基于北斗和阿里云的外勤人員體征監測系統

張雨潔，殷婷婷，陳威健，陸怡成，陶佳雯，王瑩瑩

（金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，隨著經濟發展和人民生活水平的提高，人們可以便捷地穿梭于世界各地，其中外勤人員是頻繁往來于社會各地的人員。他們的廣泛流動，可能引發一系列的公共安全問題，一旦有外勤人員在不知情的情況下感染極具危險性的病毒，他們的流動會致使病毒急速擴散，如果未能及時發現和控制，病毒就會蔓延至全世界。

隨著傳感器、云計算、大數據、物聯網等技術的發展，可穿戴設備的應用變得越來越廣泛，它可以實時監測用戶的重要生命體征，改善用戶的健康管理方式、提高居民的生活質量。文獻[5-6]構建的多通道數據采集系統，輔之多傳感器智能分配技術，可以在保證數據精度的前提下，同時對心率、血氧等體征數據和地理位置信息進行采集；為解決傳統藍牙傳輸數據量小且難以分析復雜數據的問題，文獻[7-8]設計使用WiFi將監測的心率、血氧等數據上傳至云端并進行精確分析；文獻[9]對北斗三號導航定位技術的研究，能夠獲得地理位置數據。在通信網絡上，無線傳感器網絡作為網絡的重要感知技術和物聯網的重要組成部分，使數據傳輸更加迅速、準確，給社會帶來了很大的便利。

本文設計了一種將GPS/北斗雙模定位技術與無線通信技術相結合的外勤人員體征監測系統。該系統主要由智能終端設備和云服務器組成，系統能為外勤工作人員提供各項生命體征數據及位置信息，并將信息數據實時傳送到監控端，通過可視化界面顯示出來。管理人員可以做到時刻查看外勤人員體征數據和位置，在外勤工作人員生命體征出現異常時及時對其進行篩查與隔離，在保障外勤工作人員健康安全的同時維護了社會的穩定發展。

1 系統方案

系統主要利用微處理器接收各項傳感器模塊所采集到的人體體征數據和定位信息，利用無線網絡將數據發送給云服務器，具體流程如圖1所示。設計包含有傳感器技術、嵌入式開發技術、衛星定位技術、無線網絡通信技術、云服務器技術，通過傳感器和衛星定位模塊采集溫度、心率、血氧、位置、速度等信息并交由嵌入式設備處理，嵌入式設備利用無線通信方式將數據打包發送給云服務器集中處理并顯示。

圖1 系統設計

2 系統設計

本次設計由硬件模塊和軟件模塊組成。在供電電壓保持穩定的情況下，溫度模塊、心率模塊、血氧模塊、北斗模塊采集數據，通過傳輸協議將數據發送給STM32單片機接收處理。當采集到的數據不在指定閾值范圍內時，報警模塊會發出警示；然后對采集到的數據進行融合，通過WiFi模塊上傳至阿里云進行處理解析并集中展示。當數據出現異常時，阿里云也會發報警提示，便于管理人員查看并做出相應處理措施。系統總體設計如圖2所示。

圖2 系統總體設計

2.1 硬件系統設計

為實現傳感器模塊采集數據、微處理器集中處理、無線通信模塊將數據打包發送的功能，本設計構建了數據自動采集處理和發送的硬件系統。該系統包含有體征數據采集模塊、位置定位模塊、主控芯片模塊、數據發送模塊和電源模塊，分別實現體征數據采集、位置信息采集、數據接收處理、數據打包發送和能量供應的功能。具體硬件系統設計如圖3所示。

圖3 硬件設計流程

2.1.1 STM32芯片

目前市面上廣泛應用的處理器芯片主要有ARM、FPGA、DSP等，其中ARM 處理器體積小、功耗低、應用范圍較廣。ST公司推出了一系列STM32產品，其中F1系列產品擁有豐富的外設和便捷的開發環境，優化了功耗并減少了成本。

根據本次設計所需要的定位模塊、體征監測模塊、數據發送模塊的選型，設計至少需要3個USART、1個ADC、1個IC和4個電源供應接口。因此本次設計可以使用意法半導體公司（STMicroelectronics）設計生產的一款低功耗多功能的微處理器STM32F103。STM32F103芯片擁有基于ARM框架下的高性能“Cortex-M3”內核，其最大時鐘頻率可達72 MHz，擁有512 KB FLASH和64 KB SRAM，內部芯片支持2.0～3.6 V的電源供電；同時，它具有三種低功耗模式：待機、停止和休眠。定時器方面包含4個通用定時器、2個高級定時器和2個基本定時器。通信方式包括5個UART、2個SPI、2個IC、3個ADC、1個USB、1個CAN通信、1個SDIO，支持串口調試模式和JTAC調試模式。下面介紹STM32芯片的基本信息、特點及其優勢，如圖4所示。

圖4 STM32F103芯片的優點

2.1.2 GPS/北斗定位模塊

本次設計使用的是杭州中科微電子有限公司制造的位置定位模塊ATGM3320D，如圖5所示。這是一款高精度、高靈敏度的GPS/北斗雙模塊定位設備。ATGM3320D擁有32個通道，可以接收到大多數的GPS或北斗衛星信號。適用于手持終端、車輛導航與定位、可穿戴設備、嵌入式定位設備等，ATGM3320D引腳定義和封裝與STM32基本兼容。

