张雨洁，殷婷婷，陈威健，陆怡成，陶佳雯，王莹莹

（金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

近年来，随着经济发展和人民生活水平的提高，人们可以便捷地穿梭于世界各地，其中外勤人员是频繁往来于社会各地的人员。他们的广泛流动，可能引发一系列的公共安全问题，一旦有外勤人员在不知情的情况下感染极具危险性的病毒，他们的流动会致使病毒急速扩散，如果未能及时发现和控制，病毒就会蔓延至全世界。

随着传感器、云计算、大数据、物联网等技术的发展，可穿戴设备的应用变得越来越广泛，它可以实时监测用户的重要生命体征，改善用户的健康管理方式、提高居民的生活质量。文献[5-6]构建的多通道数据采集系统，辅之多传感器智能分配技术，可以在保证数据精度的前提下，同时对心率、血氧等体征数据和地理位置信息进行采集；为解决传统蓝牙传输数据量小且难以分析复杂数据的问题，文献[7-8]设计使用WiFi将监测的心率、血氧等数据上传至云端并进行精确分析；文献[9]对北斗三号导航定位技术的研究，能够获得地理位置数据。在通信网络上，无线传感器网络作为网络的重要感知技术和物联网的重要组成部分，使数据传输更加迅速、准确，给社会带来了很大的便利。

本文设计了一种将GPS/北斗双模定位技术与无线通信技术相结合的外勤人员体征监测系统。该系统主要由智能终端设备和云服务器组成，系统能为外勤工作人员提供各项生命体征数据及位置信息，并将信息数据实时传送到监控端，通过可视化界面显示出来。管理人员可以做到时刻查看外勤人员体征数据和位置，在外勤工作人员生命体征出现异常时及时对其进行筛查与隔离，在保障外勤工作人员健康安全的同时维护了社会的稳定发展。

1 系统方案

系统主要利用微处理器接收各项传感器模块所采集到的人体体征数据和定位信息，利用无线网络将数据发送给云服务器，具体流程如图1所示。设计包含有传感器技术、嵌入式开发技术、卫星定位技术、无线网络通信技术、云服务器技术，通过传感器和卫星定位模块采集温度、心率、血氧、位置、速度等信息并交由嵌入式设备处理，嵌入式设备利用无线通信方式将数据打包发送给云服务器集中处理并显示。

图1 系统设计

2 系统设计

本次设计由硬件模块和软件模块组成。在供电电压保持稳定的情况下，温度模块、心率模块、血氧模块、北斗模块采集数据，通过传输协议将数据发送给STM32单片机接收处理。当采集到的数据不在指定阈值范围内时，报警模块会发出警示；然后对采集到的数据进行融合，通过WiFi模块上传至阿里云进行处理解析并集中展示。当数据出现异常时，阿里云也会发报警提示，便于管理人员查看并做出相应处理措施。系统总体设计如图2所示。

图2 系统总体设计

2.1 硬件系统设计

为实现传感器模块采集数据、微处理器集中处理、无线通信模块将数据打包发送的功能，本设计构建了数据自动采集处理和发送的硬件系统。该系统包含有体征数据采集模块、位置定位模块、主控芯片模块、数据发送模块和电源模块，分别实现体征数据采集、位置信息采集、数据接收处理、数据打包发送和能量供应的功能。具体硬件系统设计如图3所示。

图3 硬件设计流程

2.1.1 STM32芯片

目前市面上广泛应用的处理器芯片主要有ARM、FPGA、DSP等，其中ARM 处理器体积小、功耗低、应用范围较广。ST公司推出了一系列STM32产品，其中F1系列产品拥有丰富的外设和便捷的开发环境，优化了功耗并减少了成本。

根据本次设计所需要的定位模块、体征监测模块、数据发送模块的选型，设计至少需要3个USART、1个ADC、1个IC和4个电源供应接口。因此本次设计可以使用意法半导体公司（STMicroelectronics）设计生产的一款低功耗多功能的微处理器STM32F103。STM32F103芯片拥有基于ARM框架下的高性能“Cortex-M3”内核，其最大时钟频率可达72 MHz，拥有512 KB FLASH和64 KB SRAM，内部芯片支持2.0～3.6 V的电源供电；同时，它具有三种低功耗模式：待机、停止和休眠。定时器方面包含4个通用定时器、2个高级定时器和2个基本定时器。通信方式包括5个UART、2个SPI、2个IC、3个ADC、1个USB、1个CAN通信、1个SDIO，支持串口调试模式和JTAC调试模式。下面介绍STM32芯片的基本信息、特点及其优势，如图4所示。

图4 STM32F103芯片的优点

2.1.2 GPS/北斗定位模块

本次设计使用的是杭州中科微电子有限公司制造的位置定位模块ATGM3320D，如图5所示。这是一款高精度、高灵敏度的GPS/北斗双模块定位设备。ATGM3320D拥有32个通道，可以接收到大多数的GPS或北斗卫星信号。适用于手持终端、车辆导航与定位、可穿戴设备、嵌入式定位设备等，ATGM3320D引脚定义和封装与STM32基本兼容。

