基于物聯網的智慧辦公桌測控系統設計與探索

摘要：文章提出了一種智慧辦公桌系統的軟硬件設計。硬件端基于物聯網、觸感器及數據通信技術，將傳統辦公桌機械模塊與人體體征監測、環境感知以及數據通信模塊相融合，監測人體健康體征數據及環境數據，并通過數據降噪技術對數據進行處理后，上傳至云平臺進行存儲、共享及解析；軟件端可以查看監測信息，發送控制命令。此外，該系統基于數據融合模型及算法，可實現對歷史數據的分析，為使用者提供智慧健康管理建議。該系統可為滿足辦公環境下健康監測的需求提供一種解決方案。

關鍵詞：辦公桌；人體健康監測；物聯網；傳感器；智慧分析

中圖分類號：TP393.09文獻標志碼：A

0 引言

辦公桌是日常工作及學習的必備工具之一，但在各類媒體平臺中經常見到因長時間伏案工作而導致的身體健康問題。隨著生活水平的不斷提升，身體健康問題越來越受到人們的重視。如何在辦公的同時監測人體健康狀態，并盡早發現問題，是當前的研究方向之一。

隨著移動互聯網及物聯網技術的進步，帶動了智慧家居的發展，涌現出很多具有傳感檢測及智慧分析功能的設備。在基于人體檢測的智慧辦公桌這一領域，國內外學者提出了一些設計方案，這些方案大多基于微型處理器的控制，通過Wi-Fi、藍牙、ZigBee等通信模塊完成設備之間的無線組網以及人機交互［1］。但這些方案主要關注人體坐姿、視線、嵌入式屏幕的使用等，針對人體健康監測的設計較少。

脈搏、體溫、血氧飽和度等生理參數是人體健康狀況的重要指標。這些指標是評估人體狀態最直接、有效的指標之一。鑒于此，本文提出了一種基于人體健康檢測的智慧辦公桌。該辦公桌不僅具備傳統辦公桌的升降調節及屏幕調整功能，還可以通過該辦公桌的人體體征監測模塊對人體健康生理參數進行監測，使用者通過終端即可獲取當前身體健康信息。同時，基于歷史數據及人工智能模型和算法，可對使用者的健康狀態進行預測及智能診斷。

1 系統整體設計

智慧辦公桌測控系統由機械子系統、傳感監測子系統、環境監測子系統、人體監測子系統、通信控制子系統、云平臺及客戶端軟件構成。其中，機械模塊實現傳統辦公桌的升降、屏幕調整等功能，各檢測子系統負責數據的采集并將其發送至通信控制子系統，再由其將數據發送至云平臺。使用者通過客戶端軟件即可得知當前體征監測信息，并根據系統的智慧分析功能獲取相應健康管理建議。如圖1所示為系統整體設計結構。

1.1 智慧辦工桌硬件端設計

1.1.1 機械子系統設計

機械子系統設計如圖2所示，包括顯示器掛架、辦公桌板、鍵盤位、手肘撐板、連接柱、升降支架、工作桌底座、面部監測攝像頭、監測傳感器等。升降支架下端固定連接工作桌底座，連接柱套接在升降支架上部，顯示器掛架、辦公桌板、鍵盤位和手肘撐板由上到下依次通過支架安裝在連接柱表面，通過調節升降支架的高度可以直接控制顯示器掛架、辦公桌板、鍵盤位、手肘撐板和連接柱的高度用以適應多種身高的用戶，同時也能夠將高度降至最低配備座椅作為辦公桌使用。

連接柱采用帶阻尼的可活動支架，該支架設有限位卡扣和阻尼器，繼而實現支架的高度調節。同時，UI4YDXH2fxo5mCbVsI389O8YaXyBNFc3aC0W/F2FcY4=在可調節支架上部署顯示器掛架、辦公桌板和鍵盤位，通過支架的變向節實現顯示器掛架、辦公桌板和鍵盤位的位置或者方向的手動調整，便于更好地匹配使用人員的身高。

