基于华为云IoT设计的健康管理系统并完成应用侧开发【玩转华为云】

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-。

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; }

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