基于STM32和Onenet的智能健康管家的設(shè)計與實現(xiàn)

　　楊裴裴，李勝嵐，石恒瑞(鄭州工商學(xué)院河南,河南 鄭州 450000)

　　摘?要：基于STM32單片機(jī)和Onenet平臺，設(shè)計了一款智能健康管家。在設(shè)計中結(jié)合了打印機(jī)、心率模塊、OLED顯示模塊、WiFi通信模塊等一些市面上常見的傳感器，提出并設(shè)計出一款專門針對空巢老人使用的且操作簡單、使用方便、快速準(zhǔn)確測量心率的儀器

　　關(guān)鍵詞：STM32；Onenet；心率測量儀；物聯(lián)網(wǎng)；智能健康管家

　　0 引言

　　改革開放以來，隨著國家經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，人們生活條件越來越好，人們的追求開始逐漸改變，從以前只需要吃飽穿暖到現(xiàn)在的吃好穿美，社會步伐在快速向前，但人們的身體素質(zhì)卻越來越低，特別是心血管疾病的發(fā)病率越來越高。很多人對心血管疾病的了解并不多，經(jīng)常會認(rèn)為很多心血管疾病是突發(fā)病，常常都是到了嚴(yán)重的地步才會去尋醫(yī)問診。大多數(shù)的心血管疾病都是可以預(yù)防的，這就需要我們平時要注意好身體，同時多鍛煉身體，而且要注意飲食健康。但是很多人已經(jīng)有了隱疾，所以需要早點發(fā)現(xiàn)早點治療。當(dāng)前醫(yī)院最常用的就是用心電圖機(jī)（ECG）來檢測心率，但檢測出來的結(jié)果都是當(dāng)時短時間內(nèi)的結(jié)果，但是很多的心血管疾病前期都沒有比較明顯的癥狀，而且很多都是間歇性的，很可能在醫(yī)院檢查的時候是正常的，但是說不定在什么時候就顯現(xiàn)出癥狀。雖然現(xiàn)在很多的移動設(shè)備（例如：智能手表、手機(jī)等）都帶有心率檢測功能，雖然很方便，但是考慮到很多老年人還是不愿意接觸新鮮事物，所以這些最新科技對于他們沒有那么實用，因此一款專門針對空巢老人使用的心率檢測儀器顯得極為重要。

　　1 智能健康管家的設(shè)計框圖

　　該智能健康管家的設(shè)計主要分為硬件和軟件兩部分。 硬件部分設(shè)計包括電源設(shè)計、 STM32外圍電路以及相關(guān)的傳感器、 WiFi模塊與STM32連接電路設(shè)計；軟件部分設(shè)計包括STM32單片機(jī)代碼編寫、 ESP8266固件的編寫、Android手機(jī)APP的代碼編輯和編寫以及PC網(wǎng)頁端應(yīng)用的編輯。 系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。

　　由圖1可知，當(dāng)該智能健康管家檢測到心率模塊輸出有規(guī)律波形時（即人體組織與心率模塊進(jìn)行有效接觸，人體組織多為手指肚），進(jìn)入測量模式，然后根據(jù)算法算出心率值，在OLED屏幕上顯示出來，同時打印機(jī)打印出結(jié)果，并根據(jù)心率值給出相應(yīng)的建議，也會把心率值通過Onenet云平臺發(fā)送到手機(jī)端或電腦網(wǎng)頁端，并把心率值記錄到云端，繪制曲線，讓用戶看到自己心率的起伏。該系統(tǒng)也可以綁定郵箱，當(dāng)心率值處于危險值時，云平臺會給綁定郵箱發(fā)送郵件，使一些在外的兒女也能了解到家中父母的心率狀況。在應(yīng)用端我們也可以發(fā)送消息，例如發(fā)送消息提醒老人測量心率，消息返回給主控板，并顯示在OLED顯示屏上。以上設(shè)計使智能管家更加方便快捷，也更加的智能，使其能夠滿足未來智能家居的要求。

　　2 智能健康管家的硬件設(shè)計

　　本設(shè)計中使用STM32F103RCT6最小系統(tǒng)板作為主控核心板，并搭配ESP8266WiFi模塊、心率模塊、OLED顯示屏和串口打印機(jī)等多種傳感器完成硬件部分的設(shè)計，該設(shè)計的整體電路如圖2所示。

