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基于物联网设计的智慧家庭健康医疗系统

news 来源：原创 2025/6/19 14:34:14

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：

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。
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。
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。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
按键模块：用于用户设置温度阈值，提供增减温度的功能。
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：

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。
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。
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。
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。
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。
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

功能模块	描述	技术要求
温度监测	通过温度传感器实时测量体温，设定阈值并报警	温度范围：35℃ ~ 42℃，0.25℃增减
脉搏测量	使用微震动传感器测量脉搏信号	实时采样与解算脉搏频率
跌倒检测	通过加速度传感器检测用户姿态变化，判断是否跌倒并发出报警	敏感的加速度传感器，跌倒判定阈值
吸烟警告	使用烟雾传感器检测烟雾浓度，吸烟时发出警报	烟雾浓度阈值设定，警报触发条件
数据上传	通过蓝牙模块将数据发送至智能设备，上传至OneNet云平台	蓝牙通信协议，OneNet平台接口
用户界面	通过OLED显示屏显示实时的健康数据	显示温度、脉搏、烟雾浓度等数据
按键设置	用户通过按键设置体温阈值，增加或减少温度阈值	按键控制温度增减，0.25℃步进

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：

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