河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 iii2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求老年人洗浴場(chǎng)景存在特殊性，助浴水流控制系統(tǒng)需要滿足多方面功能需求，系統(tǒng)通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)與控制實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫，當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱裝置防止著涼。水流量檢測(cè)與調(diào)節(jié)功能可依據(jù)閾值自動(dòng)調(diào)整水流大小，避免不適或浪費(fèi)，系統(tǒng)對(duì)心率、血氧、體溫等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)異常并預(yù)警。異常加速度變化可觸發(fā)跌倒檢測(cè)功能進(jìn)行判斷，聲光報(bào)警根據(jù)不同異常情況分級(jí)別觸發(fā)。數(shù)據(jù)顯示使用OLED顯示屏展示各項(xiàng)參數(shù)，按鍵實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易操作，WiFi傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)和移動(dòng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)在潮濕環(huán)境下運(yùn)行要求穩(wěn)定且可靠性強(qiáng)。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案依據(jù)上述功能要求，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案中采用分布式結(jié)構(gòu)，將淋浴器控制單元與佩戴式監(jiān)測(cè)手環(huán)分為兩部分進(jìn)行處理，淋浴器控制單元與佩戴式監(jiān)測(cè)手環(huán)的分體化使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到功能的邏輯性分段，這不僅提高了功能的可管理性，也使監(jiān)測(cè)與控制在具體任務(wù)中達(dá)到并重的比重，同時(shí)，系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)手環(huán)與淋浴器的控制邏輯中增加可分性的功能要求，這為用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具體功能進(jìn)行分層次使用與控制強(qiáng)化了可識(shí)別性與可管理性。淋浴器控制單元主要進(jìn)行水溫與水流量的檢測(cè)、控制和調(diào)節(jié)，核心處理器使用STM32F103單片機(jī)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器負(fù)責(zé)溫度檢測(cè)，YF-S401霍爾效應(yīng)水流傳感器對(duì)水流量進(jìn)行檢測(cè)，SG90舵機(jī)控制閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)水流，OLED屏幕負(fù)責(zé)顯示，通信采用ESP8266WiFi模塊，該單元安裝在淋浴器附近，水溫、水流可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。監(jiān)測(cè)手環(huán)在老年人的生理參數(shù)檢測(cè)與跌倒識(shí)別上同樣主要采用STM32F103單片機(jī)完成核心處理任務(wù)，生理參數(shù)部分包含借助MAX30102傳感器檢測(cè)心率血氧、DS18B20傳感器監(jiān)測(cè)體溫，姿態(tài)變化部分使用MPU6050六軸加速度陀螺儀處理跌倒檢測(cè)，顯示部分采用OLED屏幕，同時(shí)ESP8266WiFi模塊負(fù)責(zé)通信，該設(shè)計(jì)為腕帶形式，可以佩戴在手腕上，實(shí)時(shí)對(duì)生理參數(shù)與姿態(tài)變化進(jìn)行檢測(cè)。兩個(gè)單元連接云平臺(tái)，數(shù)據(jù)交互通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)應(yīng)用可遠(yuǎn)程查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)整閾值與接收?qǐng)?bào)警信息，系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，這使調(diào)試和維護(hù)的便利性增加，整體架構(gòu)靈活性與可擴(kuò)展性均保持在較高的層次。圖2.1硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52單片機(jī)，它在8051架構(gòu)單片機(jī)中是經(jīng)典的，成本低廉、資料豐富和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等是它較為明顯優(yōu)勢(shì)特征。該芯片的CPU為8位，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器達(dá)到8K，RAM為256字節(jié)，I/O口線為32個(gè)，工作頻率能夠達(dá)到12MHz，對(duì)于簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用需求，這款單片機(jī)可以滿足基本應(yīng)用要求。運(yùn)算能力有限是該單片機(jī)較為明顯缺陷，處理復(fù)雜算法存在難以完成現(xiàn)象，資源較為緊張，多路傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)處理較為吃力，硬件中PWM、ADC這些外設(shè)缺乏，需要借助額外電路實(shí)現(xiàn)這些功能，串口資源也有限，難以支持多個(gè)通信模塊并列工作，執(zhí)行效率較低，實(shí)時(shí)性不足。