應(yīng)對(duì)重大突發(fā)公共危機(jī)預(yù)警的藍(lán)牙手環(huán)設(shè)計(jì)

于恒　朱杰

摘? 要：公共危機(jī)預(yù)警是處理重大突發(fā)公共危機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取預(yù)警信息可在一定程度上減少損失抑或避免危機(jī)的發(fā)生。在對(duì)部分地區(qū)進(jìn)行預(yù)警調(diào)查后，基于實(shí)際情況以及功能、價(jià)格等方面的綜合考慮，決定采用藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)設(shè)計(jì)一款能夠監(jiān)測(cè)體溫、距離，并能夠儲(chǔ)存信息的藍(lán)牙手環(huán)，在災(zāi)害高發(fā)地區(qū)及需要管控的高危地區(qū)給群眾佩戴警報(bào)器手環(huán)，統(tǒng)一發(fā)布緊急信息，并以疫情為例闡述本設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)突發(fā)公共危機(jī)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：危機(jī)預(yù)警;藍(lán)牙;GPRS

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）20-0181-05

Design of Bluetooth Bracelet for Early Warning of Major Sudden Public Crisis

YU Heng， ZHU Jie

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： Public crisis early warning is the key link to deal with major sudden public crises. Timely and accurate access to early warning information can reduce losses or avoid crises to a certain extent. After early warning investigation to some areas， based on the actual situation， after the comprehensive consideration of function， price and other aspects， it is decided to use Bluetooth technology to design a Bluetooth bracelet that can monitor body temperature and distance and store information， provide alarm bracelets for people in disaster prone areas and high-risk areas requiring control， uniformly release emergency information， and take the epidemic situation as an example to illustrate the countermeasures of this design to deal with sudden public crisis.

Keywords： crisis early warning; bluetooth; GPRS

0? 引? 言

近年來出現(xiàn)的突發(fā)公共危機(jī)層出不窮，2019年12月新型冠狀病毒襲擊中國(guó)，截止到2021年9月，全世界因新冠疫情死亡人數(shù)已達(dá)五百萬(wàn)人。災(zāi)害不僅給人的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失，也暴露了在公共危機(jī)預(yù)警上的不足。因此，建立起公共危機(jī)預(yù)警系統(tǒng)并采取合理的措施迫在眉睫。

在信息網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的背景下，通過藍(lán)牙手環(huán)的預(yù)警形式也為處理突發(fā)公共危機(jī)提供了可行的方案。在自然災(zāi)害高發(fā)地區(qū)及人員密集區(qū)域佩戴智能可穿戴的設(shè)備，以設(shè)備為載體，通過藍(lán)牙信號(hào)檢測(cè)相互之間的距離，可防止人員之間近距離接觸導(dǎo)致的交叉?zhèn)鞑?，也可以通過終端發(fā)送預(yù)警信息，提前做好準(zhǔn)備。

1? 選擇依據(jù)

本文基于實(shí)際情況及功能、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合考慮。目前，市場(chǎng)可購(gòu)買的手環(huán)通信技術(shù)包括3G/4G技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)四種[1]，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中ZigBee手環(huán)無(wú)線通信技術(shù)通過專門無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成相互協(xié)調(diào)通信，因此，該技術(shù)也稱為home RF Lite技術(shù)，其在應(yīng)用中以簽到打卡功能為主，價(jià)格高，并不符合本設(shè)計(jì)預(yù)警和架構(gòu)的需要。Wi-Fi技術(shù)和3G/4G技術(shù)需要通過高速通信設(shè)計(jì)，手環(huán)協(xié)議棧非常復(fù)雜，并且信號(hào)要求高，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卡頓時(shí)無(wú)法及時(shí)傳播信息，且電量消耗快，產(chǎn)品體積大，也不滿足本品小巧輕便的需要。此外，雖然Wi-Fi技術(shù)芯片價(jià)格相對(duì)便宜，但后期配套使用的零部件及維修費(fèi)用比較高，性價(jià)比低。而相對(duì)于其他幾種來說，藍(lán)牙技術(shù)的技術(shù)要求低、實(shí)物體積小、易佩戴、電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

