基于心率和血氧传感器的智能安全帽人体体征状态系统设计

苏 杰，吴有龙，沈 亮，潘星颖，郑 坤，梁楷博，叶 晴

（1.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169；2.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

近年来，我国建筑业得到快速发展，建造能力持续增强、产业规模不断扩大、年产值不断提高，但在建造施工过程中依然存在着管理粗放、生产方式落后、机械化程度低、安全事故频发等问题。因此，在建筑工地这一类高危险工作场景中，人们对于安全的重视程度也越来越高。然而传统的安全帽仅能抵抗一定程度上对头部的打击，能够实时检测人体体征状态的安全帽还不多。因此，需要将安全帽与体征检测联系起来，这样可以在很大程度上保障施工人员的安全并提高工作效率。

国内有不少关于安全帽和施工工地智能化的研究，吕跃跃等设计了一种基于可穿戴计算的智慧安全管理系统的总体架构。王慧设计了基于改进Faster R-CNN的安全帽检测及身份识别系统。王达彤研究了面向化工安全生产的安全帽与异物入侵检测方法。国外也有不少相关研究，如Dharani等开发了基于物联网的用于采矿跟踪的工人安全头盔系统；Karthiga等设计了一种煤矿工人安全头盔。

为了保护处于危险工作环境下工人的生命安全，实时监测人体体征状态变得格外重要。基于心率和血氧传感器的智能安全帽人体体征状态系统，不仅可以具有传统安全帽抵挡外部冲击的功能，而且可以通过传感器实时监测人体体征状态，能够更加有效地守护人身安全。同时，在一些特殊环境下，如高温、有害气体等环境，人体体征监测安全帽可以时刻检测人体体征，在佩戴者失去知觉时能够根据心率及血氧浓度判断人体体征状况，然后通过4G模块传输信息并及时发出报警，等待监管人员收到信息后及时前往救治。

1 系统设计

基于血氧心率传感器的智能安全帽人体体征状态系统总体设计如图1所示。该系统硬件部分是搭载有传感器的STM32单片机，通过血氧心率传感器检测佩戴者的心率和血氧数据并传输到STM32单片机上，安全帽实时将位置信息和心率血氧浓度信息通过4G通信模块发送给服务器，工作人员可通过网页端查看用户对应的信息。当异常情况发生时，安全帽会发出报警声，同时网页端进行同步报警，救援人员收到消息并进行救援。

图1 系统总体设计

智能安全帽由四个模块组成：总控模块，负责各个模块的控制以及数据处理；血氧模块，负责获取心率和血氧数据并与总控模块进行通信；报警模块，负责发出声音报警；通信模块：负责数据的传输。网页端主要实现信息显示功能，将智能安全帽收集到的数据进行整合显示。

2 相关技术

2.1 STM32控制板

STM32控制板上电后首先对4G模块进行初始化处理，通过串口发送指令对4G模块进行初始化，判断4G模块初始化成功后进行下一步操作；若初始化失败，则重新进行初始化。接着启动血氧心率传感器，将血氧心率传感器的相关采集数据进行处理，依据算法得出心率血氧值，并通过4G模块发送到服务器并存储在数据库中，之后心率血氧传感器暂停工作，待到设定的间隔时间结束再继续进行数据的采集、分析、上传。STM32芯片原理如图2所示。

图2 STM32芯片原理

2.2 4G通信技术

4G通信技术为用户信息的甄别、传输、使用、存储提供了一系列完整可靠的保障，其网络技术更加稳定，数据传输速度更加迅速便捷，功能也更趋多样化；同时更注重用户体验，追求个性化服务，十分符合本系统对实时性、可靠性的要求。本设计采用的4G模块AIR724UG内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，并支持多种驱动和软件功能，AIR724功能框图如图3所示。

图3 AIR724功能框图

2.3 阿里云与MQTT协议

IoT Studio是阿里云针对物联网场景提供的工具，它可覆盖各物联网行业核心应用场景，为物联网开发服务提供移动可视化开发、Web可视化开发、服务开发和设备开发等。本案例使用基于Web的可视化开发插件，用户通过远程输入地址即可轻松实现对数据的读取和写入。

MQTT是一种基于发布/订阅模式的轻量级通信协议，构建于TCP/IP协议上，其最大优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备提供实时可靠的消息服务。

2.4 心率和血氧传感器

MAX30102是一个生物传感器模块，具有集成的心率监测仪和脉搏血氧仪。该芯片体积小，可应用在可穿戴设备上实现心率和血氧采集。使用标准IC兼容接口，将采集到的数据传输给STM32并进行后续的心率和血氧计算。MAX30102的光电二极管接收到的原始光信号波形可分为两部分：DC signal和AC signal。通过计算AC signal两个波峰的时间就能计算出心率。

血氧计算只需要分别算出红光的交流除以红光的直流，即ACred/DCred，以及红外的交流除以红外的直流分量，即ACired/DCired。然后二者相除得到，如式（1）所示。

最后可以通过如下拟合公式计算得到血氧值：

3 功能阐述

3.1 用户功能

用户可以通过登录网页端查看当前实时心率以及血氧信息。当心率以及血氧值超出预期设定范围时，报警模块报警并给服务器传递相关信息。

3.2 管理员功能

管理员可以在后台设置心率血氧值的预定范围，并对传递到服务器的报警信息进行处理；同时还可以设置心率血氧模块的工作频率，减少电量消耗。网页端实时查看心率血氧信息如图4所示。

图4 网页端实时查看心率血氧信息

4 硬件电路

系统硬件总体设计框图如图5所示。硬件连接方面采取STM32作为主控芯片，通过串口2连接MAX30102、串口3连接4G通信模块。报警模块在检测到数据异常后发出报警。

图5 硬件电路设计框图

STM32单片机供电后先进行初始化操作，将4G通信模块以及MAX30102心率血氧模块进行初始化；初始化结束后，系统开始正常工作，将心率血氧模块采集到的数据通过4G通信模块发送到阿里云平台。硬件实物连接如图6所示，智能安全帽实物如图7所示。

图6 硬件实物连接图

图7 智能安全帽实物图

5 结 语

当前我国安全帽市场中占据大多市场份额的依旧是传统的安全帽，然而传统的安全帽仅能在一定程度上抵抗对头部的打击。本文设计的安全帽可以在传统安全帽功能的基础上，对佩戴人员进行心率和血氧浓度的测定，并且可以在网页上实时显示佩戴者的生命体征状况，在更大范围上守护佩戴人员的安全，做到安全防护、及时救护。