基于STM32+ESP8266+華為云IoT設(shè)計的健康管理系統(tǒng)并完成應(yīng)用側(cè)開發(fā)
一、前言
近幾年隨著科技的進(jìn)步和智能化浪潮的到來，智能穿戴設(shè)備也在飛速火爆發(fā)展，各種健康智能手環(huán)，智能手表、智能跑鞋、智能眼鏡紛紛上市，并出現(xiàn)了很多針對個人家庭的健康管理設(shè)備。比如: 智能血壓計、智能心率檢測、脂肪秤、智能體重秤等等，都帶上了智能、健康各種標(biāo)簽。
可穿戴設(shè)備，即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備不僅僅是一種硬件設(shè)備，更是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)強(qiáng)大的功能，可穿戴設(shè)備將會對生活、感知帶來很大的轉(zhuǎn)變。
這篇文章就利用STM32加上各種外設(shè)傳感器配合華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計一個健康管理設(shè)備，通過ESP8266+MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并通過華為云的應(yīng)用側(cè)完成應(yīng)用層軟件開發(fā)；設(shè)計本項目的目的就是，上手體驗華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并探究一下智能設(shè)備的實現(xiàn)原理。
當(dāng)前設(shè)計的監(jiān)控管理設(shè)備支持的功能有: （1）人體溫度測量 （2）運動監(jiān)測、計步功能 （3）睡眠監(jiān)測 （4）心率測量
STM32采集這些傳感器數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行處理，在本地OLED顯示屏上完成顯示；再通過ESP8266將數(shù)據(jù)傳遞到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)可視化大屏完成數(shù)據(jù)展示。
下面是示波器測量的心率顯示 ：
設(shè)備運行效果:
二、硬件介紹
2.1 主控芯片
主控芯片采用STM32F103C8T6，它一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，RAM空間是20K，工作電壓2V~3.6V，運行速度72MHZ。
2.2 體溫測量
人體溫度測量，采用非接觸式紅外測溫芯片GY-MCU90615，工作電壓 3-5v 功耗小，體積小。其工作原理， 是通過單片機(jī)讀取紅外溫度度數(shù)據(jù)，串口（TTL 電平）通信方式輸出。串口的波特率有 9600bps 與 115200bps有連續(xù)輸出與詢問輸出兩種方式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，與所有的單片機(jī)及電腦連接。
2.3 心率測量
心率測量，采用PulseSensor傳感器，這是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，通過模擬輸出口可將采集到的模擬信號傳輸給 STM32單片機(jī)用來轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過單片機(jī)簡單計算后就可以得到心率數(shù)值。
2.4 計步、睡眠監(jiān)測功能
計步模塊，睡眠監(jiān)測，運動監(jiān)測功能采用MUP6050陀螺儀實現(xiàn)，這是一款高性能三軸加速度+三軸陀螺儀的六軸傳感器，該模塊采用InvenSense 公司的 MPU6050 芯片作為核心， 該芯片內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并可利用自帶的數(shù)字運動處理器硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應(yīng)用端輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)。有了DMP，可以使用 InvenSense 公司提供的運動處理資料庫，非常方便的實現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，同時大大降低了開發(fā)難度。 MPU6050 模塊具有：體積小、自帶 DMP、 自帶溫度傳感器、 支持 IIC 從機(jī)地址設(shè)置和中斷、兼容 3.3V/5V 系統(tǒng)、使用方便等特點。
（5）本地數(shù)據(jù)顯示用的OLED顯示屏采用0.96寸的SPI接口顯示屏，分辨率為 128*64，主要是在本地顯示采集的數(shù)據(jù)，時間等信息。
（6）上網(wǎng)的模塊采用ESP8266，ESP8266是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域常見無線網(wǎng)卡芯片，支持AT指令，支持串口協(xié)議控制，只需要幾個簡單的AT指令就可以完成網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前項目里，就是通過ESP8266將采集的數(shù)據(jù)傳遞到華為云IOT平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示。
三、創(chuàng)建IOT產(chǎn)品、上云測試
3.1 創(chuàng)建產(chǎn)品
官網(wǎng)地址: https://www.huaweicloud.com/s/JeeJqeiBlOe9kSU
選擇IOTDA進(jìn)入，選擇免費試用。
在產(chǎn)品頁面，選擇右上角創(chuàng)建產(chǎn)品。
根據(jù)提示，填入對應(yīng)參數(shù)。
創(chuàng)建好之后，查看產(chǎn)品詳情，進(jìn)入屬性配置頁面。
選擇自定義模型。
