基于STM32的智能环卫工装系统的研制

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　　摘 要：为了监测环卫工人的健康状况并促进环卫管理工作更加科学化，研制了一种基于STM32的智能环卫工装系统。系统通过硬件模块采集心率、血氧、体温、温湿度和紫外线等生理及环境参数，这些参数通过GPRS传输至上位机处理和显示，实现对环卫工人身体状况的实时监测;系统集成了LED警示灯和一键求助按钮，以保障环卫工人的作业安全;结合GPS实现合理调度。仿真及测试结果表明，系统功耗在0.1 W以下，且有较好的稳定性和实时性。相关设计有望对物联网时代的智能安全服装提供技术支持和参考。
　　关键词：健康监测;STM32;GPRS;生理参数;环卫工装;传感器
　　0 引 言
　　随着经济社会的高质量发展，环卫工人的健康状况越来越受到社会的关注。我国环卫工人以中老年人居多，该人群患高血压、高血脂等慢性疾病的比例较大[1]。国内外对于特定人群的健康监测方面的研究已经取得一些成效，可用于监测特定人群的呼吸、心电、体温等参数[2]。身体参数的变化能够及时传输到总控中心进行实时处理。随着智能设备和物联网技术的发展，健康监测也逐渐涉及云计算、云服务等新兴技术领域[3]。
　　我国环卫行业信息化程度低，属于信息化改造的“价值洼地”[4]。环卫工人日常工作于复杂的交通道路中，危险系数较高，而工作服是普通的反光马甲，存在诸多安全隐患。环卫管理部门的任务调度和应急指挥能力较弱，难以及时掌控城区各道路保洁作业的工作状态;面对现场紧急情况，难以进行及时有效的工作调度。
　　针对上述情况，本文设计了一套基于STM32的智能环卫工装系统。实现对生理参数、环境参数的监测，通过无线传输将采集的生理参数传送至上位机，对生理参数信号进行处理和显示[5]，及时调整用户工作状态，保障用户身体健康。同时还设计有一键求助、LED警示等功能，可通过位置共享实现环卫工作的实时调度与智能化管理[6]。
　　1 系统总体设计
　　本文设计的智能环卫工装系统可分为三个部分，分别为数据采集模块、控制与交互模块以及上位机。数据采集模块、控制与交互模块构成系统的下位机[1]。系统结构示意如图1所示。
　　（1）数据采集模块由心率传感器、血氧浓度传感器、体温传感器、紫外线传感器、环境温湿度传感器及GPS模块组成，用于测量人体生理参数、环境参数以及实时定位。
　　（2）控制与交互模块由STM32单片机和GPRS无线通信模块以及0.96寸OLED屏构成，实现系统的总控和下位机与上位机之间的无线通信。
　　（3）上位机通过中国移动OneNet云平台对下位机传输的生理和环境参数等进行处理并显示[1]。
　　此外，控制与交互模块还集成了一键求助按钮和LED警示灯，可在紧急时刻和夜间环境中保障环卫工人的安全;OLED屏可实时显示生理及环境参数;供电系统采用太阳能电池和锂电池两种供电模式，以保证系统在室外作业环境下可持续运行。系统总体结构如图2所示。
　　2 系统硬件设计
　　下位机以STM32单片机为主控芯片，心率、血氧采集采用MAX30102传感器，体温监测选用GY-MCU90615传感器，温度监测选用DHT11传感器，紫外线测量采用ML8511传感器。各参数通过SIM800C GPRS模块传送至上位机。系统硬件结构如图3所示。
　　2.1 心率血氧传感器模块
　　采用集成有血氧和心率监测功能的生物传感器模块MAX30102测量心率和血氧饱和度[7]。实验表明，不论将传感器置于手部、耳部还是身体其他部位，都可以精准测得这两项参数。该传感器模块由LED、光电监视器和电源构成，通过标准I2C兼容通信接口将采集的数值传输给STM32单片机，之后由单片机进行心率、血氧饱和度计算[8]。心率血氧采集电路如图4所示。
　　心率测量基于光电容积法，其理论依据为 Beer Lambert Law，即单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时的吸光度A与吸光物质的浓度c、吸收层的厚度d成正比[9]。人体组织在血管血液流动时产生不同的透光率。从光源发出的光除被人体组织吸收外，一部分经血液漫反射返回，其余部分透射出来。因此，光电式脉搏传感器按照光接收方式不同可分为反射式和透射式两种。反射式光电容积脉搏法相比透射式测量方法的优势在于其可精确测得血管内容积的变化，使用更加广泛。如图5所示，发光光源即本设计中使用的绿光LED，发出的光到皮肤表层，然后光接收器接收血液漫反射的光信号，该信号经滤波电路、放大电路后输出模拟信号[9-10]。
