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)測環(huán)衛(wèi)工人的健康狀況并促進環(huán)衛(wèi)管理工作更加科學化，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，這些參數通過GPRS傳輸至上位機處理和顯示，實現對環(huán)衛(wèi)工人身體狀況的實時監(jiān)測;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;結合GPS實現合理調度。仿真及測試結果表明，系統(tǒng)功耗在0.1 W以下，且有較好的穩(wěn)定性和實時性。相關設計有望對物聯(lián)網時代的智能安全服裝提供技術支持和參考。

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

0 引 言

隨著經濟社會的高質量發(fā)展，環(huán)衛(wèi)工人的健康狀況越來越受到社會的關注。我國環(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]。國內外對于特定人群的健康監(jiān)測方面的研究已經取得一些成效，可用于監(jiān)測特定人群的呼吸、心電、體溫等參數[2]。身體參數的變化能夠及時傳輸到總控中心進行實時處理。隨著智能設備和物聯(lián)網技術的發(fā)展，健康監(jiān)測也逐漸涉及云計算、云服務等新興技術領域[3]。

我國環(huán)衛(wèi)行業(yè)信息化程度低，屬于信息化改造的“價值洼地”[4]。環(huán)衛(wèi)工人日常工作于復雜的交通道路中，危險系數較高，而工作服是普通的反光馬甲，存在諸多安全隱患。環(huán)衛(wèi)管理部門的任務調度和應急指揮能力較弱，難以及時掌控城區(qū)各道路保潔作業(yè)的工作狀態(tài);面對現場緊急情況，難以進行及時有效的工作調度。

針對上述情況，本文設計了一套基于STM32的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)。實現對生理參數、環(huán)境參數的監(jiān)測，通過無線傳輸將采集的生理參數傳送至上位機，對生理參數信號進行處理和顯示[5]，及時調整用戶工作狀態(tài)，保障用戶身體健康。同時還設計有一鍵求助、LED警示等功能，可通過位置共享實現環(huán)衛(wèi)工作的實時調度與智能化管理[6]。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)可分為三個部分，分別為數據采集模塊、控制與交互模塊以及上位機。數據采集模塊、控制與交互模塊構成系統(tǒng)的下位機[1]。系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

（1）數據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，用于測量人體生理參數、環(huán)境參數以及實時定位。

（2）控制與交互模塊由STM32單片機和GPRS無線通信模塊以及0.96寸OLED屏構成，實現系統(tǒng)的總控和下位機與上位機之間的無線通信。

（3）上位機通過中國移動OneNet云平臺對下位機傳輸的生理和環(huán)境參數等進行處理并顯示[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，可在緊急時刻和夜間環(huán)境中保障環(huán)衛(wèi)工人的安全;OLED屏可實時顯示生理及環(huán)境參數;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)運行。系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

下位機以STM32單片機為主控芯片，心率、血氧采集采用MAX30102傳感器，體溫監(jiān)測選用GY-MCU90615傳感器，溫度監(jiān)測選用DHT11傳感器，紫外線測量采用ML8511傳感器。各參數通過SIM800C GPRS模塊傳送至上位機。系統(tǒng)硬件結構如圖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)測功能的生物傳感器模塊MAX30102測量心率和血氧飽和度[7]。實驗表明，不論將傳感器置于手部、耳部還是身體其他部位，都可以精準測得這兩項參數。該傳感器模塊由LED、光電監(jiān)視器和電源構成，通過標準I2C兼容通信接口將采集的數值傳輸給STM32單片機，之后由單片機進行心率、血氧飽和度計算[8]。心率血氧采集電路如圖4所示。

心率測量基于光電容積法，其理論依據為 Beer Lambert Law，即單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時的吸光度A與吸光物質的濃度c、吸收層的厚度d成正比[9]。人體組織在血管血液流動時產生不同的透光率。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量方法的優(yōu)勢在于其可精確測得血管內容積的變化，使用更加廣泛。如圖5所示，發(fā)光光源即本設計中使用的綠光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，該信號經濾波電路、放大電路后輸出模擬信號[9-10]。

2.2 體溫傳感器模塊

測量體溫采用的GY-MCU90615紅外體溫模塊具有體積小、功耗低、非接觸等優(yōu)點，適合人體測溫。其內置的MLX90615單片紅外測溫芯片是一款由Melexis公司設計生產的低成本、非接觸式紅外溫度測量數字傳感器，輸出的數據和物體的溫度呈線性比例關系，有較高的精度和分辨率。憑借MLX90615內部集成的低噪聲放大器、高分辨率16位ADC和功能強大的DSP單元[11]，可以極大地簡化模擬前端電路的設計，無需再增加額外運算放大器及ADC模數轉換器。圖6所示為MLX90615芯片電路。

紅外溫度傳感器通過SMBus協(xié)議與單片機進行數據傳輸。且傳感器模塊通過串口連接至單片機后，單片機可向模塊發(fā)送輸出指令，模塊將持續(xù)輸出體溫數據。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數據。