添加服務(wù)。
接下來就添加屬性，屬性就是傳感器上傳的數(shù)據(jù)類型，需要展示的數(shù)據(jù)；根據(jù)自己傳感器的數(shù)量、類型自己設(shè)置即可。
添加心率傳感器數(shù)據(jù)屬性。
添加體溫傳感器數(shù)據(jù)屬性。
添加計步功能的數(shù)據(jù)屬性。
創(chuàng)建成功:
3.2 注冊設(shè)備
打開設(shè)備頁面，點擊右上角注冊設(shè)備按鈕，根據(jù)提示和產(chǎn)品的信息填入；創(chuàng)建完保存得到的信息。
點擊確定之后，創(chuàng)建成功效果如下；目前設(shè)備還未激活，需要設(shè)備登錄一次服務(wù)器即可激活；接下來就是如何登錄了。
3.3 設(shè)備上云測試
完成產(chǎn)品、設(shè)備創(chuàng)建之后，接下來采用MQTT客戶端模擬設(shè)備，測試是否可以正常上華為云。
連接協(xié)議使用MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議登錄服務(wù)器，就像QQ登錄一樣，需要輸入賬號、密碼等一些信息；下面先利用華為云的小工具完成這些數(shù)據(jù)的創(chuàng)建。
華為云提供的MQTT賬戶信息生成在線小工具: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
前面兩行填入的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建設(shè)備成功時提示下載的文件里有，照著填寫即可。
我的設(shè)備生成的數(shù)據(jù)如下:
ClientId 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497_0_0_2022011303
Username 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497
Password 20618c172eb24418e0910804889c7d2074a5847e9e7205a41a8bf5adeec399f9
華為云IOT平臺的MQTT服務(wù)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
華為云IOT平臺MQTT協(xié)議訂閱主題的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//訂閱主題: 平臺下發(fā)消息給設(shè)備
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/messages/down
華為云IOT平臺MQTT協(xié)議上報主題的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//設(shè)備上報主題請求
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/report
?
?
//上報的數(shù)據(jù)格式如下
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
打開MQTT客戶端，填入對應(yīng)數(shù)據(jù)，連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺:
如需使用和我一樣的同款軟件，打開百度搜索MQTT客戶端_v2.4(協(xié)議3.1.1).exe 即可找到下載地址。
登錄成功后，查看華為云頁面，可以看到設(shè)備已經(jīng)在線，并且上傳的數(shù)據(jù)已經(jīng)展示出來。
四、應(yīng)用側(cè)軟件開發(fā)
4.1 功能介紹
為了更方便的展示設(shè)備數(shù)據(jù)，與設(shè)備完成交互，還需要開發(fā)一個配套的上位機(jī)，官方提供了應(yīng)用側(cè)開發(fā)的API接口、SDK接口，為了方便通用一點，我這里采用了API接口完成數(shù)據(jù)交互，上位機(jī)軟件采用QT開發(fā)。
幫助文檔地址: https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_01_0045.html
4.2 查詢設(shè)備屬性接口
設(shè)備屬性就是設(shè)備上傳的傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用側(cè)提供了API接口，可以主動向設(shè)備端下發(fā)請求指令；設(shè)備端收到指令之后需要按照約定的數(shù)據(jù)格式上報數(shù)據(jù)；所以，要實現(xiàn)應(yīng)用層與設(shè)備端的數(shù)據(jù)交互，需要應(yīng)用層與設(shè)備端配合才能完成。
下面分別介紹應(yīng)用測和設(shè)備測的實現(xiàn)流程。
（1）應(yīng)用層下發(fā)的指令
幫助文檔地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html
接口的在線調(diào)試地址: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
如果請求參數(shù)和返回值不清楚，寫代碼前，先使用在線調(diào)試接口體驗一下，驗證數(shù)據(jù)交互是否OK。
請求參數(shù)里比較總要的兩個必填參數(shù)，是設(shè)備ID和服務(wù)ID，這兩個參數(shù)在第3章節(jié)就介紹過如何獲取了，在產(chǎn)品頁面創(chuàng)建自定義屬性時可以看到服務(wù)ID。
請求接口總結(jié):
請求方法 GET
URI地址 /v5/iot/{project_id}/devices/{device_id}/properties
傳輸協(xié)議 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需要根據(jù)自己的設(shè)備信息修改。
?