方案二：STM32F103單片機(jī)基于ARMCortex-M3內(nèi)核，為32位微控制器，主頻達(dá)到72MHz，計(jì)算能力不俗，它包含64K至128K的Flash存儲(chǔ)器、20K的RAM，I/O口多達(dá)80個(gè)，該芯片外設(shè)資源豐富，3個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器、12位ADC，同時(shí)具有7個(gè)通信接口，具體為2個(gè)I2C、3個(gè)USART、2個(gè)SPI，也包含USB接口等資源。STM32F103在多個(gè)功能和需求下具備明顯優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)算法；資源能夠連接多路傳感器模塊；外設(shè)相對(duì)齊全，對(duì)電路需求降低；且電源管理功能使功耗控制較低；中斷響應(yīng)具備速度快的特征，系統(tǒng)需要對(duì)多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并完成多形式控制，最終選擇STM32F103作為處理器。2.3.2通信模塊的選型方案一：HC-05藍(lán)牙模塊是常用的藍(lán)牙串口透?jìng)髂K，基于藍(lán)牙2.0規(guī)范設(shè)計(jì)，支持主從模式的切換，接口簡(jiǎn)單、配置方便、體積小巧等特征明顯，通信距離在視距10米左右。HC-05適合實(shí)現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)的近距離通信，也適合簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，但局限性無(wú)法避免：通信距離過(guò)短，遠(yuǎn)程監(jiān)控難以實(shí)現(xiàn)；藍(lán)牙2.0的傳輸速率較低，僅為3Mbps；可連接的設(shè)備數(shù)量有限，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建也難以實(shí)現(xiàn)；互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法直接接入，額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備是前提；功耗偏高，對(duì)電池供電設(shè)備不友好。方案二：ESP8266WiFi模塊作為高集成度的WiFi芯片，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧并包含微控制器功能，該模塊支持IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率可達(dá)到72.2Mbps，通信距離在100米的可實(shí)現(xiàn)性中具有較高優(yōu)勢(shì)。無(wú)需額外網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接入、TCP/UDP協(xié)議支持、獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用、內(nèi)置處理器功能、體積小成本低、功耗和多種加密方式的高安全性，這些都使它與本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、連接云平臺(tái)和移動(dòng)應(yīng)用功能要求完全對(duì)齊，選擇依據(jù)中，直接網(wǎng)絡(luò)接入與WiFi通信優(yōu)勢(shì)、安全加密的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)等應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊要求起到支持。2.3.3溫度檢測(cè)模塊的選型方案一：AD590溫度傳感器是一種電流輸出型的測(cè)溫組件，它生成與絕對(duì)溫度成正比的電流輸出，具體為1μA/K，該傳感器的線性化與精度都具有較高要求，測(cè)溫范圍可以達(dá)到-55℃至+150℃，在精度控制部分可達(dá)到±0.5℃的范圍。在需要高精度測(cè)溫的場(chǎng)合中AD590可以保持抗干擾的高強(qiáng)性，但該傳感器同時(shí)存在不足：輸出形式為模擬信號(hào)，電路中需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器；精密的電源和參考電壓源是傳感器使用中必不可少的；校準(zhǔn)過(guò)程也顯示相當(dāng)復(fù)雜；價(jià)格偏高且接口電路需要增加復(fù)雜組件，這些接口需要運(yùn)算放大器等電路組件的使用。方案二：DS18B20是一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-55℃至+125℃，精度達(dá)到±0.5℃，該傳感器具有多方面的特性優(yōu)勢(shì)：輸出為數(shù)字形式，可直接與單片機(jī)進(jìn)行接口，無(wú)需其他轉(zhuǎn)換電路；僅需一根數(shù)據(jù)線的單總線結(jié)構(gòu)；支持多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，多個(gè)傳感器可同時(shí)掛在同一總線上；內(nèi)置ROM用存儲(chǔ)配置信息；支持9至12位的可編程分辨率，最高分辨率為0.0625℃；提供防水封裝型號(hào)，適合潮濕環(huán)境使用；具有較低成本并使用簡(jiǎn)便；無(wú)需校準(zhǔn)，直接插用即完成使用，在系統(tǒng)的集成要求和使用環(huán)境的評(píng)估下，該傳感器的數(shù)字接口與防水封裝特性完全與項(xiàng)目需求進(jìn)行契合，因此DS18B20可以作為本項(xiàng)目溫度檢測(cè)模塊的傳感器。5系統(tǒng)的測(cè)試3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103C8T6單片機(jī)STM32F103單片機(jī)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制功能，采用LQFP48封裝形式并提供多外設(shè)接口，外部8MHz晶振與內(nèi)部PLL功能產(chǎn)生72MHz時(shí)鐘，為系統(tǒng)提供處理能力的保證。