一、前言
近几年随着科技的进步和智能化浪潮的到来，智能穿戴设备也在飞速火爆发展，各种健康智能手环，智能手表、智能跑鞋、智能眼镜纷纷上市，并出现了很多针对个人家庭的健康管理设备。比如: 智能血压计、智能心率检测、脂肪秤、智能体重秤等等，都带上了智能、健康各种标签。
可穿戴设备，即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对生活、感知带来很大的转变。
这篇文章就利用STM32加上各种外设传感器配合华为云IOT物联网平台设计一个健康管理设备，通过ESP8266+MQTT协议将数据传输导致华为云物联网平台，并通过华为云的应用侧完成应用层软件开发；设计本项目的目的就是，上手体验华为云物联网平台，并探究一下智能设备的实现原理。
当前设计的监控管理设备支持的功能有: （1）人体温度测量 （2）运动监测、计步功能 （3）睡眠监测 （4）心率测量
STM32采集这些传感器数据之后，进行处理，在本地OLED显示屏上完成显示；再通过ESP8266将数据传递到华为云物联网平台，关联数据可视化大屏完成数据展示。
下面是示波器测量的心率显示：
设备运行效果:
二、硬件介绍
2.1 主控芯片
主控芯片采用STM32F103C8T6，它一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，RAM空间是20K，工作电压2V~3.6V，运行速度72MHZ。
2.2 体温测量
人体温度测量，采用非接触式红外测温芯片GY-MCU90615，工作电压 3-5v 功耗小，体积小。其工作原理， 是通过单片机读取红外温度度数据，串口（TTL 电平）通信方式输出。串口的波特率有 9600bps 与 115200bps有连续输出与询问输出两种方式，可适应不同的工作环境，与所有的单片机及电脑连接。
2.3 心率测量
心率测量，采用PulseSensor传感器，这是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，通过模拟输出口可将采集到的模拟信号传输给 STM32单片机用来转换为数字信号，再通过单片机简单计算后就可以得到心率数值。
2.4 计步、睡眠监测功能
计步模块，睡眠监测，运动监测功能采用MUP6050陀螺仪实现，这是一款高性能三轴加速度+三轴陀螺仪的六轴传感器，该模块采用InvenSense 公司的 MPU6050 芯片作为核心， 该芯片内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并可利用自带的数字运动处理器硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出姿态解算后的数据。有了DMP，可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。 MPU6050 模块具有：体积小、自带 DMP、 自带温度传感器、 支持 IIC 从机地址设置和中断、兼容 3.3V/5V 系统、使用方便等特点。
（5）本地数据显示用的OLED显示屏采用0.96寸的SPI接口显示屏，分辨率为 128*64，主要是在本地显示采集的数据，时间等信息。
（6）上网的模块采用ESP8266，ESP8266是物联网领域常见无线网卡芯片，支持AT指令，支持串口协议控制，只需要几个简单的AT指令就可以完成网络连接，数据传输。当前项目里，就是通过ESP8266将采集的数据传递到华为云IOT平台，实现数据展示。
三、创建IOT产品、上云测试
3.1 创建产品
官网地址: https://www.huaweicloud.com/s/JeeJqeiBlOe9kSU
选择IOTDA进入，选择免费试用。
在产品页面，选择右上角创建产品。
根据提示，填入对应参数。
创建好之后，查看产品详情，进入属性配置页面。
选择自定义模型。
添加服务。
接下来就添加属性，属性就是传感器上传的数据类型，需要展示的数据；根据自己传感器的数量、类型自己设置即可。
添加心率传感器数据属性。
添加体温传感器数据属性。
添加计步功能的数据属性。
创建成功:
3.2 注册设备
打开设备页面，点击右上角注册设备按钮，根据提示和产品的信息填入；创建完保存得到的信息。
点击确定之后，创建成功效果如下；目前设备还未激活，需要设备登录一次服务器即可激活；接下来就是如何登录了。
3.3 设备上云测试
完成产品、设备创建之后，接下来采用MQTT客户端模拟设备，测试是否可以正常上华为云。
连接协议使用MQTT协议，MQTT协议登录服务器，就像QQ登录一样，需要输入账号、密码等一些信息；下面先利用华为云的小工具完成这些数据的创建。
华为云提供的MQTT账户信息生成在线小工具: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
前面两行填入的数据，在创建设备成功时提示下载的文件里有，照着填写即可。
我的设备生成的数据如下:
ClientId 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497_0_0_2022011303
Username 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497
Password 20618c172eb24418e0910804889c7d2074a5847e9e7205a41a8bf5adeec399f9
华为云IOT平台的MQTT服务器地址信息如下:
端口: 1883
域名: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
IP地址: 121.36.42.100
华为云IOT平台MQTT协议订阅主题的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/messages/down
华为云IOT平台MQTT协议上报主题的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//设备上报主题请求
