楊裴裴，李勝嵐，石恒瑞(鄭州工商學院河南,河南 鄭州 450000)

　　摘?要：基于STM32單片機和Onenet平臺，設計了一款智能健康管家。在設計中結合了打印機、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、快速準確測量心率的儀器

　　關鍵詞：STM32；Onenet；心率測量儀；物聯網；智能健康管家

　　0 引言

　　改革開放以來，隨著國家經濟和科技的快速發展，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在的吃好穿美，社會步伐在快速向前，但人們的身體素質卻越來越低，特別是心血管疾病的發病率越來越高。很多人對心血管疾病的了解并不多，經常會認為很多心血管疾病是突發病，常常都是到了嚴重的地步才會去尋醫問診。大多數的心血管疾病都是可以預防的，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。但是很多人已經有了隱疾，所以需要早點發現早點治療。當前醫院最常用的就是用心電圖機（ECG）來檢測心率，但檢測出來的結果都是當時短時間內的結果，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，很可能在醫院檢查的時候是正常的，但是說不定在什么時候就顯現出癥狀。雖然現在很多的移動設備（例如：智能手表、手機等）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 智能健康管家的設計框圖

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

　　由圖1可知，當該智能健康管家檢測到心率模塊輸出有規律波形時（即人體組織與心率模塊進行有效接觸，人體組織多為手指肚），進入測量模式，然后根據算法算出心率值，在OLED屏幕上顯示出來，同時打印機打印出結果，并根據心率值給出相應的建議，也會把心率值通過Onenet云平臺發送到手機端或電腦網頁端，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。該系統也可以綁定郵箱，當心率值處于危險值時，云平臺會給綁定郵箱發送郵件，使一些在外的兒女也能了解到家中父母的心率狀況。在應用端我們也可以發送消息，例如發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計

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

　　2.1 WiFi模塊

　　在該設計中，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 功能嵌入其他系統提供無限可能。在該設計中并沒有使用常見的AT固件，而是采用了SDK二次開發，把與Onenet的協議處理部分都交給ESP8266處理，這里只需要主控板把獲取的數據通過串口傳給WiFi模塊，模塊作為一個高性能的SoC，將數據通過協議處理再上傳到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℃，內部自帶升壓電路，分辨率為 128×64像素，采用SSD1306 驅動芯片，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，在應用前都需要進行初始化。整個初始化工作為一系列顯示控制芯片的設置工作，主要包括關閉顯示、設置時鐘分頻因子、設置顯示偏移、設置內存地址、行列起始地址等。輸入 OLED 模塊的數據之所以能顯示到屏幕上，是因為內部有一個顯存，該顯存與模塊屏幕上的像素點是一一對應的關系。只要把數據送到顯存對應的地址上，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，也能顯示應用端發送的數據。

　　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行濾波，單片機可以直接通過AD轉換采集心率數據。它使用了光電容積脈搏波描記法(PPG)測量心率，這種技術聽起來十分的高級，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行照射，人體組織由于血管搏動時透光率發生變化，所以人體組織反射過來的光也隨之發生變化，通過采集反射光的變化，將之轉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的程序中我們對數據進行再次濾波，使檢測到波形更加準確，所獲取的心率值更加準確。

　　2.4 打印機

　　熱敏打印機體積小、速度快、噪聲小、成本低、打印清晰而且使用方便。熱敏打印技術最早使用在傳真機上,它的基本原理是把打印機接收到的數據轉換成點陣信號形式,進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。熱敏打印機需使用專用的熱敏紙,熱敏紙上涂有一層遇熱就就會產生化學反應而變色的圖層,利用這種特性,誕生了熱敏打印技術。

　　嵌入式微型打印機單元一行有 384 個加熱點，打印機內置字庫，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。如果發送的數據大于 16 個漢字字符或者 32 個漢字字符，打印機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，打印機不會打印出來，需要多發送十六進制數 0D 0A，具體需要看指令集。打印機和主控板之間通過串口通信，通過指令設置好之后，可以直接發送串口數據，打印機就會直接打印出來發送的串口數據，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，我們會把心率數據上傳到云平臺，并且顯示在手機端或者電腦端，同時數據也顯示到OLED屏幕上，打印機打印出心率值并給出相應的意見。

　　3 軟件設計

　　在Onenet平臺上編輯出網頁端應用和手機端應用。通過Onenet云平臺， 實現心率的數據上傳。

　　3.1 Onenet云平臺

　　OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺。平臺能夠幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決方案。我們與Onenet對接使用ESP8266的SDK二次開發，直接連接WIFI并進行協議的處理。我們可以綁定郵箱，使心率數據處于危險狀態時，Onenet平臺直接發送郵件給用戶。

　　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，當使用完該設計后，能夠在得到心率值后立刻上傳數據，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送特定的短消息給設備，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 手機端界面

　　手機端基本與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端和PC端應用。進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、命令框，這里我們選擇了能夠體現心率變化的折線圖以及能發送命令的命令框，然后編輯屬性，選擇我們的設備和數據流，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

　　該系統也可以綁定郵箱，當心率值處于危險值時，云平臺會給綁定郵箱發送郵件，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，當心率不是在這個范圍內就可能使危險狀態，此時Onenet云平臺就會接收到數據，判斷后便會發送郵件到綁定郵箱。如圖6所示，當數值大于100時，就會發送郵件提醒。

　　4 設計的實物圖

　　該設計的實物圖如下圖所示

　　5 設計中的創新點

　　從心率檢測的設計角度，本設計在以往的設計基礎上加入了許多創新點和設計元素：

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

　　? 子女可以在手機端或電腦端對父母進行提醒，以防老人忘記測量心率；

　　? 打印機打印心率結果，并給出相應的建議，建議其飲食和鍛煉。老人們可以存著結果小票，然后通過對自己不同時間的心率變化來進行調節自己的飲食和鍛煉。

　　習近平主席強調：發展是第一要務，人才是第一資源，創新是第一動力。創新就是為了更好的服務人類的生活，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所帶來的不必要的傷亡。

　　6 結論

　　現在市場上有不少的心率檢測儀器，現在的手機和手環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計的物聯網智能化心率測量儀，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計，就是為了能夠更好的服務老人，同時也是服務在外的年輕人，讓這些年輕人能夠放心的在外打拼。產品的設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，也讓老人們享受到科技帶來的便利。

　　參考文獻

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　　作者簡介：

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

　　李勝嵐（1988-），女，碩士，主要研究方向：無線傳感器網絡石恒瑞，男，本科，主要研究方向：物聯網

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