基于物聯網設計的智慧家庭健康醫療系統

1. 項目開發背景

隨著物聯網（IoT）技術的發展，智能家居系統逐漸融入到我們的日常生活中，成為提高生活質量、增強家庭安全、提升健康管理的重要工具。特別是在健康醫療領域，借助物聯網技術，智能家居不僅能夠實時監測用戶的身體狀況，還能對異常情況進行及時報警，幫助家庭成員及時應對突發健康問題。

本項目設計一種智能家居健康醫療系統，通過利用物聯網技術對家庭成員的健康狀態進行動態監控，及時獲取溫度、脈搏等生理參數，結合跌倒檢測和吸煙警告功能，在發生健康異常時進行報警和干預。本系統不僅可以為家庭成員提供實時的健康數據監測，還能通過云平臺實時上傳數據，便于長期健康管理。

2. 設計實現的功能

本項目設計的智能家居健康醫療系統包括以下核心功能：

溫度測量及設置閾值：通過溫度傳感器實時測量用戶體溫，并根據需求設置體溫閾值。閾值初始值為36.5℃，用戶可以通過按鍵調整，閾值范圍在35℃到42℃之間。溫度值超出閾值時，系統會發出報警。
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。
跌倒檢測及報警：通過加速度傳感器檢測用戶的姿態變化，當系統檢測到跌倒事件時，立即觸發報警，發出蜂鳴聲以引起周圍人的注意。
吸煙警告：使用煙霧傳感器檢測環境中的煙霧濃度，當檢測到吸煙信號時，系統會發出持續警報，直到香煙熄滅。
數據上傳至OneNet云平臺：實時將溫度、脈搏、姿態、煙霧濃度等數據通過藍牙技術發送至遠程智能設備，并上傳至OneNet云平臺，以便用戶通過云平臺查看健康數據或圖表分析。
系統穩定性與安全性：系統設計必須保證數據采集、傳輸和處理過程的穩定性，確保用戶健康數據的準確性與實時性。同時，系統具備一定的安全防護措施，防止數據泄漏和被篡改。

3. 項目硬件模塊組成

該系統的硬件模塊主要包括以下幾個部分：

STM32F103RCT6主控芯片：作為系統的核心控制單元，負責處理來自各傳感器的數據，并控制其他模塊的工作。
溫度傳感器（如DS18B20）：用于實時測量用戶體溫，并與主控芯片進行數據交互。
微震動傳感器：用于檢測脈搏，微震動傳感器通過監測微小的震動信號來獲取脈搏頻率信息。
加速度傳感器（如MPU6050）：用于監測用戶的姿態變化，實現跌倒檢測功能。
煙霧傳感器（如MQ-2）：用于監測空氣中的煙霧濃度，當濃度超過設定值時發出警報。
蜂鳴器：在跌倒檢測和吸煙警告時發出報警聲音，提醒周圍的人注意。
藍牙模塊（如HC-05）：用于將采集到的健康數據通過藍牙傳輸到智能手機或其他智能設備。
OneNet云平臺：用于接收從藍牙模塊上傳的數據，提供實時監控與數據分析功能。
按鍵模塊：用于用戶設置溫度閾值，提供增減溫度的功能。
OLED顯示屏：用于顯示當前體溫、脈搏、煙霧濃度等實時數據，提供直觀的用戶界面。

4. 設計思路

本系統的設計思路主要圍繞以下幾個核心點展開：

硬件設計：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行連接，完成數據采集、傳輸、顯示等功能。同時，系統采用低功耗設計，確保在實際應用中的長期穩定性。
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）負責不同的生理信號采集。傳感器采集到的原始數據將通過STM32F103RCT6進行處理和解算，并根據設定的閾值判斷是否觸發報警。
通信與數據上傳：系統通過藍牙模塊與智能手機或其他設備進行通信，將采集到的健康數據傳輸至遠程設備。同時，系統也會將數據上傳至OneNet云平臺，用戶可以通過云平臺進行數據查詢和查看。
報警機制：系統通過蜂鳴器發出聲音報警，提醒用戶跌倒或吸煙異常情況。報警系統的設計要保證能夠及時、清晰地提醒用戶或周圍人注意到異常情況。
用戶界面設計：采用OLED顯示屏展示用戶的實時健康數據，提供溫度、脈搏、姿態、煙霧濃度等信息，便于用戶進行健康監測。
系統安全與穩定性：系統設計需要保證數據的準確性與穩定性，尤其是健康數據傳輸過程中的可靠性。同時，系統要具備一定的安全防護機制，防止數據泄漏或遭到攻擊。

5. 系統功能總結

功能模塊	描述	技術要求
溫度監測	通過溫度傳感器實時測量體溫，設定閾值并報警	溫度范圍：35℃ ~ 42℃，0.25℃增減
脈搏測量	使用微震動傳感器測量脈搏信號	實時采樣與解算脈搏頻率
跌倒檢測	通過加速度傳感器檢測用戶姿態變化，判斷是否跌倒并發出報警	敏感的加速度傳感器，跌倒判定閾值
吸煙警告	使用煙霧傳感器檢測煙霧濃度，吸煙時發出警報	煙霧濃度閾值設定，警報觸發條件
數據上傳	通過藍牙模塊將數據發送至智能設備，上傳至OneNet云平臺	藍牙通信協議，OneNet平臺接口
用戶界面	通過OLED顯示屏顯示實時的健康數據	顯示溫度、脈搏、煙霧濃度等數據
按鍵設置	用戶通過按鍵設置體溫閾值，增加或減少溫度閾值	按鍵控制溫度增減，0.25℃步進

