基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的智慧家庭健康醫(yī)療系統(tǒng)

1. 項目開發(fā)背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)逐漸融入到我們的日常生活中，成為提高生活質(zhì)量、增強(qiáng)家庭安全、提升健康管理的重要工具。特別是在健康醫(yī)療領(lǐng)域，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能家居不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測用戶的身體狀況，還能對異常情況進(jìn)行及時報警，幫助家庭成員及時應(yīng)對突發(fā)健康問題。

本項目設(shè)計一種智能家居健康醫(yī)療系統(tǒng)，通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對家庭成員的健康狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，及時獲取溫度、脈搏等生理參數(shù)，結(jié)合跌倒檢測和吸煙警告功能，在發(fā)生健康異常時進(jìn)行報警和干預(yù)。本系統(tǒng)不僅可以為家庭成員提供實時的健康數(shù)據(jù)監(jiān)測，還能通過云平臺實時上傳數(shù)據(jù)，便于長期健康管理。

2. 設(shè)計實現(xiàn)的功能

本項目設(shè)計的智能家居健康醫(yī)療系統(tǒng)包括以下核心功能：

1. 溫度測量及設(shè)置閾值： 通過溫度傳感器實時測量用戶體溫，并根據(jù)需求設(shè)置體溫閾值。閾值初始值為36.5℃，用戶可以通過按鍵調(diào)整，閾值范圍在35℃到42℃之間。溫度值超出閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警。
2. 脈搏測量： 使用微震動傳感器檢測用戶脈搏，通過信號采集與解算判斷脈搏的健康情況。
3. 跌倒檢測及報警： 通過加速度傳感器檢測用戶的姿態(tài)變化，當(dāng)系統(tǒng)檢測到跌倒事件時，立即觸發(fā)報警，發(fā)出蜂鳴聲以引起周圍人的注意。
4. 吸煙警告： 使用煙霧傳感器檢測環(huán)境中的煙霧濃度，當(dāng)檢測到吸煙信號時，系統(tǒng)會發(fā)出持續(xù)警報，直到香煙熄滅。
5. 數(shù)據(jù)上傳至OneNet云平臺： 實時將溫度、脈搏、姿態(tài)、煙霧濃度等數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙技術(shù)發(fā)送至遠(yuǎn)程智能設(shè)備，并上傳至OneNet云平臺，以便用戶通過云平臺查看健康數(shù)據(jù)或圖表分析。
6. 系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性： 系統(tǒng)設(shè)計必須保證數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理過程的穩(wěn)定性，確保用戶健康數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實時性。同時，系統(tǒng)具備一定的安全防護(hù)措施，防止數(shù)據(jù)泄漏和被篡改。

3. 項目硬件模塊組成

該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括以下幾個部分：

1. STM32F103RCT6主控芯片： 作為系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)處理來自各傳感器的數(shù)據(jù)，并控制其他模塊的工作。
2. 溫度傳感器（如DS18B20）： 用于實時測量用戶體溫，并與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
3. 微震動傳感器： 用于檢測脈搏，微震動傳感器通過監(jiān)測微小的震動信號來獲取脈搏頻率信息。
4. 加速度傳感器（如MPU6050）： 用于監(jiān)測用戶的姿態(tài)變化，實現(xiàn)跌倒檢測功能。
5. 煙霧傳感器（如MQ-2）： 用于監(jiān)測空氣中的煙霧濃度，當(dāng)濃度超過設(shè)定值時發(fā)出警報。
6. 蜂鳴器： 在跌倒檢測和吸煙警告時發(fā)出報警聲音，提醒周圍的人注意。
7. 藍(lán)牙模塊（如HC-05）： 用于將采集到的健康數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%89%8B%E6%9C%BA/">智能手機(jī)或其他智能設(shè)備。
8. OneNet云平臺： 用于接收從藍(lán)牙模塊上傳的數(shù)據(jù)，提供實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析功能。
9. 按鍵模塊： 用于用戶設(shè)置溫度閾值，提供增減溫度的功能。
10. OLED顯示屏： 用于顯示當(dāng)前體溫、脈搏、煙霧濃度等實時數(shù)據(jù)，提供直觀的用戶界面。