?
請求頭:
{
"User-Agent": "API Explorer",
"X-Auth-Token": "******", 這個是鑒權(quán)用的token
"Content-Type": "application/json"
}
?
?
響應(yīng)體(設(shè)備上傳的數(shù)據(jù))
{
"response": {
"services": [
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"HeartRate": 127
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"motion": 2000
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"temperature": 36.2
}
}
]
}
}
請求頭里需要填X-Subject-Token參數(shù)，這個參數(shù)只要是訪問任何華為云都需要填，獲取具體的流程可以看這里。https://bbs.huaweicloud.com/blogs/317759 翻到第3小節(jié)。
（2）設(shè)備上傳數(shù)據(jù)
應(yīng)用層向設(shè)備端請求查詢設(shè)備屬性時，設(shè)備端會收到如下的消息:
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/get/request_id=336bcb57-0e0a-44d0-90f7-31386cb54a3c{"service_id":"1126626497"}
這個消息里有一個主要參數(shù)request_id請求ID，設(shè)備端需要解析出這個參數(shù)，給應(yīng)用層響應(yīng)數(shù)據(jù)時，需要帶上這個ID。
這個請求屬性詳細(xì)幫助文檔看這里: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3011.html
設(shè)備響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式:
主題格式: $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
?
響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式:
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式可以看這里的介紹: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html
4.3 在線API調(diào)試結(jié)合設(shè)備模擬
下面使用MQTT客戶端與在線API接口聯(lián)合模擬一下接口效果：
（1）先打開調(diào)試頁面: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
然后填好設(shè)備DI和服務(wù)ID：
(2)、打開MQTT客戶端，登錄華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺（也就是模擬設(shè)備上線）：
(3)、打開在線API調(diào)試頁面，點擊調(diào)試： 點擊后可以看到頁面上已經(jīng)在等待客戶端的響應(yīng)了。
(4)、MQTT客戶端響應(yīng)詳細(xì)
按照前面說的響應(yīng)格式，拼接好接口，數(shù)據(jù)。然后發(fā)布主題。
(5)、應(yīng)用層收到客戶端響應(yīng),調(diào)試成功
調(diào)試成功后，響應(yīng)體里收到的就是設(shè)備端上傳的設(shè)備屬性數(shù)據(jù)。
4.4 應(yīng)用層核心代碼
/*
功能: 獲取token
*/
void Widget::GetToken()
{
//表示獲取token
function_select=3;
?
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
?
//設(shè)置請求地址
QUrl url;
?
//獲取token請求地址
requestUrl = QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
.arg(SERVER_ID);
?
//自己創(chuàng)建的TCP服務(wù)器,測試用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
?
//設(shè)置數(shù)據(jù)提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));
?
//構(gòu)造請求
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);
?
//發(fā)送請求
manager- >post(request, text.toUtf8());
}
?
//查詢設(shè)備屬性
void Widget::Get_device_properties()
{
//表示獲取token
function_select=0;
?
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
?
//設(shè)置請求地址
QUrl url;
?
//獲取token請求地址
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);
?
//自己創(chuàng)建的TCP服務(wù)器,測試用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
?
//設(shè)置數(shù)據(jù)提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json"));
?
//設(shè)置token
request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);
?
//構(gòu)造請求
url.setUrl(requestUrl);
?
request.setUrl(url);
?
//發(fā)送請求
manager- >get(request);
}