周凌簫 董少俊 豐明坤 葉林朋 劉喜昂

（浙江科技學院信息與電子工程學院 浙江省杭州市 310012）

1 引言

當今，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實危險，經過大量調研和分析，可以將這種危機的社會生存現狀梳理為三個方面：

（1）大眾共同面臨的突發外部社會自然災害和生活環境的惡化，例如有毒氣體及污染物的泄露、易燃易爆化學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嚴重狀況，長期遭受外部環境侵犯而導致的生命體征指標逐漸惡化，諸如心率紊亂、血氧含量下降、微循環超標等累計狀況。

（3）當人們遭受了狀況（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。

基于上述生存現狀，科研人員和工程企業進行了長期廣泛的研究和開發，已經提出了一些解決方案，但是隨著新狀況的不斷出現，現有技術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）現有技術需要被監護人員主動有意識的配合，而當監護人員失去了主動意識思維以后，現有技術大多失效。

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

圖1：基于物聯網平臺的人員安危立體護航系統結構圖

針對人們所面臨的危急生存現狀和現有技術方案的缺陷，論文提出了一個低成本的實時立體精密監護系統，該系統借助于免費試用的物聯網阿里云平臺，實現了對生存環境監控+生命體征質保檢測+救護導航的三重立體精密護航，特別是當人員失去主動意識時，該系統能及時發現這一狀況，且不影響系統的正常工作。

2 生命健康立體護航物聯網平臺系統原理

針對上述問題，論文所提系統原理結構如圖1所示，該系統主要包括感知檢測功能、主控制功能、導航功能和阿里云聯網功能。其中，主控功能是信號轉換處理的核心，由成本較低的STM32F 系列單片機實現，向下負責控制和接受各個硬件電路的檢測、感知和導航，向上負責將數據上傳阿里云平臺。主控系統和阿里云平臺通過4G 公網系統實現數據傳輸與共享，具體由上海移遠公司的EC20模塊實現。底層信號處理以人員安危狀況為中心，具體包括環境感知第一層監控、生命體征第二層監控和導航系統第三層監控，為克服現有技術中當人員失去主動意識時系統失靈的問題，本系統新增了主動意識檢測模塊。因此，本系統原理設計上突破了現有技術瓶頸，底層信號處理實現了人員危急監控的立體精密護理。

2.1 環境感知模塊

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字信號，可以直接連接單片機的數據接口。

2.2 生命體征監控模塊

該模塊由天津驚帆公司生產的JFH111 智能監控檢測傳感器實現，該傳感器是一款多光譜生理數據測量模塊，可準確測量脈搏波形、心率值、血氧值和血管微循環參數等信息。該模塊結合驚帆特有的信號調理技術和算法，直接輸出脈搏波形、心率值、血氧值和血管微循環參數，大大降低了系統復雜程度。用戶系統只需通過串口即可和模塊通信，并且直接獲得測量結果。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，提升了智能穿戴設備的續航時間和外觀設計的靈活性。

2.3 主動意識檢測模塊

該模塊由MPU6050 六軸傳感器實現人員姿態的檢測，當人員失去主動意識而身體姿態出現異常時例如跌倒等，該傳感能夠感知這一異常狀況并上傳主控制系統。MPU6050 是 InvenSense 公司生產的一款內含信號濾波算法的6 軸運動處理組件，MPU6050 內部整合了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，并利用自帶的數字運動處理器（DMP：Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應用端輸出完整的9 軸融合演算數據。

2.4 導航系統模塊

該模塊由GPS 定位傳感器實現，實時將人員所處位置的經緯度數據上傳主控制系統，從而為救護提供導航功能。

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

圖2：系統工作原理流程圖

圖3：系統基于EC20 對接阿里云原理

3 系統對接阿里云平臺的聯網實現

阿里云是阿里巴巴集團公司專業開發的成熟的工業物聯網（IoT）云平臺，其基于產品-設備-功能三層協議構架實現對用戶的接入，支持基于MQTT 通信統協議對接用戶數據的上傳和下發。本系統采用EC20 模塊將主控制系統連接到阿里云平臺，原理如圖3所示。

阿里云物聯網平臺的創建具體可以參照官方的指導手冊，論文創建的人員危急監控與救援導航系統的部分功能截圖如圖4所示，該截圖主要實現了生命體征檢測和導航系統的物聯網功能，具體開發了心率、血氧飽和度、微循環和經緯度四個產品-設備-功能屬性，可以將上述四個傳感器的檢測數據實時上傳到阿里云平臺，供監控中心查看。將傳感器底層、主控制系統、EC20 模塊和阿里云聯網調試通過過，經過12 小時的連續實驗室內測試和為期一個月的室外使用測試，平臺上觀察到的數據和實際檢測數據一致，且為發生任何故障，系統運行穩定，從而達到了實用效果。

圖4：系統對接阿里云物聯網平臺的功能實現截圖