基于心率和血氧傳感器的智能安全帽人體體征狀態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 杰，吳有龍，沈 亮，潘星穎，鄭 坤，梁楷博，葉 晴

（1.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.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(lái)，我國(guó)建筑業(yè)得到快速發(fā)展，建造能力持續(xù)增強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、年產(chǎn)值不斷提高，但在建造施工過(guò)程中依然存在著管理粗放、生產(chǎn)方式落后、機(jī)械化程度低、安全事故頻發(fā)等問(wèn)題。因此，在建筑工地這一類高危險(xiǎn)工作場(chǎng)景中，人們對(duì)于安全的重視程度也越來(lái)越高。然而傳統(tǒng)的安全帽僅能抵抗一定程度上對(duì)頭部的打擊，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人體體征狀態(tài)的安全帽還不多。因此，需要將安全帽與體征檢測(cè)聯(lián)系起來(lái)，這樣可以在很大程度上保障施工人員的安全并提高工作效率。

國(guó)內(nèi)有不少關(guān)于安全帽和施工工地智能化的研究，呂躍躍等設(shè)計(jì)了一種基于可穿戴計(jì)算的智慧安全管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)。王慧設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)Faster R-CNN的安全帽檢測(cè)及身份識(shí)別系統(tǒng)。王達(dá)彤研究了面向化工安全生產(chǎn)的安全帽與異物入侵檢測(cè)方法。國(guó)外也有不少相關(guān)研究，如Dharani等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的用于采礦跟蹤的工人安全頭盔系統(tǒng)；Karthiga等設(shè)計(jì)了一種煤礦工人安全頭盔。

為了保護(hù)處于危險(xiǎn)工作環(huán)境下工人的生命安全，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體征狀態(tài)變得格外重要?；谛穆屎脱鮽鞲衅鞯闹悄馨踩比梭w體征狀態(tài)系統(tǒng)，不僅可以具有傳統(tǒng)安全帽抵擋外部沖擊的功能，而且可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體征狀態(tài)，能夠更加有效地守護(hù)人身安全。同時(shí)，在一些特殊環(huán)境下，如高溫、有害氣體等環(huán)境，人體體征監(jiān)測(cè)安全帽可以時(shí)刻檢測(cè)人體體征，在佩戴者失去知覺(jué)時(shí)能夠根據(jù)心率及血氧濃度判斷人體體征狀況，然后通過(guò)4G模塊傳輸信息并及時(shí)發(fā)出報(bào)警，等待監(jiān)管人員收到信息后及時(shí)前往救治。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于血氧心率傳感器的智能安全帽人體體征狀態(tài)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)硬件部分是搭載有傳感器的STM32單片機(jī)，通過(guò)血氧心率傳感器檢測(cè)佩戴者的心率和血氧數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)上，安全帽實(shí)時(shí)將位置信息和心率血氧濃度信息通過(guò)4G通信模塊發(fā)送給服務(wù)器，工作人員可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端查看用戶對(duì)應(yīng)的信息。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，安全帽會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行同步報(bào)警，救援人員收到消息并進(jìn)行救援。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能安全帽由四個(gè)模塊組成：總控模塊，負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的控制以及數(shù)據(jù)處理；血氧模塊，負(fù)責(zé)獲取心率和血氧數(shù)據(jù)并與總控模塊進(jìn)行通信；報(bào)警模塊，負(fù)責(zé)發(fā)出聲音報(bào)警；通信模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)頁(yè)端主要實(shí)現(xiàn)信息顯示功能，將智能安全帽收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合顯示。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 STM32控制板

STM32控制板上電后首先對(duì)4G模塊進(jìn)行初始化處理，通過(guò)串口發(fā)送指令對(duì)4G模塊進(jìn)行初始化，判斷4G模塊初始化成功后進(jìn)行下一步操作；若初始化失敗，則重新進(jìn)行初始化。接著啟動(dòng)血氧心率傳感器，將血氧心率傳感器的相關(guān)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)算法得出心率血氧值，并通過(guò)4G模塊發(fā)送到服務(wù)器并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，之后心率血氧傳感器暫停工作，待到設(shè)定的間隔時(shí)間結(jié)束再繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、上傳。STM32芯片原理如圖2所示。

