應對重大突發公共危機預警的藍牙手環設計

于恒　朱杰

摘? 要：公共危機預警是處理重大突發公共危機的關鍵環節，及時準確地獲取預警信息可在一定程度上減少損失抑或避免危機的發生。在對部分地區進行預警調查后，基于實際情況以及功能、價格等方面的綜合考慮，決定采用藍牙（Bluetooth）技術設計一款能夠監測體溫、距離，并能夠儲存信息的藍牙手環，在災害高發地區及需要管控的高危地區給群眾佩戴警報器手環，統一發布緊急信息，并以疫情為例闡述本設計應對突發公共危機的對策。

關鍵詞：危機預警;藍牙;GPRS

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0181-05

Design of Bluetooth Bracelet for Early Warning of Major Sudden Public Crisis

YU Heng， ZHU Jie

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： Public crisis early warning is the key link to deal with major sudden public crises. Timely and accurate access to early warning information can reduce losses or avoid crises to a certain extent. After early warning investigation to some areas， based on the actual situation， after the comprehensive consideration of function， price and other aspects， it is decided to use Bluetooth technology to design a Bluetooth bracelet that can monitor body temperature and distance and store information， provide alarm bracelets for people in disaster prone areas and high-risk areas requiring control， uniformly release emergency information， and take the epidemic situation as an example to illustrate the countermeasures of this design to deal with sudden public crisis.

Keywords： crisis early warning; bluetooth; GPRS

0? 引? 言

近年來出現的突發公共危機層出不窮，2019年12月新型冠狀病毒襲擊中國，截止到2021年9月，全世界因新冠疫情死亡人數已達五百萬人。災害不僅給人的生命及財產安全造成了重大損失，也暴露了在公共危機預警上的不足。因此，建立起公共危機預警系統并采取合理的措施迫在眉睫。

在信息網絡全覆蓋的背景下，通過藍牙手環的預警形式也為處理突發公共危機提供了可行的方案。在自然災害高發地區及人員密集區域佩戴智能可穿戴的設備，以設備為載體，通過藍牙信號檢測相互之間的距離，可防止人員之間近距離接觸導致的交叉傳播，也可以通過終端發送預警信息，提前做好準備。

1? 選擇依據

本文基于實際情況及功能、價格等方面進行綜合考慮。目前，市場可購買的手環通信技術包括3G/4G技術、Wi-Fi技術、ZigBee技術、藍牙技術四種[1]，它們各有優缺點。其中ZigBee手環無線通信技術通過專門無線電標準達成相互協調通信，因此，該技術也稱為home RF Lite技術，其在應用中以簽到打卡功能為主，價格高，并不符合本設計預警和架構的需要。Wi-Fi技術和3G/4G技術需要通過高速通信設計，手環協議棧非常復雜，并且信號要求高，出現網絡卡頓時無法及時傳播信息，且電量消耗快，產品體積大，也不滿足本品小巧輕便的需要。此外，雖然Wi-Fi技術芯片價格相對便宜，但后期配套使用的零部件及維修費用比較高，性價比低。而相對于其他幾種來說，藍牙技術的技術要求低、實物體積小、易佩戴、電池續航時間長。

綜上所述，本文最終選擇藍牙（Bluetooth）技術作為研究點。

2? 藍牙手環結構

藍牙手環結構主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，外圍電路包括藍牙、存儲電路、GPRS、電源管理等，這些共同組成本設計的所有功能。本設計使用百度開源的藍牙通信協議進行設計。手環的硬件部分控制核心使用的是一個集成藍牙功能的nRF51822芯片，并且使用了意法半導體（ST）的三軸重力加速度傳感器LIS3DH進行運動監測和輸出數據，可以比較精準的收集人體動態變化的加速度數據，以便進行信息處理，支持下一步信息的傳達[2]。手環硬件部分由主控芯片、藍牙芯片、重力感應加速度裝置、震動馬達、存儲器、電池、指示燈和各種外設元器件組成。