　　2.1 WiFi模塊

　　在該設(shè)計中，WiFi模塊是溝通硬件和軟件的橋梁，在硬件獲取心率值后需要上傳到云端，這就需要WiFi模塊來連接兩者，這里選用的深圳安信可公司所出產(chǎn)的ESP-01模塊，這是一款高性能無線 SOC，以最低成本提供最大實用性，為 WiFi 功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能。在該設(shè)計中并沒有使用常見的AT固件，而是采用了SDK二次開發(fā)，把與Onenet的協(xié)議處理部分都交給ESP8266處理，這里只需要主控板把獲取的數(shù)據(jù)通過串口傳給WiFi模塊，模塊作為一個高性能的SoC，將數(shù)據(jù)通過協(xié)議處理再上傳到Onenet云平臺，也可以接收消息處理并通過串口發(fā)送給主控板。其電路原理圖如圖3所示。

　　2.2 OLED模塊

　　該模塊工作溫度為 -40℃ ～ +70℃，內(nèi)部自帶升壓電路，分辨率為 128×64像素，采用SSD1306 驅(qū)動芯片，僅需 3.3V 供電即可。該模塊支持8位6800并口、8位8080并口、I 2 C總線、 4線SPI 總線等4種通信接口方式，該設(shè)計用的是I 2 C 總線接口，我們程序中使用的是模擬I 2 C。OLED 屏與液晶屏類似，在應(yīng)用前都需要進(jìn)行初始化。整個初始化工作為一系列顯示控制芯片的設(shè)置工作，主要包括關(guān)閉顯示、設(shè)置時鐘分頻因子、設(shè)置顯示偏移、設(shè)置內(nèi)存地址、行列起始地址等。輸入 OLED 模塊的數(shù)據(jù)之所以能顯示到屏幕上，是因為內(nèi)部有一個顯存，該顯存與模塊屏幕上的像素點是一一對應(yīng)的關(guān)系。只要把數(shù)據(jù)送到顯存對應(yīng)的地址上，就會按顯存的地址顯示到屏幕上。我們主要使用OLED顯示出來心率的值，同時也能給出一些小的建議，也能顯示應(yīng)用端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　2.3 心率檢測模塊

　　Pulsesensor心率模塊傳感器比較方便使用，三個引腳，分別是VCC、GND和ADC，模塊通過電路獲取心電信號，并利用硬件電路對信號進(jìn)行濾波，單片機(jī)可以直接通過AD轉(zhuǎn)換采集心率數(shù)據(jù)。它使用了光電容積脈搏波描記法(PPG)測量心率，這種技術(shù)聽起來十分的高級，其實原理非常簡單，通常情況下是用一個光源對人體組織進(jìn)行照射，人體組織由于血管搏動時透光率發(fā)生變化，所以人體組織反射過來的光也隨之發(fā)生變化，通過采集反射光的變化，將之轉(zhuǎn)化為電信號采集起來，再通過濾波計算就能得到心率。這里使用了雙重濾波，模塊本來就有濾波電路，在STM32的程序中我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波，使檢測到波形更加準(zhǔn)確，所獲取的心率值更加準(zhǔn)確。

　　2.4 打印機(jī)

　　熱敏打印機(jī)體積小、速度快、噪聲小、成本低、打印清晰而且使用方便。熱敏打印技術(shù)最早使用在傳真機(jī)上,它的基本原理是把打印機(jī)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點陣信號形式,進(jìn)而控制器控制熱敏元的加熱,然后把熱敏紙上的熱敏圖層加熱顯示。熱敏打印機(jī)需使用專用的熱敏紙,熱敏紙上涂有一層遇熱就就會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而變色的圖層,利用這種特性,誕生了熱敏打印技術(shù)。

　　嵌入式微型打印機(jī)單元一行有 384 個加熱點，打印機(jī)內(nèi)置字庫，漢字字庫大小為 24*24，所以一行可以打印 384/24=16 個漢字字符。英文字庫大小為12*24，所以一行可以打印 36 個英文字符。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)大于 16 個漢字字符或者 32 個漢字字符，打印機(jī)會自動打印出這一行出來，如果低于 16 個中文字符或者 32 個英文字符，打印機(jī)不會打印出來，需要多發(fā)送十六進(jìn)制數(shù) 0D 0A，具體需要看指令集。打印機(jī)和主控板之間通過串口通信，通過指令設(shè)置好之后，可以直接發(fā)送串口數(shù)據(jù)，打印機(jī)就會直接打印出來發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，十分方便。

　　使用過程中，通過以上各個模塊和主控板之間的制作，我們會把心率數(shù)據(jù)上傳到云平臺，并且顯示在手機(jī)端或者電腦端，同時數(shù)據(jù)也顯示到OLED屏幕上，打印機(jī)打印出心率值并給出相應(yīng)的意見。

　　3 軟件設(shè)計

　　在Onenet平臺上編輯出網(wǎng)頁端應(yīng)用和手機(jī)端應(yīng)用。通過Onenet云平臺， 實現(xiàn)心率的數(shù)據(jù)上傳。

