BH1750的內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器、ADC采集、晶振等組成。

模塊輸出的電信號是由光敏二極管通過光生伏特效應(yīng)將輸入光信號轉(zhuǎn)換成的，再將電信號通過運算放大器放大，由ADC采集電壓，然后通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成16位二進制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中。進入光窗的光越強，光電流越大，電壓就越大，所以通過電壓的大小就可以判斷光照大小。該光照強度傳感模塊的分辨率高，可以探測較大范圍下細微光強度變化。它通過I2C總線接口通信、輸出對應(yīng)亮度的數(shù)字值、對應(yīng)廣泛的輸入光范圍（相當于1-65535lx）誤差很小，最小誤差變動在±20%、受紅外線影響很小，模塊原理圖如圖3所示。

圖3 GY-302模塊原理圖

1.2 數(shù)據(jù)處理及上傳系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)主控芯片采用STM32系列的嵌入式微控制器對傳感器采集的參數(shù)進行接收、處理、存儲、分析并以串口的形式將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至ESP-01物聯(lián)網(wǎng)模塊。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)包括了外部晶振模塊、復位電路模塊、J-link連接模塊、供電指示模塊等部分。ESP-01集MCU與WIFI于一身，支持I2C總線、支持UART、可支持一個數(shù)字輸入/輸出口，可采用AT指令控制模塊。該模塊核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了超低功耗32位微型MCU。

MCU處理并打包完的數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP-01物聯(lián)網(wǎng)模塊，由ESP-01將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；阿里云ECS云服務(wù)器平臺作為MQTT消息代理，負責主題訂閱管理、消息轉(zhuǎn)發(fā)和緩沖，實現(xiàn)傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心的信息交互。數(shù)據(jù)上傳模塊與阿里云ECS云服務(wù)器的交互數(shù)據(jù)類型為JSON格式。用戶端通過基于TCP的MQTT協(xié)議訂閱設(shè)備上行數(shù)據(jù)主題獲取數(shù)據(jù)，并下發(fā)命令至服務(wù)器，ESP-01訂閱下行命令主題并接收下行命令，以串口的方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊處理成控制信號用以控制下端設(shè)備。數(shù)據(jù)處理及上傳系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理及上傳系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

病房環(huán)境監(jiān)測參數(shù)涉及溫度、濕度和光照度。BH1750光照度傳感器采用I2C通信，負責采集病房的光照度參數(shù)。DHT11模塊采集溫濕度參數(shù)，采用單總線數(shù)據(jù)格式輸出已校驗的數(shù)字信號。MCU把采集到的環(huán)境參數(shù)打包成Cjson數(shù)據(jù)包格式通過串口發(fā)送給WIFI模塊。WIFI模塊把設(shè)備測的數(shù)據(jù)通過TCP的MQTT協(xié)議上傳到服務(wù)器，并訂閱服務(wù)器的下行命令主題以接收服務(wù)器下行命令。為了環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序和上傳數(shù)據(jù)不沖突，在主程序中定義一個變量timeCount作為一個時間間隔變量執(zhí)行計時功能，timeCount時間計時到相應(yīng)的時間節(jié)點觸發(fā)相應(yīng)的程序。主程序執(zhí)行一循環(huán)需25ms并使timeCount增1，設(shè)定當timeCount%40==0執(zhí)行一次環(huán)境參數(shù)采集和異常狀態(tài)鑒定。設(shè)定當++timeCount>=200執(zhí)行環(huán)境參數(shù)上傳參數(shù)清空ESP8266緩存并使timeCount重新計數(shù)。病房環(huán)境監(jiān)測上傳程序流程圖如圖5所示。

圖5 病房環(huán)境監(jiān)測上傳程序流程圖

2.1 DHT11溫濕度讀取程序設(shè)計

定義四個整形指針u8*humiH（濕度高8位數(shù)據(jù)），u8*humiL（濕度低8位數(shù)據(jù)），u8*tempH（溫度高8位數(shù)據(jù)），u8*tempL（溫度低8位數(shù)據(jù)）做溫濕度讀取函數(shù)的形參。定義buf[5]存放環(huán)境參數(shù)四個字節(jié)數(shù)據(jù)和最后一位檢驗位。函數(shù)的開始先復位DHT11并檢測DHT11是否存在。若復位成功并檢測到DHT11的存在，用for循環(huán)函數(shù)循環(huán)5次讀取DHT11發(fā)送過來的5個字節(jié)共40位數(shù)據(jù)。前四字節(jié)位DHT11檢測到的環(huán)境參數(shù)，最后一個字節(jié)為校驗字節(jié)。判斷buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]是否等于buf[4]。如if判斷成立代表數(shù)據(jù)校驗正確，buf[]數(shù)組前四個參數(shù)分別存入程序開始前定義的四個形參，并返回函數(shù)運行狀態(tài)值，完成溫濕度的讀取。

2.2 BH1750環(huán)境光照度讀取程序設(shè)計

BH1750光照度傳感器采用I2C進行通信，主機MCU發(fā)起I2C總線啟動信號，把光照度傳感器地址BH1750_Addr與1進行運算，使BH1750_Addr最低位為1，主機將這8bit數(shù)據(jù)發(fā)送給I2C總線設(shè)備傳感器表明主機接下來進行讀數(shù)據(jù)。

