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_2022011303Username 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497Password 20618c172eb24418e0910804889c7d2074a5847e9e7205a41a8bf5adeec399f9
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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.comIP地址: 121.36.42.100
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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
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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}}]}
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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 GETURI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 } } ] }}
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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"}
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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}}]}
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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);}
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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}
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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); }
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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);}
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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;}
复制代码
项目源码： https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720
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