基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的人員安危實時立體精密護航系統(tǒng)

周凌簫 董少俊 豐明坤 葉林朋 劉喜昂

（浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 浙江省杭州市 310012）

1 引言

當(dāng)今，隨著社會生活步驟的加快和人們生存壓力的增加，人們的生命健康隨時都面臨著嚴峻的現(xiàn)實危險，經(jīng)過大量調(diào)研和分析，可以將這種危機的社會生存現(xiàn)狀梳理為三個方面：

（1）大眾共同面臨的突發(fā)外部社會自然災(zāi)害和生活環(huán)境的惡化，例如有毒氣體及污染物的泄露、易燃易爆化學(xué)物品的燃放等重度危急狀況，溫度、濕度、氣壓和氧氣含量等輕度危機狀況，此外，還包括流行性病毒例如非典等的突發(fā)危急狀況。

（2）人員個體面臨的生命狀況的惡化，例如工作或鍛煉時意外受傷等突發(fā)嚴重狀況，長期遭受外部環(huán)境侵犯而導(dǎo)致的生命體征指標逐漸惡化，諸如心率紊亂、血氧含量下降、微循環(huán)超標等累計狀況。

（3）當(dāng)人們遭受了狀況（1）和狀況（2）的威脅之后，由于資源和條件的缺乏而不能得到及時的救護，使得生命健康遭受進一步的惡化。

基于上述生存現(xiàn)狀，科研人員和工程企業(yè)進行了長期廣泛的研究和開發(fā)，已經(jīng)提出了一些解決方案，但是隨著新狀況的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)仍存在下述主要問題：

（1）考慮問題和解決方案比較單一，不能同時解決上述三個方面的問題，從而實用性大打折扣。

（2）現(xiàn)有技術(shù)需要被監(jiān)護人員主動有意識的配合，而當(dāng)監(jiān)護人員失去了主動意識思維以后，現(xiàn)有技術(shù)大多失效。

（3）現(xiàn)有技術(shù)成本較高，例如為了準確地檢測生命特征指標或者為了多傳感器監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)的融合分析，需要增加先進的中央處理器和付出昂貴的通信費用。

圖1：基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的人員安危立體護航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對人們所面臨的危急生存現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術(shù)方案的缺陷，論文提出了一個低成本的實時立體精密監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于免費試用的物聯(lián)網(wǎng)阿里云平臺，實現(xiàn)了對生存環(huán)境監(jiān)控+生命體征質(zhì)保檢測+救護導(dǎo)航的三重立體精密護航，特別是當(dāng)人員失去主動意識時，該系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)這一狀況，且不影響系統(tǒng)的正常工作。

2 生命健康立體護航物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)原理

針對上述問題，論文所提系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括感知檢測功能、主控制功能、導(dǎo)航功能和阿里云聯(lián)網(wǎng)功能。其中，主控功能是信號轉(zhuǎn)換處理的核心，由成本較低的STM32F 系列單片機實現(xiàn)，向下負責(zé)控制和接受各個硬件電路的檢測、感知和導(dǎo)航，向上負責(zé)將數(shù)據(jù)上傳阿里云平臺。主控系統(tǒng)和阿里云平臺通過4G 公網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享，具體由上海移遠公司的EC20模塊實現(xiàn)。底層信號處理以人員安危狀況為中心，具體包括環(huán)境感知第一層監(jiān)控、生命體征第二層監(jiān)控和導(dǎo)航系統(tǒng)第三層監(jiān)控，為克服現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)人員失去主動意識時系統(tǒng)失靈的問題，本系統(tǒng)新增了主動意識檢測模塊。因此，本系統(tǒng)原理設(shè)計上突破了現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，底層信號處理實現(xiàn)了人員危急監(jiān)控的立體精密護理。

2.1 環(huán)境感知模塊

該模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、含氧量傳感器、二氧化硫傳感器、一氧化碳傳感器，上述傳感器的輸出均為數(shù)字信號，可以直接連接單片機的數(shù)據(jù)接口。