綜上所述，本文最終選擇藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)作為研究點(diǎn)。

2? 藍(lán)牙手環(huán)結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙手環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，外圍電路包括藍(lán)牙、存儲(chǔ)電路、GPRS、電源管理等，這些共同組成本設(shè)計(jì)的所有功能。本設(shè)計(jì)使用百度開源的藍(lán)牙通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。手環(huán)的硬件部分控制核心使用的是一個(gè)集成藍(lán)牙功能的nRF51822芯片，并且使用了意法半導(dǎo)體（ST）的三軸重力加速度傳感器LIS3DH進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和輸出數(shù)據(jù)，可以比較精準(zhǔn)的收集人體動(dòng)態(tài)變化的加速度數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行信息處理，支持下一步信息的傳達(dá)[2]。手環(huán)硬件部分由主控芯片、藍(lán)牙芯片、重力感應(yīng)加速度裝置、震動(dòng)馬達(dá)、存儲(chǔ)器、電池、指示燈和各種外設(shè)元器件組成。

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙手環(huán)的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括中央處理單元、音頻模塊、傳感器模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊、輸入和輸出單元，其中最重要的是藍(lán)牙模塊中的藍(lán)牙芯片。

2.1.1? 中央處理器

中央處理單元包括主控芯片（MCU）和存儲(chǔ)器，核心控制芯片選擇的是意法半導(dǎo)體（ST）的STM32F103ZET6，該芯片的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的內(nèi)部集成資源和豐富的外設(shè)接口，能夠很好地適應(yīng)本設(shè)計(jì)的需求。其擁有豐富的I/O端口以及片內(nèi)外設(shè)，速度可達(dá)1.25 DMips/MHz，工作頻率72 MHz。

存儲(chǔ)器的作用是在把數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)終端前進(jìn)行閃存，是數(shù)據(jù)傳遞之間的橋梁。

2.1.2? 電源模塊

電池采用的是TI公司的TPS5430線性降壓芯片，輸入電壓范圍比較寬，可在5.5 V至36 V之間，電流輸出能力可到3 A（峰值為4 A），具有500 kHz開關(guān)頻率，工作效率高。

2.1.3? 傳感器模塊

通過運(yùn)動(dòng)傳感器可以檢測(cè)佩戴人的活動(dòng)情況，及時(shí)通過運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷情況，做出指令。

2.1.4? 無(wú)線通信模塊

藍(lán)牙模塊的藍(lán)牙芯片采用的是有人物聯(lián)網(wǎng)的USR-BLE100模塊，如圖2所示，該模塊是一款可以支持藍(lán)牙v4.1BLE協(xié)議（兼容v4.0）的低功耗模塊。頻率范圍是2.402 CHz-2.480 CHz，發(fā)射功率為-18 dBm至+3 dBm，傳輸距離模塊對(duì)傳80米，手機(jī)連接40米（空曠視距，0 dBm）[3]。藍(lán)牙信息傳輸起源時(shí)間早，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，到今天依然是一種極其重要的傳輸手段。藍(lán)牙傳輸是通過MCU芯片經(jīng)過TTL串口與電路相聯(lián)，通過地面收發(fā)基站使移動(dòng)設(shè)備與裝配藍(lán)牙芯片的設(shè)備相連接。

2.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分與上述硬件系統(tǒng)及電路相結(jié)合，共同工作，軟件系統(tǒng)是重要的信息輸出和顯示依據(jù)，是用戶直觀獲取信息的基礎(chǔ)。通過使用藍(lán)牙協(xié)議和GPRS協(xié)議在底層串口驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)主要分為兩部分：一是藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)，二是GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)。藍(lán)牙和GPRS是設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵，GPRS的主要功能就是進(jìn)行處理信息，包括語(yǔ)言信息輸出，數(shù)據(jù)信息輸入與存儲(chǔ)。在一定程度上，GPRS還可以實(shí)現(xiàn)蜂窩射頻中模擬數(shù)字的職能。系統(tǒng)軟件包括移動(dòng)終端軟件和移動(dòng)設(shè)備軟件兩部分，移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)是產(chǎn)品本身所具有的功能，移動(dòng)設(shè)備軟件以APP的形式下載到移動(dòng)設(shè)備，通過藍(lán)牙連接可以使用APP設(shè)置移動(dòng)終端數(shù)據(jù)，以達(dá)到最佳使用效果。以下是軟件運(yùn)行系統(tǒng)中溫度監(jiān)測(cè)部分的關(guān)鍵代碼：

sbit s1 = P3^6;

sbit s2 = P3^7;

sbit RS=P3^5;//寄存器選擇信號(hào)

sbit RW=P3^4;//讀寫操作選擇信號(hào)，高電平讀，低電平寫

sbit EN=P3^3;//使能信號(hào)

sbit CS1=P1^7;//左半屏顯示信號(hào)，低電平有效

sbit CS2=P1^6;//右半屏顯示信號(hào)，低電平有效

sbit DQ=P1^4;

sbit up=P1^1;