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/report
//上报的数据格式如下
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
打开MQTT客户端，填入对应数据，连接华为云物联网平台:
如需使用和我一样的同款软件，打开百度搜索MQTT客户端_v2.4(协议3.1.1).exe 即可找到下载地址。
登录成功后，查看华为云页面，可以看到设备已经在线，并且上传的数据已经展示出来。
四、应用侧软件开发
4.1 功能介绍
为了更方便的展示设备数据，与设备完成交互，还需要开发一个配套的上位机，官方提供了应用侧开发的API接口、SDK接口，为了方便通用一点，我这里采用了API接口完成数据交互，上位机软件采用QT开发。
帮助文档地址: https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_01_0045.html
4.2 查询设备属性接口
设备属性就是设备上传的传感器状态数据信息，应用侧提供了API接口，可以主动向设备端下发请求指令；设备端收到指令之后需要按照约定的数据格式上报数据；所以，要实现应用层与设备端的数据交互，需要应用层与设备端配合才能完成。
下面分别介绍应用测和设备测的实现流程。
（1）应用层下发的指令
帮助文档地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html
接口的在线调试地址: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
如果请求参数和返回值不清楚，写代码前，先使用在线调试接口体验一下，验证数据交互是否OK。
请求参数里比较总要的两个必填参数，是设备ID和服务ID，这两个参数在第3章节就介绍过如何获取了，在产品页面创建自定义属性时可以看到服务ID。
请求接口总结:
请求方法 GET
URI地址 /v5/iot/{project_id}/devices/{device_id}/properties
传输协议 HTTPS
拼接好的地址:
https://iotda.cn-north-4.myhuaweicloud.com/v5/iot/0e5957be8a00f53c2fa7c0045e4d8fbf/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/properties?service_id=1126626497
其中的project_id和device_id需要根据自己的设备信息修改。
请求头:
{
"User-Agent": "API Explorer",
"X-Auth-Token": "******", 这个是鉴权用的token
"Content-Type": "application/json"
}
响应体(设备上传的数据)
{
"response": {
"services": [
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"HeartRate": 127
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"motion": 2000
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"temperature": 36.2
}
}
]
}
}
请求头里需要填X-Subject-Token参数，这个参数只要是访问任何华为云都需要填，获取具体的流程可以看这里。https://bbs.huaweicloud.com/blogs/317759 翻到第3小节。
（2）设备上传数据
应用层向设备端请求查询设备属性时，设备端会收到如下的消息:
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/get/request_id=336bcb57-0e0a-44d0-90f7-31386cb54a3c{"service_id":"1126626497"}
这个消息里有一个主要参数request_id请求ID，设备端需要解析出这个参数，给应用层响应数据时，需要带上这个ID。
这个请求属性详细帮助文档看这里: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3011.html
设备响应的数据格式:
主题格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/get/response/request_id={request_id}
示 例:
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/get/response/request_id=336bcb57-0e0a-44d0-90f7-31386cb54a3c
响应的数据格式:
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
响应的数据格式可以看这里的介绍: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html
4.3 在线API调试结合设备模拟
下面使用MQTT客户端与在线API接口联合模拟一下接口效果：
（1）先打开调试页面: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
然后填好设备DI和服务ID：
(2)、打开MQTT客户端，登录华为云物联网平台（也就是模拟设备上线）：
(3)、打开在线API调试页面，点击调试： 点击后可以看到页面上已经在等待客户端的响应了。
(4)、MQTT客户端响应详细
按照前面说的响应格式，拼接好接口，数据。然后发布主题。
