基于心率和血氧傳感器的智能安全帽人體體征狀態系統設計

蘇 杰，吳有龍，沈 亮，潘星穎，鄭 坤，梁楷博，葉 晴

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，我國建筑業得到快速發展，建造能力持續增強、產業規模不斷擴大、年產值不斷提高，但在建造施工過程中依然存在著管理粗放、生產方式落后、機械化程度低、安全事故頻發等問題。因此，在建筑工地這一類高危險工作場景中，人們對于安全的重視程度也越來越高。然而傳統的安全帽僅能抵抗一定程度上對頭部的打擊，能夠實時檢測人體體征狀態的安全帽還不多。因此，需要將安全帽與體征檢測聯系起來，這樣可以在很大程度上保障施工人員的安全并提高工作效率。

國內有不少關于安全帽和施工工地智能化的研究，呂躍躍等設計了一種基于可穿戴計算的智慧安全管理系統的總體架構。王慧設計了基于改進Faster R-CNN的安全帽檢測及身份識別系統。王達彤研究了面向化工安全生產的安全帽與異物入侵檢測方法。國外也有不少相關研究，如Dharani等開發了基于物聯網的用于采礦跟蹤的工人安全頭盔系統；Karthiga等設計了一種煤礦工人安全頭盔。

為了保護處于危險工作環境下工人的生命安全，實時監測人體體征狀態變得格外重要?；谛穆屎脱鮽鞲衅鞯闹悄馨踩比梭w體征狀態系統，不僅可以具有傳統安全帽抵擋外部沖擊的功能，而且可以通過傳感器實時監測人體體征狀態，能夠更加有效地守護人身安全。同時，在一些特殊環境下，如高溫、有害氣體等環境，人體體征監測安全帽可以時刻檢測人體體征，在佩戴者失去知覺時能夠根據心率及血氧濃度判斷人體體征狀況，然后通過4G模塊傳輸信息并及時發出報警，等待監管人員收到信息后及時前往救治。

1 系統設計

基于血氧心率傳感器的智能安全帽人體體征狀態系統總體設計如圖1所示。該系統硬件部分是搭載有傳感器的STM32單片機，通過血氧心率傳感器檢測佩戴者的心率和血氧數據并傳輸到STM32單片機上，安全帽實時將位置信息和心率血氧濃度信息通過4G通信模塊發送給服務器，工作人員可通過網頁端查看用戶對應的信息。當異常情況發生時，安全帽會發出報警聲，同時網頁端進行同步報警，救援人員收到消息并進行救援。

圖1 系統總體設計

智能安全帽由四個模塊組成：總控模塊，負責各個模塊的控制以及數據處理；血氧模塊，負責獲取心率和血氧數據并與總控模塊進行通信；報警模塊，負責發出聲音報警；通信模塊：負責數據的傳輸。網頁端主要實現信息顯示功能，將智能安全帽收集到的數據進行整合顯示。

2 相關技術

2.1 STM32控制板

STM32控制板上電后首先對4G模塊進行初始化處理，通過串口發送指令對4G模塊進行初始化，判斷4G模塊初始化成功后進行下一步操作；若初始化失敗，則重新進行初始化。接著啟動血氧心率傳感器，將血氧心率傳感器的相關采集數據進行處理，依據算法得出心率血氧值，并通過4G模塊發送到服務器并存儲在數據庫中，之后心率血氧傳感器暫停工作，待到設定的間隔時間結束再繼續進行數據的采集、分析、上傳。STM32芯片原理如圖2所示。

圖2 STM32芯片原理

2.2 4G通信技術

4G通信技術為用戶信息的甄別、傳輸、使用、存儲提供了一系列完整可靠的保障，其網絡技術更加穩定，數據傳輸速度更加迅速便捷，功能也更趨多樣化；同時更注重用戶體驗，追求個性化服務，十分符合本系統對實時性、可靠性的要求。本設計采用的4G模塊AIR724UG內置豐富的網絡協議，集成多個工業標準接口，并支持多種驅動和軟件功能，AIR724功能框圖如圖3所示。

圖3 AIR724功能框圖

2.3 阿里云與MQTT協議

IoT Studio是阿里云針對物聯網場景提供的工具，它可覆蓋各物聯網行業核心應用場景，為物聯網開發服務提供移動可視化開發、Web可視化開發、服務開發和設備開發等。本案例使用基于Web的可視化開發插件，用戶通過遠程輸入地址即可輕松實現對數據的讀取和寫入。

MQTT是一種基于發布/訂閱模式的輕量級通信協議，構建于TCP/IP協議上，其最大優點在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為遠程設備提供實時可靠的消息服務。

2.4 心率和血氧傳感器

MAX30102是一個生物傳感器模塊，具有集成的心率監測儀和脈搏血氧儀。該芯片體積小，可應用在可穿戴設備上實現心率和血氧采集。使用標準IC兼容接口，將采集到的數據傳輸給STM32并進行后續的心率和血氧計算。MAX30102的光電二極管接收到的原始光信號波形可分為兩部分：DC signal和AC signal。通過計算AC signal兩個波峰的時間就能計算出心率。

血氧計算只需要分別算出紅光的交流除以紅光的直流，即ACred/DCred，以及紅外的交流除以紅外的直流分量，即ACired/DCired。然后二者相除得到，如式（1）所示。

最后可以通過如下擬合公式計算得到血氧值：

3 功能闡述

3.1 用戶功能

用戶可以通過登錄網頁端查看當前實時心率以及血氧信息。當心率以及血氧值超出預期設定范圍時，報警模塊報警并給服務器傳遞相關信息。

3.2 管理員功能

管理員可以在后臺設置心率血氧值的預定范圍，并對傳遞到服務器的報警信息進行處理；同時還可以設置心率血氧模塊的工作頻率，減少電量消耗。網頁端實時查看心率血氧信息如圖4所示。

圖4 網頁端實時查看心率血氧信息

4 硬件電路

系統硬件總體設計框圖如圖5所示。硬件連接方面采取STM32作為主控芯片，通過串口2連接MAX30102、串口3連接4G通信模塊。報警模塊在檢測到數據異常后發出報警。

圖5 硬件電路設計框圖

STM32單片機供電后先進行初始化操作，將4G通信模塊以及MAX30102心率血氧模塊進行初始化；初始化結束后，系統開始正常工作，將心率血氧模塊采集到的數據通過4G通信模塊發送到阿里云平臺。硬件實物連接如圖6所示，智能安全帽實物如圖7所示。

圖6 硬件實物連接圖

圖7 智能安全帽實物圖

5 結 語

當前我國安全帽市場中占據大多市場份額的依舊是傳統的安全帽，然而傳統的安全帽僅能在一定程度上抵抗對頭部的打擊。本文設計的安全帽可以在傳統安全帽功能的基礎上，對佩戴人員進行心率和血氧濃度的測定，并且可以在網頁上實時顯示佩戴者的生命體征狀況，在更大范圍上守護佩戴人員的安全，做到安全防護、及時救護。