2.2.1? 藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)

通過設(shè)置默認(rèn)鏈接地址或者默認(rèn)查找連接的方式使其通電后可進(jìn)行自動(dòng)連接，自動(dòng)連接范圍內(nèi)的設(shè)備，并判斷距離，根據(jù)兩個(gè)終端的位置和溫度信息進(jìn)行預(yù)警。主機(jī)連接設(shè)備的方法可以分為兩種：第一種是采用人為主動(dòng)搜索的方式，第二種是通過設(shè)備的MAC地址，通過使用MAC綁定AT指令來設(shè)置默認(rèn)連接設(shè)備MAC地址。如圖3所示，藍(lán)牙模塊通過發(fā)送AT命令設(shè)置主模式，并建立連接，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]。藍(lán)牙連接需要地面基站的配合，地面基站需要在無(wú)遮擋300米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)覆蓋。地面基站收發(fā)設(shè)備需要做好防火、防水、持續(xù)供電等要求的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。已保證信息傳輸?shù)倪B續(xù)性。

2.2.2? GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

芯片和GPRS模塊軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，GPRS本身可以進(jìn)行信息反饋，通過接收GPRS的反饋信息就能判斷命令是否被成功運(yùn)行。發(fā)送命令后返回信息為“OK”時(shí)，說明指令執(zhí)行正確;當(dāng)返回的信息是“ERROR”時(shí)，說明發(fā)生了錯(cuò)誤。GPRS模塊流程圖如圖4所示，GPRS模塊的工作流程是通過發(fā)送AT命令建立連接，發(fā)送AT+CMGF命令，設(shè)置短信模式，發(fā)送AT+CMGF命令，開始發(fā)送短信。

2.3? 外觀設(shè)計(jì)

2.3.1? 外觀詳細(xì)說明

本產(chǎn)品手環(huán)整體設(shè)計(jì)為弧形設(shè)計(jì)，采用卡扣式的表帶設(shè)計(jì)，手環(huán)采用非金屬材質(zhì)的設(shè)計(jì)，以便最大限度地減少那些對(duì)金屬過敏人群出現(xiàn)的不適。整個(gè)手環(huán)內(nèi)側(cè)均為弧形設(shè)計(jì)，如圖5所示，在佩戴時(shí)能夠更好地貼合使用者的手腕，這種設(shè)計(jì)能更好地體現(xiàn)其符合人體工程學(xué)產(chǎn)品在佩戴舒適度上的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品屏幕采用溫度計(jì)顯示形式，在監(jiān)測(cè)溫度后可更加直觀的展示信息，手環(huán)側(cè)面采用流線型設(shè)計(jì)方式，使環(huán)身更加流暢美觀;整體采用大理石花紋的配色形式，富有新意。

2.3.2? 本產(chǎn)品使用材料

屏幕選擇方面采用AMOLED玻璃外屏，像素點(diǎn)高、色彩清晰，并且具有一定的可彎曲性，如圖6所示，屏幕更薄，減少對(duì)藍(lán)牙、蜂鳴器、LED燈空間的占用，使其更輕便。

手環(huán)材質(zhì)選擇TPE/TPR，實(shí)際上是基于SEBS基礎(chǔ)的彈性體材料。這類軟性材料也是熱塑性的，可采用注塑成型。材料優(yōu)點(diǎn)是觸感舒適柔軟，具有優(yōu)良彈性，可模擬皮膚柔軟爽滑的效果。TPE/TPR是無(wú)毒無(wú)味安全的材質(zhì)，對(duì)人體皮膚沒有致敏作用，符合醫(yī)療行業(yè)ISO-10993要求，是中高檔智能手環(huán)腕帶的必選材料。

3? 工作方式

3.1? 工作原理

本設(shè)計(jì)著重研究手環(huán)的內(nèi)部組成與工作原理。設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊、LED三色顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、電源管理模塊、充電管理模塊、溫度模塊、天線等零部件，各司其職，保證系統(tǒng)的運(yùn)行流程。