接收到應(yīng)答信號后讀取傳感器發(fā)送的光照度數(shù)據(jù)，主控MCU為I2C總線的主機設(shè)備，由I2C的工作原理可知，每接收到一個字節(jié)從機數(shù)據(jù)需要發(fā)送一個應(yīng)答信號，在收到最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，MCU發(fā)送一個否應(yīng)答信號，BH1750作為從機設(shè)備接收到否應(yīng)答信號，結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送并釋放數(shù)據(jù)線，MCU發(fā)起I2C總線停止信號。

2.3 數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器程序設(shè)計

病房環(huán)境數(shù)據(jù)的上傳采用MQTT協(xié)議。所以需要一個發(fā)布消息的主題（topic），所需要上傳的數(shù)據(jù)就是該主題下的消息內(nèi)容（msg）。

定義一個結(jié)構(gòu)體變量MQTT_PACKET_STRUCTU RE存放協(xié)議數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)長度、緩存總大小和內(nèi)存使用方案作為協(xié)議包。在數(shù)據(jù)發(fā)送前要進行Pulish消息組包，入口參數(shù)包括包名稱、發(fā)布的主題、消息體、消息體長度、重發(fā)次數(shù)、離線消息推送和包指針，并且若組包成功返回值為“0”。消息數(shù)據(jù)發(fā)送前判斷MQTT_PacketPublish（MQTT_PUBLISH_ID，topic，msg，strlen（msg），MQTT_QOS_LEVEL0，0，1，&mqttPacket）是否為0，若成立執(zhí)行向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)ESP8266_SendData（），函數(shù)入口形參為數(shù)據(jù)（data）和長度（len）。

執(zhí)行ESP8266_SendData（）先清空接收緩存，然后執(zhí)行發(fā)送命令函數(shù)ESP8266_SendCmd（）。ESP8266_Se ndCmd（）用來發(fā)送AT指令并檢查返回指令。若返回指令正確，發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)并在結(jié)束后釋放數(shù)據(jù)內(nèi)存。

3 系統(tǒng)調(diào)試與功能實現(xiàn)

首先系統(tǒng)嘗試連接通過串口轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)模塊嘗試連接服務(wù)器并訂閱主題，如圖6所示。

圖6 病房環(huán)境監(jiān)測模塊連接服務(wù)器成功

連接服務(wù)器成功后對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集并進行編碼上傳服務(wù)器，執(zhí)行過程同樣可以在串口調(diào)試助手上輸出，如圖7所示。上側(cè)框里內(nèi)容是將采集的數(shù)據(jù)每5s一次上傳至服務(wù)器相應(yīng)主題中。下側(cè)框里內(nèi)容是每秒一次對環(huán)境參數(shù)進行采集。

圖7 串口調(diào)試助手環(huán)境采集上傳圖

通過板載的OLED顯示屏實時觀測環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)每一秒更新一次，如圖8所示。

圖8 板載OLED觀察環(huán)境數(shù)據(jù)

通過安卓客戶端開發(fā)軟件訂閱服務(wù)器存放環(huán)境參數(shù)的主題，實現(xiàn)安卓客戶端遠程讀取環(huán)境參數(shù)，如圖9所示。

圖9 通過安卓客戶端遠程訂閱環(huán)境

在對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)的穩(wěn)定高效是非常重要的，為了測試通信的穩(wěn)定性，結(jié)合下位機、服務(wù)器數(shù)據(jù)監(jiān)控終端和客戶端進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實驗。本次測試時間持續(xù)7天，每天讓設(shè)備上線60-90min，實時監(jiān)測環(huán)境的采集上傳、服務(wù)器的數(shù)據(jù)狀態(tài)、客戶端的訂閱顯示。數(shù)據(jù)包理論上每15s對環(huán)境采集的數(shù)據(jù)進行打包和上傳，該實驗實際測試結(jié)果如表1所示，每次環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)包傳輸成功時，下位機屏幕顯示環(huán)境參數(shù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)監(jiān)控終端數(shù)據(jù)、手機客戶端顯示界面數(shù)據(jù)均一致，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上傳成功率最低為97.3%，通信網(wǎng)絡(luò)丟包率平均為1.97%，如表1所示。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，連接中斷的次數(shù)與所連接的無線網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，而數(shù)據(jù)包丟失主要與網(wǎng)絡(luò)波動有關(guān)。當WIFI網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，成功的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量接近理論傳輸數(shù)量，通信穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)所需的穩(wěn)定高效通信要求。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸丟包率測試統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文介紹了一款實時遠程監(jiān)測病房環(huán)境溫濕度和光照度系統(tǒng)的硬件布局設(shè)計和軟件程序設(shè)計。通過DHT11溫濕度傳感器和BH1750環(huán)境光照強度傳感器采集病房的環(huán)境參數(shù)并傳送至主控MCU。MCU對接收的數(shù)據(jù)處理，并打包成MQTT協(xié)議包，通過串口發(fā)送至ESPWiFi模塊。ESPWiFi模塊把測得的環(huán)境數(shù)據(jù)通過TCP的MQTT協(xié)議上傳到服務(wù)器?？蛻舳擞嗛喎?wù)器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，成本低、體積小，采用MQTT推送機制，速度快、實時性好，時效性高，適用于硬件性能低下的遠程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明硬件設(shè)計方案可行、采集的環(huán)境參數(shù)準確穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸成功率最低97.3%，平均丟包率1.97%，通信傳輸滿足系統(tǒng)要求，控制算法正確，實現(xiàn)了高效環(huán)境監(jiān)測及遠程控制功能，系統(tǒng)通用性好，具有較好的應(yīng)用前景。