2.2 生命體征監(jiān)控模塊

該模塊由天津驚帆公司生產(chǎn)的JFH111 智能監(jiān)控檢測傳感器實現(xiàn)，該傳感器是一款多光譜生理數(shù)據(jù)測量模塊，可準確測量脈搏波形、心率值、血氧值和血管微循環(huán)參數(shù)等信息。該模塊結(jié)合驚帆特有的信號調(diào)理技術(shù)和算法，直接輸出脈搏波形、心率值、血氧值和血管微循環(huán)參數(shù)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。用戶系統(tǒng)只需通過串口即可和模塊通信，并且直接獲得測量結(jié)果。在精準易用的同時，JFH111 模塊還具備超小體積和超低功耗的特性，提升了智能穿戴設(shè)備的續(xù)航時間和外觀設(shè)計的靈活性。

2.3 主動意識檢測模塊

該模塊由MPU6050 六軸傳感器實現(xiàn)人員姿態(tài)的檢測，當(dāng)人員失去主動意識而身體姿態(tài)出現(xiàn)異常時例如跌倒等，該傳感能夠感知這一異常狀況并上傳主控制系統(tǒng)。MPU6050 是 InvenSense 公司生產(chǎn)的一款內(nèi)含信號濾波算法的6 軸運動處理組件，MPU6050 內(nèi)部整合了3 軸陀螺儀和 3 軸加速度傳感器，并且含有一個第二 IIC 接口，可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運動處理器（DMP：Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應(yīng)用端輸出完整的9 軸融合演算數(shù)據(jù)。

2.4 導(dǎo)航系統(tǒng)模塊

該模塊由GPS 定位傳感器實現(xiàn)，實時將人員所處位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)上傳主控制系統(tǒng)，從而為救護提供導(dǎo)航功能。

該系統(tǒng)的工作原理如流程圖2所示，系統(tǒng)上電初始化之后，首先由主動意識檢測模塊監(jiān)控人員的身體姿態(tài)是否正常，如正常則啟動生命體征監(jiān)控模塊，如不正常則開啟導(dǎo)航系統(tǒng)模塊提供救護導(dǎo)航經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)；如生命體征監(jiān)控模塊檢測到人員體征正常，則開啟環(huán)境感知模塊，如果人員生命特征出現(xiàn)異常則開展導(dǎo)航系統(tǒng)模塊；如環(huán)境感知模塊檢測到環(huán)境狀況正常則系統(tǒng)進入實時監(jiān)控狀況，如環(huán)境感知模塊檢測到環(huán)境狀況異常則同樣開啟導(dǎo)航系統(tǒng)模塊。

圖2：系統(tǒng)工作原理流程圖

圖3：系統(tǒng)基于EC20 對接阿里云原理

3 系統(tǒng)對接阿里云平臺的聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)

阿里云是阿里巴巴集團公司專業(yè)開發(fā)的成熟的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云平臺，其基于產(chǎn)品-設(shè)備-功能三層協(xié)議構(gòu)架實現(xiàn)對用戶的接入，支持基于MQTT 通信統(tǒng)協(xié)議對接用戶數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。本系統(tǒng)采用EC20 模塊將主控制系統(tǒng)連接到阿里云平臺，原理如圖3所示。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的創(chuàng)建具體可以參照官方的指導(dǎo)手冊，論文創(chuàng)建的人員危急監(jiān)控與救援導(dǎo)航系統(tǒng)的部分功能截圖如圖4所示，該截圖主要實現(xiàn)了生命體征檢測和導(dǎo)航系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)功能，具體開發(fā)了心率、血氧飽和度、微循環(huán)和經(jīng)緯度四個產(chǎn)品-設(shè)備-功能屬性，可以將上述四個傳感器的檢測數(shù)據(jù)實時上傳到阿里云平臺，供監(jiān)控中心查看。將傳感器底層、主控制系統(tǒng)、EC20 模塊和阿里云聯(lián)網(wǎng)調(diào)試通過過，經(jīng)過12 小時的連續(xù)實驗室內(nèi)測試和為期一個月的室外使用測試，平臺上觀察到的數(shù)據(jù)和實際檢測數(shù)據(jù)一致，且為發(fā)生任何故障，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，從而達到了實用效果。

圖4：系統(tǒng)對接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能實現(xiàn)截圖