基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一鍵求助和睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉敬 李向陽

關(guān)鍵詞：一鍵幫助；睡眠監(jiān)測；Json；數(shù)據(jù)分析；API

1研究的背景和意義

1.1 總體情況

農(nóng)村居住比較分散，老人和小孩比較多，使用手機(jī)不熟練或者沒有手機(jī)，遇到危險或者需要幫助時很不方便[1]。特別是獨(dú)居老人，雖然鎮(zhèn)村干部可以定期走訪探視，及時幫助解決生活中存在的問題，但老人遇到緊急情況還是無法顧及，如果能在家安裝“一鍵幫助”產(chǎn)品，當(dāng)老人發(fā)生跌倒、突發(fā)疾病或火情等意外時，可以一鍵求助或自動報警，平臺接到報警后第一時間為老人提供緊急救援服務(wù)。

睡眠是人體一個重要的生理過程，根據(jù)世界衛(wèi)生組織研究，全世界人口中有35%的老人患有睡眠障礙，老年人在睡覺中因突發(fā)病死亡的概率也遠(yuǎn)高于正常人[2，3]。本文計劃通過ZigBee技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和云平臺技術(shù)，設(shè)計一款可以監(jiān)測睡眠障礙的系統(tǒng)，系統(tǒng)可以監(jiān)測床鋪上是否有人以及老人的睡眠狀況，如果老人長時間臥床，或者起夜次數(shù)變得頻繁，系統(tǒng)終端會自動預(yù)警，平臺可以派人上門查看。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

本設(shè)計中的數(shù)據(jù)需要在ZigBee 終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、ESP32網(wǎng)關(guān)云和平臺之間交換，系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。其中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)，ZigBee技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

傳感器技術(shù)可以感知周圍環(huán)境或者特殊物質(zhì)，比如氣體感知、光線感知、溫濕度感知、人體感知等，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，給中央處理器處理。Zigbee 技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[4，5]。在物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議中，ESP32網(wǎng)關(guān)和云平臺之間的通信采用Json格式。為了方便，本設(shè)計中，ZigBee終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、ESP32 網(wǎng)關(guān)之間也將使用Json 格式。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計及器件選型

3.1 系統(tǒng)總電路

本系統(tǒng)的硬件連接相對簡單，不是很復(fù)雜，包含壓力傳感器、按鍵、ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器，以及網(wǎng)關(guān)。壓力傳感器通過分壓電路接入ZigBee終端I/O口的P0_5，根據(jù)測量電路的阻抗要求，分壓器后可以加一個運(yùn)算放大器; 按鍵電路的輸出引腳接ZigBee終端的I/O口P0_0；ZigBee協(xié)調(diào)器的UART0接ESP32網(wǎng)關(guān)的UART2，即P0_2（協(xié)調(diào)器）接IO17（網(wǎng)關(guān)），P0_3（協(xié)調(diào)器）接IO16（網(wǎng)關(guān)），系統(tǒng)總電路圖如圖2所示。

3.2 薄膜壓力傳感器

RP-C電阻式壓敏傳感器是電阻值隨著作用于感應(yīng)區(qū)上的壓力增大而減小的柔性薄膜傳感器。壓敏傳感器頂層是柔性薄膜和復(fù)合在上面的壓敏層，底層是柔性薄膜和復(fù)合在上面的導(dǎo)電線路，兩者通過雙面膠貼合以及隔離感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)感應(yīng)區(qū)受壓時，在底層彼此斷開的線路會通過頂層的壓敏層導(dǎo)通，端口的電阻輸出值隨著壓力變化。RP-C電阻式壓敏傳感器可用于本設(shè)計的在床離床監(jiān)測或者睡眠狀態(tài)監(jiān)測，經(jīng)過拓展還可以用于：智能跑鞋，記錄受壓的強(qiáng)度和頻率；智能開關(guān)，設(shè)置力度識別，防止誤操作；計數(shù)器，記錄受壓的次數(shù)；醫(yī)療設(shè)備上檢測人體受壓程度[6，7]。

4 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。它的英文是Wireless SensorNetwork，簡稱WSN。完整的ZigBee協(xié)議棧由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括建立Profile，初始化和編寫應(yīng)用層代碼。本設(shè)計主要完成“一鍵幫助”應(yīng)用層代碼編寫和“睡眠監(jiān)測”無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層代碼編寫。

4.1“一鍵幫助”無線傳感網(wǎng)絡(luò)

按鍵引腳接到ZigBee終端節(jié)點的P0_0上，實驗使用SampleApp.eww工程來進(jìn)行[8]，采用中斷方式檢測按鍵是否按下。需要將默認(rèn)的輪詢方式檢測改為中斷方式檢測，修改HalKeyConfig（）函數(shù)將參數(shù)DIS?ABLE改為ENABLE。另外，還需編寫中斷服務(wù)函數(shù)HAL_ISR_FUNCTION （）函數(shù)，和按鍵處理函數(shù)halPro?cessKeyInterrupt （）函數(shù)。

終端節(jié)點無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給ESP32網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，與接下來的睡眠分析部分類似，這里不再描述。協(xié)調(diào)器發(fā)出的字符串是：”{"De?vice"：60，"Help"：1}”加上回車換行符。

4.2“睡眠監(jiān)測”無線傳感網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)發(fā)生ZDO_STATE_CHANGE（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變）事件時，會添加周期性發(fā)送事件到用戶層（任務(wù)ID=SampleApp_TaskID），事件名SAMPLEAPP_SEND_PE?RIODIC_MSG_EVT，也就是說5秒后，通過OSAL輪詢機(jī)制，將會調(diào)用用戶層事件處理函數(shù)SampleApp_Pro?cessEvent（） 處理SAMPLEAPP_SEND_PERIOD?IC_MSG_EVT 事件。事件處理函數(shù)功能：測量壓力值，調(diào)用點播函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包；再次添加事件；返回未處理的事件。