其工作原理為：通過藍(lán)牙在空中不斷發(fā)送指定的數(shù)據(jù)與溫度信息，只要配帶者將設(shè)備戴上后，設(shè)備的溫度采集模塊就可以將采集到的人體溫度信息給傳到空中，其他設(shè)備接收到這個(gè)信息后就可以解析出當(dāng)前別人的溫度信息，當(dāng)溫度解析出來后便可以控制LED顯示與蜂鳴器來警示別人，藍(lán)牙可以通過RSSI來了解兩臺(tái)設(shè)備的距離，所以獲取到設(shè)備的RSSI后便可以匹配相應(yīng)的距離信息，如果距離小于2米便會(huì)報(bào)警，如果體溫在安全的情況下便會(huì)緩慢響起蜂鳴器，如果體溫超過這個(gè)值便會(huì)讓蜂鳴器持續(xù)報(bào)警。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖7所示。

3.2? 技術(shù)路線

本設(shè)計(jì)以藍(lán)牙模塊構(gòu)建的模塊為核心，通過編程完成溫度傳感器的測(cè)量和兩人相距閾值的設(shè)計(jì)以及超過閾值時(shí)蜂鳴器的啟動(dòng)。通過藍(lán)牙模塊的RSSI完成距離的測(cè)量并送至藍(lán)牙模塊進(jìn)行處理。充電結(jié)束時(shí)間由藍(lán)牙模塊控制并通過蜂鳴器提示。

3.3? 工作流程

3.3.1? 綁定藍(lán)牙設(shè)備

首先需要在移動(dòng)設(shè)備上安裝產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的APP軟件，作為信息傳輸?shù)妮d體。安裝完成后運(yùn)行APP軟件，打開手機(jī)藍(lán)牙連接和啟動(dòng)設(shè)備。設(shè)備啟動(dòng)后開始自動(dòng)搜索可連接設(shè)備。下拉屏幕長(zhǎng)按藍(lán)牙連接圖標(biāo)或者通過設(shè)置進(jìn)入到藍(lán)牙設(shè)備搜索界面。在此界面中選中產(chǎn)品設(shè)備名稱，進(jìn)行連接，如圖8所示。點(diǎn)擊設(shè)備后會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框提示設(shè)備綁定成功，點(diǎn)擊“確定”。彈出對(duì)話框提示藍(lán)牙請(qǐng)求配對(duì)，點(diǎn)擊“配對(duì)”即可完成產(chǎn)品信息配對(duì)綁定。在下一次啟動(dòng)設(shè)備后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配連接，無(wú)須重復(fù)操作。

3.3.2? 設(shè)置提示信息

進(jìn)入APP界面，點(diǎn)擊設(shè)置。在設(shè)置中勾選距離提示，距離默認(rèn)為2米。提示音默認(rèn)為震動(dòng)。打開體溫監(jiān)測(cè)界面，勾選體溫提示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更新體溫信息。勾選距離提示后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將體溫過高警報(bào)也開啟?？赏ㄟ^體溫監(jiān)測(cè)界面設(shè)置警報(bào)體溫溫度，默認(rèn)提示溫度為37.5攝氏度。提示音默認(rèn)為蜂鳴聲。打開信息存儲(chǔ)界面，可選擇信息存儲(chǔ)記錄數(shù)量，默認(rèn)數(shù)量為無(wú)上限。自動(dòng)清理數(shù)據(jù)時(shí)間為20天。

3.3.3? 佩戴設(shè)備

將設(shè)置好的設(shè)備佩戴在手腕處，LED開始閃爍證明系統(tǒng)已開始運(yùn)行，正在監(jiān)測(cè)體溫信息。將此設(shè)備靠近2米內(nèi)的另一設(shè)備，手環(huán)開始震動(dòng)，證明距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已開始運(yùn)行。將2米內(nèi)的另一設(shè)備溫度提高到37.5攝氏度，設(shè)備開始發(fā)出蜂鳴聲，證明溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)已開始運(yùn)行。