此外，支架的兩側連接手肘撐板，使用時可以根據個人習慣放置手肘以及鼠標位置，并能根據肩寬等調整手肘撐板的寬度和高度。通過上述設置，為使用者提供了一個穩固、舒適的工作環境。

手肘撐板配有箍環，箍環上安裝了可松緊卡扣，通過松開卡扣讓箍環實現手肘撐板的高度調節，調整到位后只需重新緊固卡扣，箍環握緊連接柱即可固定。顯示器掛架使用卡扣固定在連接柱，背面設有轉盤，從而實現顯示器的橫豎向切換。同時，顯示器掛架預留擴展口，可滿足掛接多個顯示器的需求。

升降支架采用步進電動推桿，工作電壓為DC 24 V，工作行程為400 mm，工作速度為40 mm/s，最大推力為800 N，工作頻率為20%，自帶限位功能。并且該推桿能連接物聯網控制單元實現遠程控制，可長時間工作，具備高強度、高速度、高精度定位、平穩運動、低噪聲等特點。

1.1.2 傳感檢測子系統設計

傳感檢測子系統由傳感檢測終端及通信接口構成。其中，傳感檢測終端包括人體體征監測子系統、環境感知子系統以及人體檢測子系統，主要用于檢測使用者的血氧、血壓、脈搏、體溫等體征狀態以及感知溫濕度、光照度、人體檢測等環境信息。

人體體征檢測子系統采用STM32F103作為主控芯片，使用心率血氧血壓脈搏以及體溫傳感器，基于光學法或電化學法等采集人體體征數據，使用時只需將手放置其上，相應數值便會在設備的顯示屏顯示，并根據ModBus協議將數據通過通信接口傳輸至通信控制系統。Modbus是一種串行通信協議，已經成為工業領域通信協議的業界標準，是目前工業電子設備之間最常用的連接方式。

1.1.3 環境感知子系統

在環境感知子系統中，溫濕度監測模塊采用北京無線聯科技有限公司開發的HD-400A溫濕度傳感器。該傳感器體積小，可直接內嵌于桌板底部，且能耗較低。通過預設的觸發條件，該系統可以實時提醒用戶當前溫濕度情況，為用戶提供一個較好的工作環境。

光照度監測用于感知當前環境的光照度，將當前的光照強度通過通信控制系統發送至云平臺進行分析。根據設定的閾值，提醒用戶開啟或關閉照明設備。該模塊使用GZ-120光照傳感器，該傳感器測量范圍為0 Lux～20000 Lux，準確度為±5%FS，可較好地滿足用戶的使用需求，性價比較高。

1.1.4 人體感應子系統

在正常的學習和工作中，人們保持高度集中的時間因人而異，經過培訓后，最多不超過1 h，對于未成年人而言，高度集中的時間較少，一般在20～30 min［2］。而經過長時間的伏案工作后進行適當的活動，可以有效緩解疲勞感，降低由于長時間靜坐或站立而患病的概率。鑒于此，智慧辦公桌內嵌了人體感應模塊。該模塊采用新大陸教育開發的紅外人體感應傳感器，模塊結合定時器，目的是實現定時提醒的功能。當紅外人體感應傳感器發現人體時，系統啟動定時器模塊。一旦計時數值到達預設的時限閾值則推送消息，提醒使用者起身離席，進行適當的活動。

此外，智慧辦公桌提供一鍵求助功能。該模塊是在發生緊急情況時，使用者或其他人可以通過桌板上的求助按鈕呼叫緊急聯系人或服務中心，以便盡早觖決問題、獲得幫助。

1.1.5 通信控制子系統

通信控制系統接收人體體征檢測子系統采集的數據，并通過云平臺網關，依托互聯網將數據發送至云平臺，實現數據的存儲、分析及共享，同時接收用戶在其他終端發送的命令并下達，實現對智慧辦公桌的控制。