2.1? 系統硬件設計

藍牙手環的整體系統架構如圖1所示，包括中央處理單元、音頻模塊、傳感器模塊、電源模塊、無線通信模塊、輸入和輸出單元，其中最重要的是藍牙模塊中的藍牙芯片。

2.1.1? 中央處理器

中央處理單元包括主控芯片（MCU）和存儲器，核心控制芯片選擇的是意法半導體（ST）的STM32F103ZET6，該芯片的優點是具有優良的內部集成資源和豐富的外設接口，能夠很好地適應本設計的需求。其擁有豐富的I/O端口以及片內外設，速度可達1.25 DMips/MHz，工作頻率72 MHz。

存儲器的作用是在把數據傳送給移動終端前進行閃存，是數據傳遞之間的橋梁。

2.1.2? 電源模塊

電池采用的是TI公司的TPS5430線性降壓芯片，輸入電壓范圍比較寬，可在5.5 V至36 V之間，電流輸出能力可到3 A（峰值為4 A），具有500 kHz開關頻率，工作效率高。

2.1.3? 傳感器模塊

通過運動傳感器可以檢測佩戴人的活動情況，及時通過運動狀態判斷情況，做出指令。

2.1.4? 無線通信模塊

藍牙模塊的藍牙芯片采用的是有人物聯網的USR-BLE100模塊，如圖2所示，該模塊是一款可以支持藍牙v4.1BLE協議（兼容v4.0）的低功耗模塊。頻率范圍是2.402 CHz-2.480 CHz，發射功率為-18 dBm至+3 dBm，傳輸距離模塊對傳80米，手機連接40米（空曠視距，0 dBm）[3]。藍牙信息傳輸起源時間早，經過數十年的發展，到今天依然是一種極其重要的傳輸手段。藍牙傳輸是通過MCU芯片經過TTL串口與電路相聯，通過地面收發基站使移動設備與裝配藍牙芯片的設備相連接。

2.2? 系統軟件設計

軟件部分與上述硬件系統及電路相結合，共同工作，軟件系統是重要的信息輸出和顯示依據，是用戶直觀獲取信息的基礎。通過使用藍牙協議和GPRS協議在底層串口驅動的基礎上再進行軟件的設計。軟件系統主要分為兩部分：一是藍牙模塊軟件設計，二是GPRS模塊軟件設計。藍牙和GPRS是設計的核心關鍵，GPRS的主要功能就是進行處理信息，包括語言信息輸出，數據信息輸入與存儲。在一定程度上，GPRS還可以實現蜂窩射頻中模擬數字的職能。系統軟件包括移動終端軟件和移動設備軟件兩部分，移動終端軟件設計是產品本身所具有的功能，移動設備軟件以APP的形式下載到移動設備，通過藍牙連接可以使用APP設置移動終端數據，以達到最佳使用效果。以下是軟件運行系統中溫度監測部分的關鍵代碼：

sbit s1 = P3^6;

sbit s2 = P3^7;

sbit RS=P3^5;//寄存器選擇信號

sbit RW=P3^4;//讀寫操作選擇信號，高電平讀，低電平寫

sbit EN=P3^3;//使能信號

sbit CS1=P1^7;//左半屏顯示信號，低電平有效

sbit CS2=P1^6;//右半屏顯示信號，低電平有效

sbit DQ=P1^4;

sbit up=P1^1;

2.2.1? 藍牙模塊軟件設計

通過設置默認鏈接地址或者默認查找連接的方式使其通電后可進行自動連接，自動連接范圍內的設備，并判斷距離，根據兩個終端的位置和溫度信息進行預警。主機連接設備的方法可以分為兩種：第一種是采用人為主動搜索的方式，第二種是通過設備的MAC地址，通過使用MAC綁定AT指令來設置默認連接設備MAC地址。如圖3所示，藍牙模塊通過發送AT命令設置主模式，并建立連接，通過串口發送數據進行分析[4]。藍牙連接需要地面基站的配合，地面基站需要在無遮擋300米的范圍內實現遠距離信號覆蓋。地面基站收發設備需要做好防火、防水、持續供電等要求的基礎設施建設。已保證信息傳輸的連續性。

2.2.2? GPRS模塊軟件設計

芯片和GPRS模塊軟件進行數據傳遞，GPRS本身可以進行信息反饋，通過接收GPRS的反饋信息就能判斷命令是否被成功運行。發送命令后返回信息為“OK”時，說明指令執行正確;當返回的信息是“ERROR”時，說明發生了錯誤。GPRS模塊流程圖如圖4所示，GPRS模塊的工作流程是通過發送AT命令建立連接，發送AT+CMGF命令，設置短信模式，發送AT+CMGF命令，開始發送短信。