6. 使用的模塊的技術詳情介紹

STM32F103RCT6主控芯片

32位ARM Cortex-M3內核，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。
支持多種通信協議，如UART、I2C、SPI等，便于與外部模塊進行數據交換。

DS18B20溫度傳感器

通過單總線協議與STM32連接，能夠準確測量-55°C到+125°C的溫度。
分辨率可調，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，用于姿態變化檢測。
通過I2C通信與STM32連接，采樣頻率可調。

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藍牙模塊

提供與智能設備（如手機、平板）的無線通信。
支持藍牙串口協議（SPP），簡便的數據傳輸方式。

OLED顯示屏

采用I2C協議與STM32連接，顯示實時健康數據。
分辨率通常為128x64像素，顯示清晰、直觀。

7. STM32代碼設計

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "temperature_sensor.h"     // 溫度傳感器相關頭文件
#include "pulse_sensor.h"           // 脈搏傳感器相關頭文件
#include "fall_detection.h"         // 跌倒檢測相關頭文件
#include "smoke_sensor.h"           // 煙霧傳感器相關頭文件
#include "bluetooth.h"              // 藍牙通信相關頭文件
#include "oled_display.h"           // OLED顯示相關頭文件
#include "keypad.h"                 // 按鍵輸入相關頭文件
#include "onenet.h"                 // OneNet云平臺上傳相關頭文件// 全局變量
float temperature = 36.5f;    // 初始體溫設為36.5℃
float pulse = 0.0f;           // 初始脈搏值
uint8_t fall_detected = 0;    // 跌倒檢測標志
uint8_t smoking_detected = 0; // 吸煙檢測標志
float smoke_level = 0.0f;     // 煙霧濃度// 按鍵設置的體溫閾值
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;}}
}// 獲取溫度數據
void Get_Temperature(void) {temperature = Temperature_Sensor_Read();  // 從溫度傳感器獲取當前體溫if (temperature > temp_threshold) {// 如果體溫超過閾值，觸發報警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); // 蜂鳴器關閉}
}// 獲取脈搏數據
void Get_Pulse(void) {pulse = Pulse_Sensor_Read(); // 從脈搏傳感器獲取數據OLED_DisplayText("Pulse: ", 0, 1);OLED_DisplayFloat(pulse, 1, 1);
}// 獲取跌倒檢測數據
void Detect_Fall(void) {fall_detected = Fall_Detection_Read(); // 獲取跌倒檢測狀態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}
}// 獲取煙霧濃度數據
void Get_Smoke_Level(void) {smoke_level = Smoke_Sensor_Read(); // 從煙霧傳感器讀取數據if (smoke_level > 500) {  // 假設煙霧濃度超過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;}
}// 上傳數據到OneNet云平臺
void Upload_Data_To_Cloud(void) {OneNet_SendData("Temperature", temperature);  // 上傳體溫數據OneNet_SendData("Pulse", pulse);              // 上傳脈搏數據OneNet_SendData("FallStatus", fall_detected); // 上傳跌倒狀態OneNet_SendData("SmokeLevel", smoke_level);   // 上傳煙霧濃度數據
}// 主函數
int main(void) {System_Init();   // 初始化所有模塊while (1) {// 持續監測溫度、脈搏、跌倒、煙霧Get_Temperature();Get_Pulse();Detect_Fall();Get_Smoke_Level();Update_Temperature_Threshold();  // 更新溫度閾值// 上傳數據到云平臺Upload_Data_To_Cloud();}
}

代碼功能解釋：

System_Init(): 初始化系統所需的各個模塊，包括GPIO、UART、I2C、SPI、ADC以及OLED顯示、藍牙模塊等。
Update_Temperature_Threshold(): 通過按鍵輸入（假設是上下鍵），動態調整溫度閾值。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。
Get_Temperature(): 通過調用溫度傳感器的讀取函數獲取當前體溫。如果體溫超過設定的閾值，則觸發報警并激活蜂鳴器。
Get_Pulse(): 獲取脈搏傳感器的數據并顯示在OLED屏幕上。
Detect_Fall(): 通過跌倒檢測傳感器判斷是否發生跌倒，如果跌倒則觸發報警，顯示在OLED屏幕上。
Get_Smoke_Level(): 獲取煙霧傳感器的數據，如果煙霧濃度超過設定值（例如500）則認為是吸煙，觸發警報。
Upload_Data_To_Cloud(): 將實時采集到的數據（溫度、脈搏、跌倒狀態、煙霧濃度）通過OneNet云平臺接口上傳至云平臺，便于遠程監控。
主循環:
- 主循環持續進行健康監測：溫度、脈搏、跌倒、煙霧濃度數據采集。
- 每次監測完后，會上傳數據至OneNet云平臺。
- 通過 HAL_Delay(1000) 控制更新頻率（每秒一次）。