(5)、应用层收到客户端响应,调试成功
调试成功后，响应体里收到的就是设备端上传的设备属性数据。
4.4 应用层核心代码
/*
功能: 获取token
*/
void Widget::GetToken()
{
//表示获取token
function_select=3;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
.arg(SERVER_ID);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));
//构造请求
url.setUrl(requestUrl);
request.setUrl(url);
QString text =QString("{\"auth\":{\"identity\":{\"methods\":[\"password\"],\"password\":"
"{\"user\":{\"domain\": {"
"\"name\":\"%1\"},\"name\": \"%2\",\"password\": \"%3\"}}},"
"\"scope\":{\"project\":{\"name\":\"%4\"}}}}")
.arg(MAIN_USER)
.arg(IAM_USER)
.arg(IAM_PASSWORD)
.arg(SERVER_ID);
//发送请求
manager->post(request, text.toUtf8());
}
//查询设备属性
void Widget::Get_device_properties()
{
//表示获取token
function_select=0;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iotda.%1.myhuaweicloud.com/v5/iot/%2/devices/%3/properties?service_id=%4")
.arg(SERVER_ID)
.arg(PROJECT_ID)
.arg(device_id)
.arg(service_id);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json"));
//设置token
request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);
//构造请求
url.setUrl(requestUrl);
request.setUrl(url);
//发送请求
manager->get(request);
}
五、设备底层开发
下面列出STM32设备底层端的一些传感器核心处理代码。
5.1 心率采集计算算法
int BPM; // 用于保存脉冲速率
int Signal; // 持有的原始数据
int IBI = 600;
unsigned char Pulse = false;
unsigned char QS = false;
int rate[10];
unsigned long sampleCounter = 0;
unsigned long lastBeatTime = 0;
int P =512;
int T = 512;
int thresh = 512;
int amp = 100;
unsigned char firstBeat = true;
unsigned char secondBeat = false;
/*
定时器2中断服务函数 用于周期性采集心率值
*/
void TIM2_IRQHandler(void)
{
uint16_t runningTotal=0;
uint8_t i;
uint16_t Num;
if(TIM2->SR&1<<0)
{
//读取到的值右移2位，12位-->10位
Signal = Get_AdcCHx_DATA(1)>>2;
sampleCounter += 2;
Num = sampleCounter - lastBeatTime;
//发现脉冲波的波峰和波谷
// find the peak and trough of the pulse wave
if(Signal < thresh && Num > (IBI/5)*3)
{
if (Signal < T)
{
T = Signal;
}
}
if(Signal > thresh && Signal > P)
{
P = Signal;
}
//开始寻找心跳
//当脉冲来临的时候，signal的值会上升
if (Num > 250)
{
if ( (Signal > thresh) && (Pulse == false) && (Num > (IBI/5)*3) )
{
Pulse = true;
//LED0(0);
IBI = sampleCounter - lastBeatTime;
lastBeatTime = sampleCounter;
if(secondBeat)
{
secondBeat = false;
for(i=0; i<=9; i++)
{
rate[i] = IBI;
}
}
if(firstBeat)
{
firstBeat = false;
secondBeat = true;
return;
}
for(i=0; i<=8; i++)
{
rate[i] = rate[i+1];
runningTotal += rate[i];
}
rate[9] = IBI;
runningTotal += rate[9];
runningTotal /= 10;
BPM = 60000/runningTotal;
QS = true;
}
}
//脉冲开始下降
if (Signal < thresh && Pulse == true)
{
Pulse = false;
amp = P - T;
thresh = amp/2 + T;
P = thresh;
T = thresh;
}
//没有检测到脉冲，设置默认值