图5 卫星定位模块的选型

2.1.3 温度传感器模块

DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，内部包含一个湿度感知模块和一个测温模块，如图6所示。DHT11传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点。

图6 温度传感器模块选型

2.1.4 心率和血氧传感器模块

本设计采用MAX30102来测量心率和血氧饱和度的数据，MAX30102是一款具有脉搏血氧仪和心率监测功能的心率血氧监测模块，如图7（a）所示。它内部包括红光LED、红外检测器、光学元件和环境光抑制的电子元件等，内部电路如图7（b）所示。

图7 心率和血氧传感器选型

2.1.5 无线通信模块

本次设计使用ESP8266作为WiFi模块，如图8（a）所示，它是一款低功耗低成本的WiFi芯片。ESP8266主要包含三种工作模式：“STA”“AP”“STA+AP”模式。在“STA”模式下，该模块可以通过路由器访问网络；“AP”模式是将该模块作为热点与其他设备进行无线通信，建立无线局域网；“STA+AP”模式是将两者相结合，既可以访问网络，又可以进行无线网络控制。ESP8266内置32位的MCU，支持80 MHz和160 MHz的主频，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，支持多种Socket AT指令。ESP8266内部电路如图8（b）所示。

图8 数据传输模块选型

2.2 软件系统设计

软件系统设计流程须将多种传感器采集到的数据进行接收处理操作，对传输到单片机内的数据进行数据整合、阈值判断、数据发送等操作。数据处理主要流程如图9所示。

图9 数据处理流程

2.2.1 ARM部分软件设计

数据需要利用心率模块、血氧模块、温度模块、经纬度模块等进行采集。STM32F103对采集到的各项数据进行接收和处理，解析经纬度模块采集到的位置信息，对超出阈值的体征数据进行报警，阈值判断流程如图10所示。

图10 阈值判断流程

2.2.2 阿里云平台的界面设计

设备通过无线通信的方式将各项数据融合发送给阿里云服务器，传输过程中设备端和服务端都必需遵循相应的通信协议。通过分析比较，本次设计选择了基于TCP/IP的消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）。

利用阿里云服务器建立可视化页面和进行后台服务器数据处理。在可视化页面，使用阿里云服务器提供的地图组件和卡片组件，其中地图组件用于记录和显示设备的位置信息，卡片组件用于绑定和显示体征数据源，如图11所示。数据处理部分利用阿里云数据库，根据设备上传的属性值进行物模型的定义，使用实体的属性来实现物模型产品功能的定义。当数据由终端设备发送到阿里云时，阿里云会对该数据进行处理解析，并通过物模型接收。

图11 可视化页面

3 系统实现

外勤人员和管理者可通过访问阿里云平台，查看佩戴设备的外勤人员的实时位置信息，页面右侧设置四个信息卡片，分别显示外勤人员当前运动速度、温度、心率和血氧饱和度。当温度超过37.3 ℃、心率小于53次/min、血氧饱和度小于90%或大于98%时，数据对应的信息卡状态变为警告状态，设备发出警报。

如图12所示，当外勤人员处在相对静止的状态下，可通过网页查看当前位置信息和各项体征数据。当被采集的数据超出或低于所设定的阈值时，信息卡片会从正常状态变为警告状态，设备发出警告。

图12 静止状态

如图13所示，当外勤人员处于运动状态下，网页显示的位置点会随外勤人员的运动而改变，信息卡片实时显示运动速度变化情况和各项体征数据，数据异常时信息卡状态改变，设备发出警报。

图13 运动状态

如图14所示，设备获取的位置信息每隔几秒在地图上进行更新，所经过的位置通过一系列密集的点近似形成一条运动轨迹图。

图14 运动轨迹

4 结 语

本文设计的基于STM32的外勤人员体征监测系统，操作简便、实用性强。文中提出了外勤人员体征监测系统的软硬件总体设计方案，硬件方面设计了可穿戴设备的单片机STM32F103系统及GPS/北斗双模定位模块、WiFi无线通信模块、各项体征数据采集的传感器模块。软件方面设计了对微处理器接收到的各项体征数据和位置信息进行数据解析、数据融合、数据打包、数据发送等功能，数据被阿里云服务器接收并集中处理，数据的动态变化可被实时记录显示，此外数据可通过阿里云平台的Web可视化界面显示到网页上。对组件进行设备绑定并配置数据源，外勤人员可以实时查看体征数据和位置信息，一旦用户体征异常，会立刻发出警报，尽可能降低危害性。本文所设计的基于STM32的外勤人员体征监测系统实现了实时监测用户的位置信息和体征数据，对于公共卫生安全及个人身体健康都具有一定的社会意义和工程价值。