圖2 STM32芯片原理

2.2 4G通信技術(shù)

4G通信技術(shù)為用戶信息的甄別、傳輸、使用、存儲(chǔ)提供了一系列完整可靠的保障，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速度更加迅速便捷，功能也更趨多樣化；同時(shí)更注重用戶體驗(yàn)，追求個(gè)性化服務(wù)，十分符合本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性的要求。本設(shè)計(jì)采用的4G模塊AIR724UG內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，集成多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能，AIR724功能框圖如圖3所示。

圖3 AIR724功能框圖

2.3 阿里云與MQTT協(xié)議

IoT Studio是阿里云針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景提供的工具，它可覆蓋各物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)核心應(yīng)用場(chǎng)景，為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)服務(wù)提供移動(dòng)可視化開發(fā)、Web可視化開發(fā)、服務(wù)開發(fā)和設(shè)備開發(fā)等。本案例使用基于Web的可視化開發(fā)插件，用戶通過(guò)遠(yuǎn)程輸入地址即可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級(jí)通信協(xié)議，構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，其最大優(yōu)點(diǎn)在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

2.4 心率和血氧傳感器

MAX30102是一個(gè)生物傳感器模塊，具有集成的心率監(jiān)測(cè)儀和脈搏血氧儀。該芯片體積小，可應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)心率和血氧采集。使用標(biāo)準(zhǔn)IC兼容接口，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給STM32并進(jìn)行后續(xù)的心率和血氧計(jì)算。MAX30102的光電二極管接收到的原始光信號(hào)波形可分為兩部分：DC signal和AC signal。通過(guò)計(jì)算AC signal兩個(gè)波峰的時(shí)間就能計(jì)算出心率。

血氧計(jì)算只需要分別算出紅光的交流除以紅光的直流，即ACred/DCred，以及紅外的交流除以紅外的直流分量，即ACired/DCired。然后二者相除得到，如式（1）所示。

最后可以通過(guò)如下擬合公式計(jì)算得到血氧值：

3 功能闡述

3.1 用戶功能

用戶可以通過(guò)登錄網(wǎng)頁(yè)端查看當(dāng)前實(shí)時(shí)心率以及血氧信息。當(dāng)心率以及血氧值超出預(yù)期設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警模塊報(bào)警并給服務(wù)器傳遞相關(guān)信息。

3.2 管理員功能

管理員可以在后臺(tái)設(shè)置心率血氧值的預(yù)定范圍，并對(duì)傳遞到服務(wù)器的報(bào)警信息進(jìn)行處理；同時(shí)還可以設(shè)置心率血氧模塊的工作頻率，減少電量消耗。網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)查看心率血氧信息如圖4所示。

圖4 網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)查看心率血氧信息

4 硬件電路

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。硬件連接方面采取STM32作為主控芯片，通過(guò)串口2連接MAX30102、串口3連接4G通信模塊。報(bào)警模塊在檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常后發(fā)出報(bào)警。

圖5 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

STM32單片機(jī)供電后先進(jìn)行初始化操作，將4G通信模塊以及MAX30102心率血氧模塊進(jìn)行初始化；初始化結(jié)束后，系統(tǒng)開始正常工作，將心率血氧模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G通信模塊發(fā)送到阿里云平臺(tái)。硬件實(shí)物連接如圖6所示，智能安全帽實(shí)物如圖7所示。

圖6 硬件實(shí)物連接圖

圖7 智能安全帽實(shí)物圖

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)安全帽市場(chǎng)中占據(jù)大多市場(chǎng)份額的依舊是傳統(tǒng)的安全帽，然而傳統(tǒng)的安全帽僅能在一定程度上抵抗對(duì)頭部的打擊。本文設(shè)計(jì)的安全帽可以在傳統(tǒng)安全帽功能的基礎(chǔ)上，對(duì)佩戴人員進(jìn)行心率和血氧濃度的測(cè)定，并且可以在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)時(shí)顯示佩戴者的生命體征狀況，在更大范圍上守護(hù)佩戴人員的安全，做到安全防護(hù)、及時(shí)救護(hù)。