　　2.2 体温传感器模块
　　测量体温采用的GY-MCU90615红外体温模块具有体积小、功耗低、非接触等优点，适合人体测温。其内置的MLX90615单片红外测温芯片是一款由Melexis公司设计生产的低成本、非接触式红外温度测量数字传感器，输出的数据和物体的温度呈线性比例关系，有较高的精度和分辨率。凭借MLX90615内部集成的低噪声放大器、高分辨率16位ADC和功能强大的DSP单元[11]，可以极大地简化模拟前端电路的设计，无需再增加额外运算放大器及ADC模数转换器。图6所示为MLX90615芯片电路。
　　红外温度传感器通过SMBus协议与单片机进行数据传输。且传感器模块通过串口连接至单片机后，单片机可向模块发送输出指令，模块将持续输出体温数据。还可以通过查询输出方式發送特定指令给模块，每发送一次指令，模块将返回一次体温数据。
　　2.3 紫外线传感器模块
　　系统集成的ML8511紫外线传感器适合环卫工人工作的室外场所，其模块内部配有放大器，可根据紫外线强度将光电流转换为电压，并输出与紫外线强度成正比的模拟电压[12]。之后通过STM32中的A/D转换器获得紫外线强度的数字量。图7所示为ML8511芯片电路。
　　2.4 GPS模块 　　GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模组，体积小巧，性能优异。模块内置放大电路，有利于无源陶瓷天线快速搜索卫星信号。通过串口可对其进行波特率、校验位、数据位、停止位、精度因子等参数的设置，并可保存参数于E2PROM。模块自带的SMA接口可以连接各种有源天线，适应能力强。模块兼容3.3 V/5 V电平，可以方便地连接单片机系统。图8所示为U-BLOX NEO-6M模组电路。
　　3 系统软件设计
　　系统软件由如下两部分构成：
　　（1）下位机软件部分对传感器采集的各项生理、环境参数等原始数据进行初步处理，得到符合要求的数据，通过GPRS与上位机平台进行数据通信。
　　（2）上位机软件部分以OneNet移动云端为核心，实现生理参数和环境参数等数据的接收与处理功能，并将处理结果进行图像化显示。
　　数据采集部分由温湿度传感器、心率与血氧浓度传感器、体温传感器、紫外线传感器模块组成。上述模块将采集到的数据发送到单片机，单片机对数据进行初步分析与处理，之后将数据通过GPRS模块发送到移动云平台OneNet。在云端，利用均方误差算法去除异常数据，之后进行拟合，判断当前以及之后一段时间内用户是否处于安全状态，及时发送提示信息，提醒用户按时休息。同时将数据流进行图形化展示，便于环卫部门合理调度。系统工作流程如图9所示。
　　4 系统调试
　　系统调试主要是为了验证系统在运行过程中是否可以正常完成预期的全部功能，主要分为硬件调试和软件调试。
　　4.1 硬件调试
　　硬件调试的作用在于监测整个数据传输流程，即从传感器采集数据开始，直到发送至云端，验证系统是否可以正常实现数据发送与接收功能，同时确保数据的完整性与一致性。系统由主控模块、数据采集模块、显示模块、发送模块和供电模块构成。系统上电后，主控单元会对数据采集、显示和发送模块进行初始化操作。初始化完成后，各数据采集（传感器）模块开始向主控模块发送采集到的数据。同时，用户还可以通过GPRS模块和OLED屏幕实现与环卫中心的通信。
　　4.2 软件调试
　　软件调试主要利用移动云平台OneNet来接收、分析和显示数据，并根据数据对环卫工人进行指挥调度。单片机每5 s通过GPRS模块发送一次数据，OneNet云端依据MQTT协议将数据解码[13]，进一步分析并显示分析结果，如图10所示。
　　根据分析结果，若环卫工人的身体状况异常，如体温、心率等参数处于异常状态或有异常趋势时，抑或工作环境状况不利，用户已在环境比较恶劣（如高温）的情况下工作一定时间时，系统会自动发出提示信息，告知用户当前的身体状况，提醒用户及时休息。同时，如果环卫中心需要对环卫工人进行调度，也会发出调度提示信息。提示信息会被用户端接收并显示在0.96寸OLED屏幕上，由此实现根据数据进行调控的功能。
　　5 结 语
　　本文针对当前环卫现状，设计了一套用于环卫行业的智能环卫工装系统，实现了用户端采集数据，环卫中心接收并分析数据，对用户进行调控的完整过程。可以初步为环卫部门提供一个较为良好的智能环卫系统解决方案。但同时该系统也存在不足，目前对数据的分析所采用的算法较为简单，无法从数据中提取出更多的有用信息，因此未来仍需改进算法，实现更多功能。
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