if (Num > 2500)
{
thresh = 512;
P = 512;
T = 512;
lastBeatTime = sampleCounter;
firstBeat = true;
secondBeat = false;
}
}
TIM2->SR&=0x0; //清中断标志
}
5.2 OLED关键代码
//向SSD1106写入一个字节。
//dat:要写入的数据/命令
//cmd:数据/命令标志 0,表示命令;1,表示数据;
void OLED_WR_Byte(u8 dat,u8 cmd)
{
u8 i;
if(cmd)
OLED_DC_Set();
else
OLED_DC_Clr();
OLED_CS_Clr();
for(i=0;i<8;i++)
{
OLED_SCLK_Clr();
if(dat&0x80)
OLED_SDIN_Set();
else
OLED_SDIN_Clr();
OLED_SCLK_Set();
dat<<=1;
}
OLED_CS_Set();
OLED_DC_Set();
}
//设置坐标的位置(x范围: 0~127 , y的范围:0~63)
//注意: 8 行为一页,共 64 行即 8 页
void OLED_Set_Pos(unsigned char x, unsigned char y)
{
OLED_WR_Byte(0xb0+y,OLED_CMD);
OLED_WR_Byte(((x&0xf0)>>4)|0x10,OLED_CMD);
OLED_WR_Byte((x&0x0f)|0x01,OLED_CMD);
}
5.3 体温采集换算
u8 Receive_ok;
u8 rebuf[20]={0};
void RxTempInfo(void)
{
static uint8_t i=0;
if(USART2->SR&1<<5) //判断接收标志
{
rebuf[i++]=USART2->DR;//读取串口数据，同时清接收标志
if(rebuf[0]!=0x5a) //帧头不对
i=0;
if((i==2)&&(rebuf[1]!=0x5a))//帧头不对
i=0;
if(i>3)//i等于4时，已经接收到数据量字节rebuf[3]
{
if(i!=(rebuf[3]+5))//判断是否接收一帧数据完毕
return ;
switch(rebuf[2]) //接收完毕后处理
{
case 0x45:
if(!Receive_ok)//当数据处理完成后才接收新的数据
{
Receive_ok=1;//接收完成标志
}
break;
case 0x15:break;
case 0x35:break;
}
i=0;//缓存清0
}
}
}
void GetTempInfo(void)
{
float TO=0,TA=0;
u8 sum=0,i=0;
for(sum=0,i=0;i<(rebuf[3]+4);i++)
{
sum+=rebuf[i];
}
if(sum==rebuf[i])//校验和判断
{
TO=(float)((rebuf[4]<<8)|rebuf[5])/100; //得到真实温度
TA=(float)((rebuf[6]<<8)|rebuf[7])/100; //得到真实温度
}
printf("TO: %f\r\n",TO);
printf("TA: %f\r\n",TA);
}
5.4 运动计步算法
/*******************************************************************************
* LOCAL VARIABLES
*/
//存放三轴数据
float oriValues[3] = {0};
//用于存放计算阈值的波峰波谷差值
float tempValue[VALUE_NUM] ={0};
int tempCount = 0;
//是否上升的标志位
u8 isDirectionUp = FALSE;
//持续上升次数
int continueUpCount = 0;
//上一点的持续上升的次数，为了记录波峰的上升次数
int continueUpFormerCount = 0;
//上一点的状态，上升还是下降
u8 lastStatus = FALSE;
//波峰值
float peakOfWave = 0;
//波谷值
float valleyOfWave = 0;
//此次波峰的时间
long timeOfThisPeak = 0;
//上次波峰的时间
long timeOfLastPeak = 0;
//当前的时间
long timeOfNow = 0;
//当前传感器的值
float gravityNew = 0;
//上次传感器的值
float gravityOld = 0;
//动态阈值需要动态的数据，这个值用于这些动态数据的阈值
float initialValue = (float) 1.3;
//初始阈值
float ThreadValue = (float) 2.0;
//三轴轴值
accValue_t accValue;
//行走信息:卡路里、里程、步数
static sportsInfo_t sportsInfo;
//计步缓存
static u8 stepTempCount =0;
/*******************************************************************************
* 函数名：DetectorNewStep
* 功能描述：
* 步伐更新：如果检测到了波峰，并且符合时间差以及阈值的条件，则判定为1步
* 阀值更新：符合时间差条件，波峰波谷差值大于initialValue，则将该差值纳入阈值的计算中
* 参数说明：
输入：
values：经过处理的G-sensor数据
timeStamp_p：时间戳
* 返回值说明：
* 修改记录：sportsInfo_t *onSensorChanged(accValue_t *pAccValue,timeStamp_t *timeStamp_p,personInfo_t * personInfo)