　　3.1 Onenet云平臺

　　OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署，為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。我們與Onenet對接使用ESP8266的SDK二次開發(fā)，直接連接WIFI并進(jìn)行協(xié)議的處理。我們可以綁定郵箱，使心率數(shù)據(jù)處于危險狀態(tài)時，Onenet平臺直接發(fā)送郵件給用戶。

　　3.2 PC端界面

　　我們的界面十分簡潔，只有一個曲線表和命令框，當(dāng)使用完該設(shè)計后，能夠在得到心率值后立刻上傳數(shù)據(jù)，并顯示在界面曲線表里，十分明了的顯示出心率在不同時間的起伏變化。而且我們可以通過命令框發(fā)送特定的短消息給設(shè)備，并顯示在OLED顯示屏上，用于提醒老人們測量心率。其界面如圖4所示。

　　3.3 手機(jī)端界面

　　手機(jī)端基本與PC端一致，其界面如圖5所示。我們可以在Onenet平臺直接編輯我們的手機(jī)端和PC端應(yīng)用。進(jìn)入編輯頁面之后可以拖拽我們所需要的元素，基本元素有文本、折線圖、柱狀圖、圖片、鏈接、地圖、儀表盤，控制元素有旋鈕、開關(guān)、命令框，這里我們選擇了能夠體現(xiàn)心率變化的折線圖以及能發(fā)送命令的命令框，然后編輯屬性，選擇我們的設(shè)備和數(shù)據(jù)流，也可以編輯折線圖的刷新頻率、顏色、時間樣式等，編輯之后就可以保存了。

　　3.4 郵件提醒

　　該系統(tǒng)也可以綁定郵箱，當(dāng)心率值處于危險值時，云平臺會給綁定郵箱發(fā)送郵件，使一些在外的兒女也能了解到家中父母的心率狀況。比如正常人心率在70-70～100次/min，當(dāng)心率不是在這個范圍內(nèi)就可能使危險狀態(tài)，此時Onenet云平臺就會接收到數(shù)據(jù)，判斷后便會發(fā)送郵件到綁定郵箱。如圖6所示，當(dāng)數(shù)值大于100時，就會發(fā)送郵件提醒。

　　4 設(shè)計的實物圖

　　該設(shè)計的實物圖如下圖所示

　　5 設(shè)計中的創(chuàng)新點

　　從心率檢測的設(shè)計角度，本設(shè)計在以往的設(shè)計基礎(chǔ)上加入了許多創(chuàng)新點和設(shè)計元素：

　　? 測量結(jié)果可以多端顯示，OLED顯示屏、打印機(jī)打印、PC端顯示、手機(jī)端顯示，使用者本人可以很明了的看到測量結(jié)果，在外的兒女也可以看到自己父母的身體狀況；

　　? 子女可以在手機(jī)端或電腦端對父母進(jìn)行提醒，以防老人忘記測量心率；

　　? 打印機(jī)打印心率結(jié)果，并給出相應(yīng)的建議，建議其飲食和鍛煉。老人們可以存著結(jié)果小票，然后通過對自己不同時間的心率變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)自己的飲食和鍛煉。

　　習(xí)近平主席強(qiáng)調(diào)：發(fā)展是第一要務(wù)，人才是第一資源，創(chuàng)新是第一動力。創(chuàng)新就是為了更好的服務(wù)人類的生活，為人們生活帶來更多的便利，也為人們的健康帶來更多幫助。智能健康管家的創(chuàng)新點就是為了讓在外的子女能多多了解老人們在家的健康情況，也是為了避免心率疾病突發(fā)所帶來的不必要的傷亡。

　　6 結(jié)論

　　現(xiàn)在市場上有不少的心率檢測儀器，現(xiàn)在的手機(jī)和手環(huán)也有很多都支持心率檢測，但這些對于空巢老人來說并不是很實用，市場上很少有一款真正的為空巢老人所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)智能化心率測量儀，因此，本文中的智能健康管家在很多方面針對空巢老人做出的設(shè)計，就是為了能夠更好的服務(wù)老人，同時也是服務(wù)在外的年輕人，讓這些年輕人能夠放心的在外打拼。產(chǎn)品的設(shè)計就是為了讓科技融入到社會的各個人群，不僅僅讓年輕人享受到科技的服務(wù)，也讓老人們享受到科技帶來的便利。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者簡介：

　　楊裴裴（1988-），女，碩士，主要研究方向：教育技術(shù)理論研究、多媒體技術(shù)

　　李勝嵐（1988-），女，碩士，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)石恒瑞，男，本科，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第60頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處