圖5 衛星定位模塊的選型

2.1.3 溫度傳感器模塊

DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，內部包含一個濕度感知模塊和一個測溫模塊，如圖6所示。DHT11傳感器具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。

圖6 溫度傳感器模塊選型

2.1.4 心率和血氧傳感器模塊

本設計采用MAX30102來測量心率和血氧飽和度的數據，MAX30102是一款具有脈搏血氧儀和心率監測功能的心率血氧監測模塊，如圖7（a）所示。它內部包括紅光LED、紅外檢測器、光學元件和環境光抑制的電子元件等，內部電路如圖7（b）所示。

圖7 心率和血氧傳感器選型

2.1.5 無線通信模塊

本次設計使用ESP8266作為WiFi模塊，如圖8（a）所示，它是一款低功耗低成本的WiFi芯片。ESP8266主要包含三種工作模式：“STA”“AP”“STA+AP”模式。在“STA”模式下，該模塊可以通過路由器訪問網絡；“AP”模式是將該模塊作為熱點與其他設備進行無線通信，建立無線局域網；“STA+AP”模式是將兩者相結合，既可以訪問網絡，又可以進行無線網絡控制。ESP8266內置32位的MCU，支持80 MHz和160 MHz的主頻，支持標準的IEEE802.11b/g/n協議，支持多種Socket AT指令。ESP8266內部電路如圖8（b）所示。

圖8 數據傳輸模塊選型

2.2 軟件系統設計

軟件系統設計流程須將多種傳感器采集到的數據進行接收處理操作，對傳輸到單片機內的數據進行數據整合、閾值判斷、數據發送等操作。數據處理主要流程如圖9所示。

圖9 數據處理流程

2.2.1 ARM部分軟件設計

數據需要利用心率模塊、血氧模塊、溫度模塊、經緯度模塊等進行采集。STM32F103對采集到的各項數據進行接收和處理，解析經緯度模塊采集到的位置信息，對超出閾值的體征數據進行報警，閾值判斷流程如圖10所示。

圖10 閾值判斷流程

2.2.2 阿里云平臺的界面設計

設備通過無線通信的方式將各項數據融合發送給阿里云服務器，傳輸過程中設備端和服務端都必需遵循相應的通信協議。通過分析比較，本次設計選擇了基于TCP/IP的消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）。

利用阿里云服務器建立可視化頁面和進行后臺服務器數據處理。在可視化頁面，使用阿里云服務器提供的地圖組件和卡片組件，其中地圖組件用于記錄和顯示設備的位置信息，卡片組件用于綁定和顯示體征數據源，如圖11所示。數據處理部分利用阿里云數據庫，根據設備上傳的屬性值進行物模型的定義，使用實體的屬性來實現物模型產品功能的定義。當數據由終端設備發送到阿里云時，阿里云會對該數據進行處理解析，并通過物模型接收。

圖11 可視化頁面

3 系統實現

外勤人員和管理者可通過訪問阿里云平臺，查看佩戴設備的外勤人員的實時位置信息，頁面右側設置四個信息卡片，分別顯示外勤人員當前運動速度、溫度、心率和血氧飽和度。當溫度超過37.3 ℃、心率小于53次/min、血氧飽和度小于90%或大于98%時，數據對應的信息卡狀態變為警告狀態，設備發出警報。

如圖12所示，當外勤人員處在相對靜止的狀態下，可通過網頁查看當前位置信息和各項體征數據。當被采集的數據超出或低于所設定的閾值時，信息卡片會從正常狀態變為警告狀態，設備發出警告。

圖12 靜止狀態

如圖13所示，當外勤人員處于運動狀態下，網頁顯示的位置點會隨外勤人員的運動而改變，信息卡片實時顯示運動速度變化情況和各項體征數據，數據異常時信息卡狀態改變，設備發出警報。

圖13 運動狀態

如圖14所示，設備獲取的位置信息每隔幾秒在地圖上進行更新，所經過的位置通過一系列密集的點近似形成一條運動軌跡圖。

圖14 運動軌跡

4 結 語

本文設計的基于STM32的外勤人員體征監測系統，操作簡便、實用性強。文中提出了外勤人員體征監測系統的軟硬件總體設計方案，硬件方面設計了可穿戴設備的單片機STM32F103系統及GPS/北斗雙模定位模塊、WiFi無線通信模塊、各項體征數據采集的傳感器模塊。軟件方面設計了對微處理器接收到的各項體征數據和位置信息進行數據解析、數據融合、數據打包、數據發送等功能，數據被阿里云服務器接收并集中處理，數據的動態變化可被實時記錄顯示，此外數據可通過阿里云平臺的Web可視化界面顯示到網頁上。對組件進行設備綁定并配置數據源，外勤人員可以實時查看體征數據和位置信息，一旦用戶體征異常，會立刻發出警報，盡可能降低危害性。本文所設計的基于STM32的外勤人員體征監測系統實現了實時監測用戶的位置信息和體征數據，對于公共衛生安全及個人身體健康都具有一定的社會意義和工程價值。