通信控制系統主要由ADM-4017、ADM-4150以及物聯網網關等設備構成，其中ADM-4017、ADM-4150用于傳感器的控制與獲取，物聯網網關負責通信、數據傳輸及命令的接收。

1.2 智慧辦公桌軟件系統介紹

智慧辦公桌軟件系統基于新大陸開放云平臺開發。該平臺通過網絡連接單一設備或多個設備，實現數據在云平臺的管理。使用者可以通過電腦端軟件、手機等終端獲取監測信息，下發控制命令。

該軟件主要由用戶與后臺管理、監測模塊、智慧解析、設備控制4個模塊構成。

1.2.1 用戶與后臺管理

該功能負責管理智慧辦公桌的使用者基本信息。使用者在首次使用時需注冊賬戶，登錄后需填寫身高、體重、年齡、性別等基本信息，結合監測數據進行分析。一套智慧辦公桌可以對應多個使用者，因此對應多個賬戶。

后臺管理一方面負責管理設備總數及使用者數量，另一方面可以針對辦公桌進行統一批量設置，如設置燈光閾值、時鐘、網絡信息等，滿足大批量設備的配置需求。

1.2.2 數據監測模塊

數據監測模塊主要包括系統狀態監測及體征監測模塊。其中，系統狀態監測用于檢測傳感檢測模塊及通信控制模塊的在線狀態。狀態監測可以采用被動式或主動式監測，被動式即傳感模塊定期發送的心跳信息與云平臺進行通信，確保后端能夠掌握所有傳感器的工作狀態，如果連續45 s沒有發送心跳信息則判定設備離線；主動式則是由使用者發起，在終端發送控制信息逐單元進行測試，如果在線，則可以正常進行監測，如果離線，則發送控制指令進行設備的初始化，并提醒使用者設備離線，需排查故障［3］。

體征監測是實現健康監測功能的核心模塊，其主要功能是在“傳感檢測-通信控制-云平臺”3級架構中，獲取傳感檢測模塊監測的人體體征數據。對該數據進行解析后進行展示，一旦監測到數值與正常值有較大的差異時，該模塊會立即對使用者發出預警，盡快提示其可能存在的風險事件，避免意外的發生。

1.2.3 智慧分析

很多與健康相關的體征信息需要長期監測才可以發現問題，因此智慧分析模塊主要功能是基于長期監測到的使用者體征數據實現健康數據的智能分析。該模塊主要基于算法及模型、結合醫學理論對數據進行綜合分析和處理，通過趨勢圖、柱狀圖等進行展示，實現個人歷史數據的高效利用。通過模擬醫療專家，根據各類監測數據，提出健康診斷情況和建議，實現智能化提醒與健康管理。

1.2.4 設備控制

設備控制模塊主要實現辦公桌的升降控制。使用者設定好高度等參數，通過移動終端發送命令至云平臺，云平臺將該命令發送至智慧辦公桌的通信控制系統，由其控制升降支架實現高度調節。

2 系統關鍵技術

2.1 數據降噪技術

傳感檢測模塊在檢測過程中，其采集的數據或信號通常帶有很多噪聲信號，影響數據精度。而數據監測展示及智慧分析模塊使用的數據精度越高，其準確度越好。因此如何過濾這些噪聲信號是實現上述功能的前提。

本系統使用數學形態學基線漂移濾除法實現噪聲的過濾。形態學是一種信號分析的集合理論方法，具有豐富的理論框架、高效的算法效率、易于移到硬件上等優點［4］。具體使用時，將采集的數據信號與結構進行運算，取其加和平均值獲得漂移基線，再將原始數據與該基線做減法，即可得到降噪后的數據。

2.2 加權平均數據融合處理

數據融合是一個多來源信息處理的過程，其中2個或多個傳感器按照一定的準則相互協作，分析和合成不同的數據，最終獲得目標所需的狀態和特征估計［5］。它將來自不同傳感器的信息進行同步處理，并通過一定的標準進行信息融合，最后準確地獲得物體的基本特征。本系統采用了多個傳感器用于檢測數據，將多傳感器的信息進行融合是實現獲取使用者和環境信息的關鍵。