4? 應(yīng)對(duì)突發(fā)公共危機(jī)對(duì)策

以新型冠狀病毒疫情為例，對(duì)于公共危機(jī)預(yù)警及時(shí)進(jìn)行警報(bào)擴(kuò)散可以借鑒溫州市在疫情期間的做法，疫情高峰期溫州市采取了浙江省統(tǒng)一的新冠疫情五色圖，通過色彩的不同來傳達(dá)危機(jī)等級(jí)，2020年2月10日，溫州市危機(jī)評(píng)估為高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，到3月2日，溫州市境內(nèi)14天無(wú)新增病例，疫情危機(jī)程度也重新評(píng)估為低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。為了第一時(shí)間將信息傳播給所有民眾及企事業(yè)單位。溫州市政府通過召開新聞發(fā)布會(huì)、QQ、微信、報(bào)刊、互聯(lián)網(wǎng)等多種手段進(jìn)行信息傳播。整體而言，溫州市的做法達(dá)到了即定目的[5]。但在全國(guó)范圍來看，依然有不少難以把控的案例，例如鄭州市郭某的一人行為使一城不安，揚(yáng)州市疫情始作俑者毛某使整個(gè)揚(yáng)州城全體居民集體做核酸。如果在疫情高發(fā)地區(qū)、重點(diǎn)隔離地區(qū)及對(duì)乘坐列車的人員佩戴藍(lán)牙警報(bào)器手環(huán)，統(tǒng)一發(fā)布消息，人員密切接觸及靠近時(shí)監(jiān)測(cè)體溫是否就可以在一定程度上預(yù)防疫情的傳播？故本設(shè)計(jì)擬達(dá)到以下三個(gè)功能。

4.1? 控制人員之間的距離

藍(lán)牙可以通過RSSI來了解兩臺(tái)設(shè)備的距離，在距離小于兩米時(shí)進(jìn)行一次震動(dòng)提醒，以免在睡夢(mèng)中或未發(fā)覺的情況下感染，通過佩戴警報(bào)器來不斷提醒佩戴者保持安全距離，防止密切接觸的發(fā)生。發(fā)現(xiàn)患者以后可以通過終端控制，向一定區(qū)域內(nèi)的所有警報(bào)器發(fā)送提示信息，以便盡快制止傳播源的行動(dòng)。

4.2? 排查體溫過高的危險(xiǎn)人員

感染疫情的一個(gè)最直接的監(jiān)測(cè)方式就是通過體溫來分析人員感染情況，設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的體溫信息，將體溫信息通過藍(lán)牙在空中不斷發(fā)送，設(shè)備的溫度采集模塊將采集到的人體溫度信息給傳到空中，設(shè)備接收到信息后解析出當(dāng)前的溫度信息，當(dāng)溫度超過安全值就會(huì)通過LED燈顯示與蜂鳴器來進(jìn)行警示。

4.3? 記錄接觸者信息

存儲(chǔ)器記錄下每次兩米內(nèi)接觸到的設(shè)備名稱，一旦出現(xiàn)確診病例可以通過存儲(chǔ)卡信息快速定位所有密切接觸者。對(duì)接觸者進(jìn)行隔離，以防止疫情進(jìn)一步擴(kuò)散。系統(tǒng)默認(rèn)無(wú)上限存儲(chǔ)接觸信息，數(shù)據(jù)信息保存期限為20天。記錄接觸時(shí)間、設(shè)備型號(hào)及名稱等信息。

5? 結(jié)? 論

本文基于應(yīng)對(duì)重大突發(fā)公共危機(jī)預(yù)警設(shè)計(jì)了一款通過藍(lán)牙進(jìn)行預(yù)警的警報(bào)器手環(huán)設(shè)計(jì)，旨在提高人員危機(jī)防控意識(shí)，通過探究突發(fā)公共危機(jī)預(yù)警的處理方式，進(jìn)而探索出一種應(yīng)對(duì)公共危機(jī)預(yù)警困境的有效設(shè)計(jì)。促使地方在進(jìn)行危機(jī)處理時(shí)能選擇高效的警報(bào)擴(kuò)散發(fā)布途徑，實(shí)時(shí)信息，提前預(yù)警，以保障人民群眾的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。未來，通過科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息監(jiān)測(cè)會(huì)更精確，信息傳遞也會(huì)更迅速，人們對(duì)于突然爆發(fā)的公共危機(jī)也可以給出更多更好的方案，真正做到“人定勝天”。

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作者簡(jiǎn)介：于恒（2001—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，主要研究方向：公共危機(jī)預(yù)警、藍(lán)牙技術(shù)。

朱杰（1982—），女，漢族，山東德州人，講師，學(xué)士，主要研究方向：公共危機(jī)預(yù)警、藍(lán)牙技術(shù)。