基于物联网设计的智慧家庭健康医疗系统

1. 项目开发背景

随着物联网（IoT）技术的发展，智能家居系统逐渐融入到我们的日常生活中，成为提高生活质量、增强家庭安全、提升健康管理的重要工具。特别是在健康医疗领域，借助物联网技术，智能家居不仅能够实时监测用户的身体状况，还能对异常情况进行及时报警，帮助家庭成员及时应对突发健康问题。

本项目设计一种智能家居健康医疗系统，通过利用物联网技术对家庭成员的健康状态进行动态监控，及时获取温度、脉搏等生理参数，结合跌倒检测和吸烟警告功能，在发生健康异常时进行报警和干预。本系统不仅可以为家庭成员提供实时的健康数据监测，还能通过云平台实时上传数据，便于长期健康管理。

2. 设计实现的功能

本项目设计的智能家居健康医疗系统包括以下核心功能：

1. 温度测量及设置阈值： 通过温度传感器实时测量用户体温，并根据需求设置体温阈值。阈值初始值为36.5℃，用户可以通过按键调整，阈值范围在35℃到42℃之间。温度值超出阈值时，系统会发出报警。

2. 脉搏测量： 使用微震动传感器检测用户脉搏，通过信号采集与解算判断脉搏的健康情况。

3. 跌倒检测及报警： 通过加速度传感器检测用户的姿态变化，当系统检测到跌倒事件时，立即触发报警，发出蜂鸣声以引起周围人的注意。

4. 吸烟警告： 使用烟雾传感器检测环境中的烟雾浓度，当检测到吸烟信号时，系统会发出持续警报，直到香烟熄灭。

5. 数据上传至OneNet云平台： 实时将温度、脉搏、姿态、烟雾浓度等数据通过蓝牙技术发送至远程智能设备，并上传至OneNet云平台，以便用户通过云平台查看健康数据或图表分析。

6. 系统稳定性与安全性： 系统设计必须保证数据采集、传输和处理过程的稳定性，确保用户健康数据的准确性与实时性。同时，系统具备一定的安全防护措施，防止数据泄漏和被篡改。

3. 项目硬件模块组成

该系统的硬件模块主要包括以下几个部分：

1. STM32F103RCT6主控芯片： 作为系统的核心控制单元，负责处理来自各传感器的数据，并控制其他模块的工作。

2. 温度传感器（如DS18B20）： 用于实时测量用户体温，并与主控芯片进行数据交互。

3. 微震动传感器： 用于检测脉搏，微震动传感器通过监测微小的震动信号来获取脉搏频率信息。

4. 加速度传感器（如MPU6050）： 用于监测用户的姿态变化，实现跌倒检测功能。

5. 烟雾传感器（如MQ-2）： 用于监测空气中的烟雾浓度，当浓度超过设定值时发出警报。

6. 蜂鸣器： 在跌倒检测和吸烟警告时发出报警声音，提醒周围的人注意。

7. 蓝牙模块（如HC-05）： 用于将采集到的健康数据通过蓝牙传输到智能手机或其他智能设备。

8. OneNet云平台： 用于接收从蓝牙模块上传的数据，提供实时监控与数据分析功能。

9. 按键模块： 用于用户设置温度阈值，提供增减温度的功能。

10. OLED显示屏： 用于显示当前体温、脉搏、烟雾浓度等实时数据，提供直观的用户界面。

4. 设计思路

本系统的设计思路主要围绕以下几个核心点展开：

1. 硬件设计： 采用STM32F103RCT6作为主控芯片，通过其丰富的IO口与各传感器模块进行连接，完成数据采集、传输、显示等功能。同时，系统采用低功耗设计，确保在实际应用中的长期稳定性。

2. 传感器信号采集与处理： 各传感器（温度传感器、微震动传感器、加速度传感器、烟雾传感器）负责不同的生理信号采集。传感器采集到的原始数据将通过STM32F103RCT6进行处理和解算，并根据设定的阈值判断是否触发报警。

3. 通信与数据上传： 系统通过蓝牙模块与智能手机或其他设备进行通信，将采集到的健康数据传输至远程设备。同时，系统也会将数据上传至OneNet云平台，用户可以通过云平台进行数据查询和查看。