2.3? 外觀設計

2.3.1? 外觀詳細說明

本產品手環整體設計為弧形設計，采用卡扣式的表帶設計，手環采用非金屬材質的設計，以便最大限度地減少那些對金屬過敏人群出現的不適。整個手環內側均為弧形設計，如圖5所示，在佩戴時能夠更好地貼合使用者的手腕，這種設計能更好地體現其符合人體工程學產品在佩戴舒適度上的優勢。產品屏幕采用溫度計顯示形式，在監測溫度后可更加直觀的展示信息，手環側面采用流線型設計方式，使環身更加流暢美觀;整體采用大理石花紋的配色形式，富有新意。

2.3.2? 本產品使用材料

屏幕選擇方面采用AMOLED玻璃外屏，像素點高、色彩清晰，并且具有一定的可彎曲性，如圖6所示，屏幕更薄，減少對藍牙、蜂鳴器、LED燈空間的占用，使其更輕便。

手環材質選擇TPE/TPR，實際上是基于SEBS基礎的彈性體材料。這類軟性材料也是熱塑性的，可采用注塑成型。材料優點是觸感舒適柔軟，具有優良彈性，可模擬皮膚柔軟爽滑的效果。TPE/TPR是無毒無味安全的材質，對人體皮膚沒有致敏作用，符合醫療行業ISO-10993要求，是中高檔智能手環腕帶的必選材料。

3? 工作方式

3.1? 工作原理

本設計著重研究手環的內部組成與工作原理。設計采用藍牙模塊、LED三色顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、電源管理模塊、充電管理模塊、溫度模塊、天線等零部件，各司其職，保證系統的運行流程。

其工作原理為：通過藍牙在空中不斷發送指定的數據與溫度信息，只要配帶者將設備戴上后，設備的溫度采集模塊就可以將采集到的人體溫度信息給傳到空中，其他設備接收到這個信息后就可以解析出當前別人的溫度信息，當溫度解析出來后便可以控制LED顯示與蜂鳴器來警示別人，藍牙可以通過RSSI來了解兩臺設備的距離，所以獲取到設備的RSSI后便可以匹配相應的距離信息，如果距離小于2米便會報警，如果體溫在安全的情況下便會緩慢響起蜂鳴器，如果體溫超過這個值便會讓蜂鳴器持續報警。系統的架構圖如圖7所示。

3.2? 技術路線

本設計以藍牙模塊構建的模塊為核心，通過編程完成溫度傳感器的測量和兩人相距閾值的設計以及超過閾值時蜂鳴器的啟動。通過藍牙模塊的RSSI完成距離的測量并送至藍牙模塊進行處理。充電結束時間由藍牙模塊控制并通過蜂鳴器提示。

3.3? 工作流程

3.3.1? 綁定藍牙設備

首先需要在移動設備上安裝產品對應的APP軟件，作為信息傳輸的載體。安裝完成后運行APP軟件，打開手機藍牙連接和啟動設備。設備啟動后開始自動搜索可連接設備。下拉屏幕長按藍牙連接圖標或者通過設置進入到藍牙設備搜索界面。在此界面中選中產品設備名稱，進行連接，如圖8所示。點擊設備后會自動彈出對話框提示設備綁定成功，點擊“確定”。彈出對話框提示藍牙請求配對，點擊“配對”即可完成產品信息配對綁定。在下一次啟動設備后系統會自動匹配連接，無須重復操作。

3.3.2? 設置提示信息

進入APP界面，點擊設置。在設置中勾選距離提示，距離默認為2米。提示音默認為震動。打開體溫監測界面，勾選體溫提示，實時監測更新體溫信息。勾選距離提示后，系統會自動將體溫過高警報也開啟。可通過體溫監測界面設置警報體溫溫度，默認提示溫度為37.5攝氏度。提示音默認為蜂鳴聲。打開信息存儲界面，可選擇信息存儲記錄數量，默認數量為無上限。自動清理數據時間為20天。