*******************************************************************************/
sportsInfo_t *DetectorNewStep(float values,timeStamp_t *timeStamp_p,personInfo_t * personInfo)
{
static u32 time_old;
personInfo_t *userInfo = personInfo;
static u32 step_per_2_second; //每两秒所走的步数
float step_lenth,walk_speed,walk_distance,Calories;//步长
u32 time_now;
timeStamp_t *time_p = timeStamp_p;
if (gravityOld == 0)
{
gravityOld = values;
}
else
{
if (DetectorPeak(values, gravityOld))//检测到波峰
{
timeOfLastPeak = timeOfThisPeak;//更新上次波峰的时间
//将时间戳转换为以毫秒ms为单位
time_now = timeOfNow = ((time_p->hour*60+time_p->minute)*60+time_p->second)*1000+time_p->twentyMsCount*20; //获取时间 ,并转化为毫秒
//如果检测到了波峰，并且符合时间差以及阈值的条件，则判定为1步
if ( (timeOfNow - timeOfLastPeak >= 250 )//Jahol Fan 修改为300，防止轻微动都也会检测步子
//&& (timeOfNow - timeOfLastPeak <= 2000)
&&(peakOfWave - valleyOfWave >= ThreadValue)
)
{
timeOfThisPeak = timeOfNow; //更新此次波峰时间
stepTempCount++;//Jahol:加1为两步
step_per_2_second ++;
//Jahol:这样计算卡路里，不能滤除人为的误操作，导致的结果是:里程和卡路里偏大
if((time_now - time_old) >= 2000 ) //如果时间过了2秒
{
if( 1 == step_per_2_second )
{
step_lenth = userInfo->height/5;
}
else if( 2 == step_per_2_second )
{
step_lenth = userInfo->height/4;
}
else if( 3 == step_per_2_second )
{
step_lenth = userInfo->height/3;
}
else if( 4 == step_per_2_second )
{
step_lenth = userInfo->height/2;
}
else if(5 == step_per_2_second) //Jahol：为了使计步准确，设置上限值为5步，牺牲卡路里准确性
{
step_lenth = userInfo->height/1.2f;
}
else if( 7 == step_per_2_second )
{
step_lenth = userInfo->height;
}
else if(step_per_2_second >= 8) // step_diff>8
{
step_lenth = userInfo->height*1.2f;
}
else
{
step_lenth = 0;
}
walk_speed = step_per_2_second*step_lenth/2; //速度 ，单位：米/秒
walk_distance = step_per_2_second*step_lenth; //行走距离，单位：米
Calories = 4.5f*walk_speed*(userInfo->weight/2)/1800; //Jahol:weight是以kg为单位
sportsInfo.calories += Calories;
sportsInfo.distance += walk_distance;
time_old = time_now; //更新时间
step_per_2_second = 0;
}
else
{
//do nothing
}
/*
* 处理无效运动：
* 1.连续记录5才开始计步
* 2.例如记录的步用户停住超过3秒，则前面的记录失效，下次从头开始
* 3.连续4记录了步用户还在运动，之前的数据才有效
* */
if ((stepTempCount< 5 )&&(timeOfNow - timeOfLastPeak >= 3000))
{
stepTempCount = 0;
}
else if((stepTempCount>= 5)&&(timeOfNow - timeOfLastPeak <= 3000))
{
sportsInfo.stepCount += stepTempCount;
stepTempCount = 0;
}
else
{
//do nothing
}
}
//Jahol:更新阀值,问题:阀值不会一直变大，不能变小?
if (timeOfNow - timeOfLastPeak >= 250
&& (peakOfWave - valleyOfWave >= initialValue))
{
timeOfThisPeak = timeOfNow;
ThreadValue = Peak_Valley_Thread(peakOfWave - valleyOfWave);//更新阀值
}
}
}
gravityOld = values;
return &sportsInfo;
}