4. 报警机制： 系统通过蜂鸣器发出声音报警，提醒用户跌倒或吸烟异常情况。报警系统的设计要保证能够及时、清晰地提醒用户或周围人注意到异常情况。

5. 用户界面设计： 采用OLED显示屏展示用户的实时健康数据，提供温度、脉搏、姿态、烟雾浓度等信息，便于用户进行健康监测。

6. 系统安全与稳定性： 系统设计需要保证数据的准确性与稳定性，尤其是健康数据传输过程中的可靠性。同时，系统要具备一定的安全防护机制，防止数据泄漏或遭到攻击。

5. 系统功能总结

6. 使用的模块的技术详情介绍

STM32F103RCT6主控芯片

• 32位ARM Cortex-M3内核，工作频率最高72 MHz。

• 具有丰富的I/O接口，适合传感器模块的连接。

• 支持多种通信协议，如UART、I2C、SPI等，便于与外部模块进行数据交换。

DS18B20温度传感器

• 通过单总线协议与STM32连接，能够准确测量-55°C到+125°C的温度。

• 分辨率可调，最高为0.0625°C。

MPU6050加速度传感器

• 集成三轴加速度计与三轴陀螺仪，用于姿态变化检测。

• 通过I2C通信与STM32连接，采样频率可调。

MQ-2烟雾传感器

• 可检测空气中的烟雾、甲烷、一氧化碳等气体。

• 模拟输出信号，与STM32的ADC模块连接。

HC-05蓝牙模块

• 提供与智能设备（如手机、平板）的无线通信。

• 支持蓝牙串口协议（SPP），简便的数据传输方式。

OLED显示屏

• 采用I2C协议与STM32连接，显示实时健康数据。

• 分辨率通常为128x64像素，显示清晰、直观。

7. STM32代码设计

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "temperature_sensor.h"     // 温度传感器相关头文件
#include "pulse_sensor.h"           // 脉搏传感器相关头文件
#include "fall_detection.h"         // 跌倒检测相关头文件
#include "smoke_sensor.h"           // 烟雾传感器相关头文件
#include "bluetooth.h"              // 蓝牙通信相关头文件
#include "oled_display.h"           // OLED显示相关头文件
#include "keypad.h"                 // 按键输入相关头文件
#include "onenet.h"                 // OneNet云平台上传相关头文件
​
// 全局变量
float temperature = 36.5f;    // 初始体温设为36.5℃
float pulse = 0.0f;           // 初始脉搏值
uint8_t fall_detected = 0;    // 跌倒检测标志
uint8_t smoking_detected = 0; // 吸烟检测标志
float smoke_level = 0.0f;     // 烟雾浓度
​
// 按键设置的体温阈值
float temp_threshold = 36.5f;
​
// 初始化所有模块
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显示
    Bluetooth_Init();           // 初始化蓝牙模块
    OneNet_Init();              // 初始化OneNet云平台
    Keypad_Init();              // 初始化按键模块
}
​
// 更新温度阈值
void Update_Temperature_Threshold(void) {
    if (Keypad_IsPressed()) {  // 检测按键输入
        if (Keypad_GetValue() == KEY_UP) {
            temp_threshold += 0.25f;   // 增加温度阈值
            if (temp_threshold > 42.0f) temp_threshold = 42.0f;
        }
        if (Keypad_GetValue() == KEY_DOWN) {
            temp_threshold -= 0.25f;   // 减少温度阈值
            if (temp_threshold < 35.0f) temp_threshold = 35.0f;
        }
    }
}
​
// 获取温度数据
void Get_Temperature(void) {
    temperature = Temperature_Sensor_Read();  // 从温度传感器获取当前体温
    if (temperature > temp_threshold) {
        // 如果体温超过阈值，触发报警
        OLED_DisplayText("Temp: High Alert!", 0, 0);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鸣器报警
    } else {
        OLED_DisplayText("Temp: Normal", 0, 0);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 蜂鸣器关闭
    }
}
​
// 获取脉搏数据
void Get_Pulse(void) {
    pulse = Pulse_Sensor_Read(); // 从脉搏传感器获取数据
    OLED_DisplayText("Pulse: ", 0, 1);
    OLED_DisplayFloat(pulse, 1, 1);
}
​
// 获取跌倒检测数据
void Detect_Fall(void) {
    fall_detected = Fall_Detection_Read(); // 获取跌倒检测状态
    if (fall_detected) {
        OLED_DisplayText("Fall Detected!", 0, 2);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鸣器报警
    }
}
​
// 获取烟雾浓度数据
void Get_Smoke_Level(void) {
    smoke_level = Smoke_Sensor_Read(); // 从烟雾传感器读取数据
    if (smoke_level > 500) {  // 假设烟雾浓度超过500表示吸烟
        smoking_detected = 1;
        OLED_DisplayText("Smoke Detected!", 0, 3);
        HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // 蜂鸣器报警
    } else {
        smoking_detected = 0;
    }
}
​
// 上传数据到OneNet云平台
void Upload_Data_To_Cloud(void) {
    OneNet_SendData("Temperature", temperature);  // 上传体温数据
    OneNet_SendData("Pulse", pulse);              // 上传脉搏数据
    OneNet_SendData("FallStatus", fall_detected); // 上传跌倒状态
    OneNet_SendData("SmokeLevel", smoke_level);   // 上传烟雾浓度数据
}
​
// 主函数
int main(void) {
    System_Init();   // 初始化所有模块
​
    while (1) {
        // 持续监测温度、脉搏、跌倒、烟雾
        Get_Temperature();
        Get_Pulse();
        Detect_Fall();
        Get_Smoke_Level();
        Update_Temperature_Threshold();  // 更新温度阈值
​
        // 上传数据到云平台
        Upload_Data_To_Cloud();
    }
}

代码功能解释：

1. System_Init(): 初始化系统所需的各个模块，包括GPIO、UART、I2C、SPI、ADC以及OLED显示、蓝牙模块等。

2. Update_Temperature_Threshold(): 通过按键输入（假设是上下键），动态调整温度阈值。每按一次上键，阈值增加0.25℃，下键则减少0.25℃，范围限定在35℃到42℃之间。

3. Get_Temperature(): 通过调用温度传感器的读取函数获取当前体温。如果体温超过设定的阈值，则触发报警并激活蜂鸣器。

4. Get_Pulse(): 获取脉搏传感器的数据并显示在OLED屏幕上。

5. Detect_Fall(): 通过跌倒检测传感器判断是否发生跌倒，如果跌倒则触发报警，显示在OLED屏幕上。

6. Get_Smoke_Level(): 获取烟雾传感器的数据，如果烟雾浓度超过设定值（例如500）则认为是吸烟，触发警报。

7. Upload_Data_To_Cloud(): 将实时采集到的数据（温度、脉搏、跌倒状态、烟雾浓度）通过OneNet云平台接口上传至云平台，便于远程监控。

8. 主循环:

   • 主循环持续进行健康监测：温度、脉搏、跌倒、烟雾浓度数据采集。

   • 每次监测完后，会上传数据至OneNet云平台。

   • 通过 HAL_Delay(1000) 控制更新频率（每秒一次）。