本系統采用加權平均法對數據進行融合，通過綜合分析心率、血氧、血壓、體溫4項數據，評估使用者身體健康狀態。加權平均模型如下：

h（x）=w0+w1x1+w2x2+w3x3+w4x4（1）

其中，wi為各個數據的權重，范圍為［0，1］。權重值既可由使用者根據自身身體狀況及關注重點自行設置，又可基于監測歷史數據，根據線性回歸方程及損失模型函數進行擬合優化得到；xi為使用者各項人體體征歷史數據。根據該函數對多個使用者進行評估實驗，函數結果越接近于1，則說明該使用者身體較為健康；函數結果越接近0，則其身體越不健康。

3 系統主要界面設計

3.1 體征監測頁面

體征監測頁面實現監測數據的查詢與展示，是該軟件系統為使用者提供服務的主要頁面。本系統數據監測頁面如圖3所示，該監測界面可以顯示被監測者當前的各類體征數據，并通過點擊相應的按鈕可以獲取實時測試結果。

3.2 智能分析界面

智能分析界面是本系統的特色功能之一。基于使用者歷史數據，在該界面中顯示用戶的體征數據預測信息及實際監測數據，比較兩者之間的差異并進行評估，根據評估結果提供健康監測狀態提示及建議。智能分析界面如圖4所示。

3.3 設備狀態監測界面

使用者在該界面可以實時獲取當前傳感監測設備狀態，監控頁面包含設備名稱、設備編號、設備類型等。頁面下方的文本框展示了當前設備狀態的文字信息。右側設置一鍵檢測按鈕，用于實現使用者主動檢測設備狀態，并將狀態信息在文本框中展示。

4 結語

本文介紹了智慧辦公桌系統硬件與軟件端的設計。硬件端基于機械控制，物聯網傳感檢測及通信模塊獲取使用者各類體征信息并上傳至云平臺；軟件端基于安卓開發，通過云平臺提供的應用程序編程接口獲取檢測數據以及控制智慧辦公桌硬件端。同時，基于基線漂移數據降噪技術可以實現監測數據的清洗，采用加權平均數據融合技術及歷史數據可以實現人體健康狀態智慧分析。實驗結果證明，該智慧辦桌系統使用效果較好，為人體健康監測提供了一個方向。

參考文獻

［1］汪金龍，姚兆輝.基于人體健康監測的智能書桌設計研究［J］.裝備制造技術究，2021（12）：121-123.

［2］杜偉，譚等泰，馮偉，等.基于人體健康監測的智能書桌設計與研究［J］.甘肅科技，2020（2）：11-15.

［3］吳雪寒，張廷秀，茅磊，等.基于物聯網的太陽能智慧樹系統設計［J］.無線互聯科技，2023（14）：48-51.

［4］曾甜.可穿戴血氧傳感器監測系統的研究及其在物聯網健康中的應用［D］.杭州：浙江大學，2018.

［5］李春曉.基于多元信息融合的人體健康分析與評價技術研究［D］.濟南：齊魯工業大學，2020.

Design and exploration of a smart office desk measurement and control system

based on Internet of Things

Abstract： This paper proposes a smart office desk system which includes software and hardware. The hardware terminal is based on the Internet of Things， tactile sensors， and data communication technology， integrating traditional office desk mechanical modules with human sign monitoring， environmental perception， and data communication modules to monitor human health data and environmental data. After processing the data through data denoising technology， it is uploaded to the cloud platform for storage， sharing， and analysis. The software can view monitoring information and send commands to control the desk. In addition， based on data fusion models and algorithms， this system can analyze historical data and provide users with intelligent health management suggestions. This system can provide a solution to meet the necessities of health monitoring in office environments.

Key words： office desk; human health monitoring; Internet of Things; sensors; smart analysis