4. 設(shè)計思路

本系統(tǒng)的設(shè)計思路主要圍繞以下幾個核心點展開：

1. 硬件設(shè)計： 采用STM32F103RCT6作為主控芯片，通過其豐富的IO口與各傳感器模塊進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等功能。同時，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計，確保在實際應(yīng)用中的長期穩(wěn)定性。
2. 傳感器信號采集與處理： 各傳感器（溫度傳感器、微震動傳感器、加速度傳感器、煙霧傳感器）負(fù)責(zé)不同的生理信號采集。傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)將通過STM32F103RCT6進(jìn)行處理和解算，并根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否觸發(fā)報警。
3. 通信與數(shù)據(jù)上傳： 系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行通信，將采集到的健康數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程設(shè)備。同時，系統(tǒng)也會將數(shù)據(jù)上傳至OneNet云平臺，用戶可以通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和查看。
4. 報警機(jī)制： 系統(tǒng)通過蜂鳴器發(fā)出聲音報警，提醒用戶跌倒或吸煙異常情況。報警系統(tǒng)的設(shè)計要保證能夠及時、清晰地提醒用戶或周圍人注意到異常情況。
5. 用戶界面設(shè)計： 采用OLED顯示屏展示用戶的實時健康數(shù)據(jù)，提供溫度、脈搏、姿態(tài)、煙霧濃度等信息，便于用戶進(jìn)行健康監(jiān)測。
6. 系統(tǒng)安全與穩(wěn)定性： 系統(tǒng)設(shè)計需要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，尤其是健康數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性。同時，系統(tǒng)要具備一定的安全防護(hù)機(jī)制，防止數(shù)據(jù)泄漏或遭到攻擊。

5. 系統(tǒng)功能總結(jié)

6. 使用的模塊的技術(shù)詳情介紹

STM32F103RCT6主控芯片

• 32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高72 MHz。
• 具有豐富的I/O接口，適合傳感器模塊的連接。
• 支持多種通信協(xié)議，如UART、I2C、SPI等，便于與外部模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

DS18B20溫度傳感器

• 通過單總線協(xié)議與STM32連接，能夠準(zhǔn)確測量-55°C到+125°C的溫度。
• 分辨率可調(diào)，最高為0.0625°C。

MPU6050加速度傳感器

• 集成三軸加速度計與三軸陀螺儀，用于姿態(tài)變化檢測。
• 通過I2C通信與STM32連接，采樣頻率可調(diào)。

MQ-2煙霧傳感器

• 可檢測空氣中的煙霧、甲烷、一氧化碳等氣體。
• 模擬輸出信號，與STM32的ADC模塊連接。

HC-05藍(lán)牙模塊

• 提供與智能設(shè)備（如手機(jī)、平板）的無線通信。
• 支持藍(lán)牙串口協(xié)議（SPP），簡便的數(shù)據(jù)傳輸方式。

OLED顯示屏

• 采用I2C協(xié)議與STM32連接，顯示實時健康數(shù)據(jù)。
• 分辨率通常為128x64像素，顯示清晰、直觀。

7. STM32代碼設(shè)計

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "temperature_sensor.h"     // 溫度傳感器相關(guān)頭文件
#include "pulse_sensor.h"           // 脈搏傳感器相關(guān)頭文件
#include "fall_detection.h"         // 跌倒檢測相關(guān)頭文件
#include "smoke_sensor.h"           // 煙霧傳感器相關(guān)頭文件
#include "bluetooth.h"              // 藍(lán)牙通信相關(guān)頭文件
#include "oled_display.h"           // OLED顯示相關(guān)頭文件
#include "keypad.h"                 // 按鍵輸入相關(guān)頭文件
#include "onenet.h"                 // OneNet云平臺上傳相關(guān)頭文件

// 全局變量
float temperature = 36.5f;    // 初始體溫設(shè)為36.5℃
float pulse = 0.0f;           // 初始脈搏值
uint8_t fall_detected = 0;    // 跌倒檢測標(biāo)志
uint8_t smoking_detected = 0; // 吸煙檢測標(biāo)志
float smoke_level = 0.0f;     // 煙霧濃度

// 按鍵設(shè)置的體溫閾值
float temp_threshold = 36.5f;

// 初始化所有模塊
void System_Init(void) {
    HAL_Init();
    MX_GPIO_Init();             // GPIO初始化
    MX_USART1_UART_Init();      // UART初始化
    MX_I2C1_Init();             // I2C初始化
    MX_SPI1_Init();             // SPI初始化
    MX_ADC1_Init();             // ADC初始化
    OLED_Init();                // 初始化OLED顯示
    Bluetooth_Init();           // 初始化藍(lán)牙模塊
    OneNet_Init();              // 初始化OneNet云平臺
    Keypad_Init();              // 初始化按鍵模塊
}

// 更新溫度閾值
void Update_Temperature_Threshold(void) {
    if (Keypad_IsPressed()) {  // 檢測按鍵輸入
        if (Keypad_GetValue() == KEY_UP) {
            temp_threshold += 0.25f;   // 增加溫度閾值
            if (temp_threshold > 42.0f) temp_threshold = 42.0f;
        }
        if (Keypad_GetValue() == KEY_DOWN) {
            temp_threshold -= 0.25f;   // 減少溫度閾值
            if (temp_threshold < 35.0f) temp_threshold = 35.0f;
        }
    }
}