3.3.3? 佩戴設備

將設置好的設備佩戴在手腕處，LED開始閃爍證明系統已開始運行，正在監測體溫信息。將此設備靠近2米內的另一設備，手環開始震動，證明距離監測系統已開始運行。將2米內的另一設備溫度提高到37.5攝氏度，設備開始發出蜂鳴聲，證明溫度監測及報警系統已開始運行。

4? 應對突發公共危機對策

以新型冠狀病毒疫情為例，對于公共危機預警及時進行警報擴散可以借鑒溫州市在疫情期間的做法，疫情高峰期溫州市采取了浙江省統一的新冠疫情五色圖，通過色彩的不同來傳達危機等級，2020年2月10日，溫州市危機評估為高風險地區，到3月2日，溫州市境內14天無新增病例，疫情危機程度也重新評估為低風險地區。為了第一時間將信息傳播給所有民眾及企事業單位。溫州市政府通過召開新聞發布會、QQ、微信、報刊、互聯網等多種手段進行信息傳播。整體而言，溫州市的做法達到了即定目的[5]。但在全國范圍來看，依然有不少難以把控的案例，例如鄭州市郭某的一人行為使一城不安，揚州市疫情始作俑者毛某使整個揚州城全體居民集體做核酸。如果在疫情高發地區、重點隔離地區及對乘坐列車的人員佩戴藍牙警報器手環，統一發布消息，人員密切接觸及靠近時監測體溫是否就可以在一定程度上預防疫情的傳播？故本設計擬達到以下三個功能。

4.1? 控制人員之間的距離

藍牙可以通過RSSI來了解兩臺設備的距離，在距離小于兩米時進行一次震動提醒，以免在睡夢中或未發覺的情況下感染，通過佩戴警報器來不斷提醒佩戴者保持安全距離，防止密切接觸的發生。發現患者以后可以通過終端控制，向一定區域內的所有警報器發送提示信息，以便盡快制止傳播源的行動。

4.2? 排查體溫過高的危險人員

感染疫情的一個最直接的監測方式就是通過體溫來分析人員感染情況，設備溫度監測模塊實時監測佩戴者的體溫信息，將體溫信息通過藍牙在空中不斷發送，設備的溫度采集模塊將采集到的人體溫度信息給傳到空中，設備接收到信息后解析出當前的溫度信息，當溫度超過安全值就會通過LED燈顯示與蜂鳴器來進行警示。

4.3? 記錄接觸者信息

存儲器記錄下每次兩米內接觸到的設備名稱，一旦出現確診病例可以通過存儲卡信息快速定位所有密切接觸者。對接觸者進行隔離，以防止疫情進一步擴散。系統默認無上限存儲接觸信息，數據信息保存期限為20天。記錄接觸時間、設備型號及名稱等信息。

5? 結? 論

本文基于應對重大突發公共危機預警設計了一款通過藍牙進行預警的警報器手環設計，旨在提高人員危機防控意識，通過探究突發公共危機預警的處理方式，進而探索出一種應對公共危機預警困境的有效設計。促使地方在進行危機處理時能選擇高效的警報擴散發布途徑，實時信息，提前預警，以保障人民群眾的生命健康和財產安全。未來，通過科學技術的發展，信息監測會更精確，信息傳遞也會更迅速，人們對于突然爆發的公共危機也可以給出更多更好的方案，真正做到“人定勝天”。

參考文獻：

[1] 沈潔，沈丁琦.基于藍牙手環的學生綜合素質監測平臺設計與實現 [J].網絡安全技術與應用，2018（10）：57-59.

[2] 卞合善.基于藍牙4.0低功耗室內定位研究 [D].北京：北京郵電大學，2015.

[3] 孔亞莉.基于GPRS無線通信的老人健康遠程監測系統設計與實現 [D].濟南：山東師范大學，2016.

[4] 王彤.一種教學用藍牙手環結構及其快速計步算法的設計 [J].電腦知識與技術，2019，15（34）：82-84.

[5] 伲永貴，許峰，朱國云.重大突發公共危機預警：過程、困境及其應對策略——基于信息空間理論視角 [J].電子政務，2021（7）：101-112.

作者簡介：于恒（2001—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，主要研究方向：公共危機預警、藍牙技術。

朱杰（1982—），女，漢族，山東德州人，講師，學士，主要研究方向：公共危機預警、藍牙技術。