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)工人工作的室外場所，其模塊內部配有放大器，可根據紫外線強度將光電流轉換為電壓，并輸出與紫外線強度成正比的模擬電壓[12]。之后通過STM32中的A/D轉換器獲得紫外線強度的數字量。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。模塊內置放大電路，有利于無源陶瓷天線快速搜索衛(wèi)星信號。通過串口可對其進行波特率、校驗位、數據位、停止位、精度因子等參數的設置，并可保存參數于E2PROM。模塊自帶的SMA接口可以連接各種有源天線，適應能力強。模塊兼容3.3 V/5 V電平，可以方便地連接單片機系統(tǒng)。圖8所示為U-BLOX NEO-6M模組電路。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由如下兩部分構成：

（1）下位機軟件部分對傳感器采集的各項生理、環(huán)境參數等原始數據進行初步處理，得到符合要求的數據，通過GPRS與上位機平臺進行數據通信。

（2）上位機軟件部分以OneNet移動云端為核心，實現生理參數和環(huán)境參數等數據的接收與處理功能，并將處理結果進行圖像化顯示。

數據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據發(fā)送到單片機，單片機對數據進行初步分析與處理，之后將數據通過GPRS模塊發(fā)送到移動云平臺OneNet。在云端，利用均方誤差算法去除異常數據，之后進行擬合，判斷當前以及之后一段時間內用戶是否處于安全狀態(tài)，及時發(fā)送提示信息，提醒用戶按時休息。同時將數據流進行圖形化展示，便于環(huán)衛(wèi)部門合理調度。系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試主要是為了驗證系統(tǒng)在運行過程中是否可以正常完成預期的全部功能，主要分為硬件調試和軟件調試。

4.1 硬件調試

硬件調試的作用在于監(jiān)測整個數據傳輸流程，即從傳感器采集數據開始，直到發(fā)送至云端，驗證系統(tǒng)是否可以正常實現數據發(fā)送與接收功能，同時確保數據的完整性與一致性。系統(tǒng)由主控模塊、數據采集模塊、顯示模塊、發(fā)送模塊和供電模塊構成。系統(tǒng)上電后，主控單元會對數據采集、顯示和發(fā)送模塊進行初始化操作。初始化完成后，各數據采集（傳感器）模塊開始向主控模塊發(fā)送采集到的數據。同時，用戶還可以通過GPRS模塊和OLED屏幕實現與環(huán)衛(wèi)中心的通信。

4.2 軟件調試

軟件調試主要利用移動云平臺OneNet來接收、分析和顯示數據，并根據數據對環(huán)衛(wèi)工人進行指揮調度。單片機每5 s通過GPRS模塊發(fā)送一次數據，OneNet云端依據MQTT協(xié)議將數據解碼[13]，進一步分析并顯示分析結果，如圖10所示。

根據分析結果，若環(huán)衛(wèi)工人的身體狀況異常，如體溫、心率等參數處于異常狀態(tài)或有異常趨勢時，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間時，系統(tǒng)會自動發(fā)出提示信息，告知用戶當前的身體狀況，提醒用戶及時休息。同時，如果環(huán)衛(wèi)中心需要對環(huán)衛(wèi)工人進行調度，也會發(fā)出調度提示信息。提示信息會被用戶端接收并顯示在0.96寸OLED屏幕上，由此實現根據數據進行調控的功能。

5 結 語

本文針對當前環(huán)衛(wèi)現狀，設計了一套用于環(huán)衛(wèi)行業(yè)的智能環(huán)衛(wèi)工裝系統(tǒng)，實現了用戶端采集數據，環(huán)衛(wèi)中心接收并分析數據，對用戶進行調控的完整過程。可以初步為環(huán)衛(wèi)部門提供一個較為良好的智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)解決方案。但同時該系統(tǒng)也存在不足，目前對數據的分析所采用的算法較為簡單，無法從數據中提取出更多的有用信息，因此未來仍需改進算法，實現更多功能。

參考文獻

[1]李若愚，戎舟，倪珊，等.基于LabVIEW的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)[J].物聯(lián)網技術，2019，9（11）：18-20.

[2]馬碧春.無線傳感器網絡在醫(yī)療行業(yè)的應用展望[J].中國醫(yī)院管理，2006（10）：73-74.

[3]劉丹，何南，劉茂，等 .基于ZigBee技術的老年人遠程保健監(jiān)護系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網技術，2019，9（11）：54-56.

[4]盧鳴.環(huán)衛(wèi)行業(yè)現狀與智能垃圾分類前景分析[J].網絡新媒體技術，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)護設備的研發(fā)[J].機械設計與制造，2009（11）：258-260.

[6]鄒焱飚，謝存禧.基于家庭的遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)進展[J].計算機工程與應用，2005（10）：30-34.

[7]王超.基于STM32的家用監(jiān)護儀系統(tǒng)的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[8]王翔.可穿戴式心率傳感監(jiān)測裝置的研究[D].成都：電子科技大學，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)網技術，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].現代電子技術，2006，29（2）：78-80.

[11]王金海，國海丁，王慧泉，等.互聯(lián)網+下的云健康監(jiān)護系統(tǒng)設計[J].儀器儀表學報，2016，37（S1）： 88-93.

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

[13]孟濬，張賢華，顏文俊.基于智能手機傳感網的室內老年監(jiān)護系統(tǒng)平臺[J].計算機應用研究，2017，34（4）：1084-1088.