// 獲取溫度數(shù)據(jù)
void Get_Temperature(void) {
    temperature = Temperature_Sensor_Read();  // 從溫度傳感器獲取當(dāng)前體溫
    if (temperature > temp_threshold) {
        // 如果體溫超過閾值，觸發(fā)報警
        OLED_DisplayText("Temp: High Alert!", 0, 0);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鳴器報警
    } else {
        OLED_DisplayText("Temp: Normal", 0, 0);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 蜂鳴器關(guān)閉
    }
}

// 獲取脈搏數(shù)據(jù)
void Get_Pulse(void) {
    pulse = Pulse_Sensor_Read(); // 從脈搏傳感器獲取數(shù)據(jù)
    OLED_DisplayText("Pulse: ", 0, 1);
    OLED_DisplayFloat(pulse, 1, 1);
}

// 獲取跌倒檢測數(shù)據(jù)
void Detect_Fall(void) {
    fall_detected = Fall_Detection_Read(); // 獲取跌倒檢測狀態(tài)
    if (fall_detected) {
        OLED_DisplayText("Fall Detected!", 0, 2);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鳴器報警
    }
}

// 獲取煙霧濃度數(shù)據(jù)
void Get_Smoke_Level(void) {
    smoke_level = Smoke_Sensor_Read(); // 從煙霧傳感器讀取數(shù)據(jù)
    if (smoke_level > 500) {  // 假設(shè)煙霧濃度超過500表示吸煙
        smoking_detected = 1;
        OLED_DisplayText("Smoke Detected!", 0, 3);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鳴器報警
    } else {
        smoking_detected = 0;
    }
}

// 上傳數(shù)據(jù)到OneNet云平臺
void Upload_Data_To_Cloud(void) {
    OneNet_SendData("Temperature", temperature);  // 上傳體溫數(shù)據(jù)
    OneNet_SendData("Pulse", pulse);              // 上傳脈搏數(shù)據(jù)
    OneNet_SendData("FallStatus", fall_detected); // 上傳跌倒?fàn)顟B(tài)
    OneNet_SendData("SmokeLevel", smoke_level);   // 上傳煙霧濃度數(shù)據(jù)
}

// 主函數(shù)
int main(void) {
    System_Init();   // 初始化所有模塊

    while (1) {
        // 持續(xù)監(jiān)測溫度、脈搏、跌倒、煙霧
        Get_Temperature();
        Get_Pulse();
        Detect_Fall();
        Get_Smoke_Level();
        Update_Temperature_Threshold();  // 更新溫度閾值

        // 上傳數(shù)據(jù)到云平臺
        Upload_Data_To_Cloud();
    }
}

代碼功能解釋：

1. System_Init(): 初始化系統(tǒng)所需的各個模塊，包括GPIO、UART、I2C、SPI、ADC以及OLED顯示、藍(lán)牙模塊等。
2. Update_Temperature_Threshold(): 通過按鍵輸入（假設(shè)是上下鍵），動態(tài)調(diào)整溫度閾值。每按一次上鍵，閾值增加0.25℃，下鍵則減少0.25℃，范圍限定在35℃到42℃之間。
3. Get_Temperature(): 通過調(diào)用溫度傳感器的讀取函數(shù)獲取當(dāng)前體溫。如果體溫超過設(shè)定的閾值，則觸發(fā)報警并激活蜂鳴器。
4. Get_Pulse(): 獲取脈搏傳感器的數(shù)據(jù)并顯示在OLED屏幕上。
5. Detect_Fall(): 通過跌倒檢測傳感器判斷是否發(fā)生跌倒，如果跌倒則觸發(fā)報警，顯示在OLED屏幕上。
6. Get_Smoke_Level(): 獲取煙霧傳感器的數(shù)據(jù)，如果煙霧濃度超過設(shè)定值（例如500）則認(rèn)為是吸煙，觸發(fā)警報。
7. Upload_Data_To_Cloud(): 將實時采集到的數(shù)據(jù)（溫度、脈搏、跌倒?fàn)顟B(tài)、煙霧濃度）通過OneNet云平臺接口上傳至云平臺，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。
8. 主循環(huán):
   • 主循環(huán)持續(xù)進(jìn)行健康監(jiān)測：溫度、脈搏、跌倒、煙霧濃度數(shù)據(jù)采集。
   • 每次監(jiān)測完后，會上傳數(shù)據(jù)至OneNet云平臺。
   • 通過 HAL_Delay(1000) 控制更新頻率（每秒一次）。