數(shù)據(jù)包接收事件的處理，仍然在用戶層事件處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent（） 里面，通過Sample?App_MessageMSGCB（ MSGpkt ）將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，并通過串口發(fā)送壓力值給網(wǎng)關(guān)，采用Json格式格式為{"Device"：50，"Pre"：3200}，供網(wǎng)關(guān)解析。

5 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)設(shè)計包括。網(wǎng)關(guān)串口數(shù)據(jù)接收，“一鍵幫助”網(wǎng)關(guān)設(shè)計，“睡眠監(jiān)測”網(wǎng)關(guān)設(shè)計和下發(fā)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計。當(dāng)協(xié)調(diào)器通過串口將無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)會在接收完一個數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解析。下發(fā)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計，主要的工作是在回調(diào)函數(shù)中解析云端下發(fā)命令，然后轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)關(guān)程序?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)即按鍵值，整理成與物模型虛擬調(diào)試時一樣內(nèi)容和主題的消息進(jìn)行上報。網(wǎng)關(guān)上報消息的整理，通過連接符“+”，實際上報的payload為：{"id"：12345“， params”：{"Button1"：1}，"method"："thing.event.property.post"}，與后面云平臺虛擬調(diào)試時觀察的payload的"params"字段完全一致。網(wǎng)關(guān)程序?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)即壓力值，整理成與物模型虛擬調(diào)試時一樣內(nèi)容和主題的消息進(jìn)行上報，與一鍵幫助網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計類似。

6 云臺設(shè)計

云端設(shè)計包括物模型設(shè)計、屬性上報功能、自動下發(fā)命令（reply）功能和手動下發(fā)命令功能，以及圖表展示（設(shè)備數(shù)據(jù)源），數(shù)據(jù)特征提取和數(shù)據(jù)分析制作等環(huán)節(jié)。

6.1“一鍵幫助”云端設(shè)計

“一鍵幫助”云端設(shè)計包括物模型設(shè)計，屬性上報功能，自動下發(fā)命令（reply）功能和手動下發(fā)命令功能。物模型設(shè)計是通過前面的網(wǎng)關(guān)設(shè)計和該云端設(shè)計，實現(xiàn)與傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的打通，實現(xiàn)最終功能。在軟硬件設(shè)計部分，考慮到養(yǎng)老場景需要傳感器節(jié)點長期工作，為了降低功耗，需要改造“一鍵幫助”產(chǎn)品，允許云端下發(fā)關(guān)閉按鈕對應(yīng)的指示燈指令。也就是說，當(dāng)服務(wù)臺發(fā)現(xiàn)老人請求后，通過電話溝通確認(rèn)后進(jìn)入后續(xù)流程包括送飯、保潔、維修、答疑等，Led不再需要通過閃爍提示了，即可云端由接線人員手動下發(fā)關(guān)閉命令。

6.2“睡眠監(jiān)測”云端設(shè)計

睡眠監(jiān)測如采用自動采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大的話，可以通過圖表的形式更好展示，進(jìn)而從數(shù)據(jù)資產(chǎn)中提取出有價值的信息。然后用Web設(shè)計的圖表組件進(jìn)行展示，通過數(shù)據(jù)分析服務(wù)制作自己的數(shù)據(jù)分析接口（API），如圖3所示。在組件中，調(diào)用“數(shù)據(jù)分析服務(wù)”接口，并使用JavaScript語言編程，對接口返回數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，用于展示，比如圖3 中計算出20220322的入睡時間是12時18分。用同樣的方法可以實現(xiàn)計算起床時間、睡眠時長和午睡時間等。

在“健康監(jiān)測”產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中，壓力值每天都會變化，壓力值比較大的時候正好就是在床上睡覺的時候。那么到底是幾點睡覺呢，分析出規(guī)則，然后就可以利用數(shù)據(jù)庫的知識，通過SQL語言編程實現(xiàn)了[9]。通過時間、壓力值等條件過濾，在剩余數(shù)據(jù)中找到一天中最早的一條數(shù)據(jù)，再排序即可實現(xiàn)。找出每天19：00：00后最開始出現(xiàn)壓力值>3000的時間，表示入睡時間。需要用到數(shù)據(jù)過濾和分組聚合：過濾壓力值>3000，時間>19：00：00；聚合，按日期分組取每組的時間最小記錄；倒序排序，方便對自定義接口數(shù)據(jù)解析。

7 實物與系統(tǒng)運(yùn)行

完成軟硬件設(shè)計后，進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，功能正常。圖4是平臺運(yùn)行和系統(tǒng)照片，系統(tǒng)包含ZigBee終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。

8 結(jié)束語

本設(shè)計通過智能床帶采集壓力值，通過數(shù)據(jù)分析提取起床和入睡時間。進(jìn)一步地，考慮到有的老人獨(dú)居養(yǎng)老，生活情況子女無法及時知道，通過場景聯(lián)動和數(shù)據(jù)分析，可以設(shè)計開發(fā)獨(dú)居監(jiān)測系統(tǒng)。老人子女可以通過云平臺查看數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常，平臺也會主動推送預(yù)警信息。設(shè)計方案實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)無感采集、云平臺主動預(yù)警，產(chǎn)品整個工作過程完全不會干擾到老人的生活，也不需要老人操作任何智能設(shè)備。