復(fù)位結(jié)構(gòu)使用RC組合電路，并通過(guò)按鍵增加手動(dòng)復(fù)位功能，系統(tǒng)供電部分采用Type-C接口輸入5V電，借助XC6206穩(wěn)壓器將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，同時(shí)通過(guò)添加多級(jí)濾波電容確保供電穩(wěn)定。系統(tǒng)外部接口部分預(yù)留20針排針接口，引出大部分I/O口，為外部模塊連接實(shí)現(xiàn)功能，DS18B20溫度傳感器與PA8接口連接，采用單總線協(xié)議完成通信；OLED顯示屏連接PB14和PB15接口，使用I2C協(xié)議通信；ESP8266模塊連接在PA2和PA3接口，分別作為T(mén)X2和RX2，采用UART串口通信。水流量傳感器連接PB10接口，借助外部中斷進(jìn)行脈沖信號(hào)檢測(cè)；按鍵模塊連接PA5、PA6、PA7接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，蜂鳴器連接PA15接口，實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出功能；PB0接口輸出PWM信號(hào)并控制舵機(jī)角度，MAX30102傳感器連接PB6和PB7接口，采用I2C通信，MPU6050傳感器連接PB8和PB9接口，同樣使用I2C通信協(xié)議完成功能實(shí)現(xiàn)。在軟件配置方面，系統(tǒng)利用定時(shí)器TIM1生成1ms的基本時(shí)間單位，中斷服務(wù)程序檢測(cè)傳感器狀態(tài)、更新顯示內(nèi)容并處理控制邏輯，舵機(jī)控制所需的PWM信號(hào)通過(guò)TIM3產(chǎn)生，頻率為50Hz，調(diào)整占空比可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度的控制。串口中斷接收ESP8266返回的數(shù)據(jù)，完成與云平臺(tái)的通信任務(wù)，硬件設(shè)計(jì)整體注重抗干擾性與穩(wěn)定性，適合長(zhǎng)期工作在潮濕的環(huán)境下。圖3.1STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況3.2DS18B20溫度傳感模塊DS18B20溫度傳感器存在TO-92封裝與防水設(shè)計(jì)兩種形式，淋浴器單元檢測(cè)水溫采用防水型DS18B20，佩戴式手環(huán)檢測(cè)體溫使用TO-92封裝版本，工作電壓范圍為3.0V至5.5V，可支持寄生電源模式，對(duì)電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化相當(dāng)強(qiáng)，在系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)電源模式下使用DS18B20，VDD接3.3V，GND接地，DQ引腳與單片機(jī)PA8引腳進(jìn)行輸出輸入。DS18B20采用單總線協(xié)議，通信時(shí)序嚴(yán)格且需要精確的時(shí)序控制，系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)了完整的驅(qū)動(dòng)程序，包含初始化過(guò)程、字節(jié)寫(xiě)操作、字節(jié)讀取等基本功能函數(shù)。溫度測(cè)量的進(jìn)行包括：發(fā)送ROM命令（可為SkipROM或MatchROM）、發(fā)送功能命令（例如ConvertT）、等待轉(zhuǎn)換完成并讀取暫存器內(nèi)容，DS18B20支持可編程分辨率9位至12位，本系統(tǒng)使用12位分辨率，分辨率達(dá)到0.0625℃。為強(qiáng)化測(cè)量的可靠性，系統(tǒng)通過(guò)DS18B20_Read_Temp_With_CRC()函數(shù)讀取溫度值并完成CRC校驗(yàn)，異常數(shù)據(jù)在處理中得到濾除，軟件設(shè)計(jì)時(shí)，溫度數(shù)據(jù)以定點(diǎn)數(shù)形式表達(dá)，真實(shí)溫度需依據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)乘以0.0625后生成，系統(tǒng)以500ms為讀取溫度數(shù)據(jù)的時(shí)點(diǎn)，異常數(shù)據(jù)的濾除處理同時(shí)進(jìn)行，顯示內(nèi)容的準(zhǔn)確性在系統(tǒng)中得到確保。淋浴器單元中，DS18B20完成水溫測(cè)量后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量值低于閾值時(shí)加熱裝置啟動(dòng)；佩戴式手環(huán)部分，DS18B20測(cè)量體溫并完成與閾值的比較，測(cè)量值高于閾值時(shí)報(bào)警裝置觸發(fā)。設(shè)計(jì)整體性地使溫度測(cè)量達(dá)到準(zhǔn)確要求，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)性也一并保證。圖3.2DS18B20溫度傳感模塊3.3OLED顯示模塊系統(tǒng)采用0.96英寸的OLED顯示屏，素分辨率為128×64，顯示效果清晰且層次度強(qiáng)，該顯示屏基于SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行工作，支持I2C和SPI通信協(xié)議，系統(tǒng)使用的是I2C協(xié)議控制。采用兩根信號(hào)線（SCL和SDA），硬件連接復(fù)雜性降低，OLED電壓工作在3.3V-5V，具體接線方式為：VCC連接3.3V電源，GND接地，SCL連接PB15，SDA與PB14接線完成信號(hào)的通信。OLED顯示程序采用分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，底層完成I2C通信協(xié)議的配置，中層對(duì)像素操作函數(shù)進(jìn)行封裝，上層包含文本、數(shù)字和圖形的顯示功能。程序中主要存在OLED_Init()函數(shù)，進(jìn)行初始化并配置OLED工作模式，同時(shí)包含OLED_Clear()清屏功能、OLED_ShowChar()單字符顯示、OLED_ShowString()字符串輸出、OLED_ShowNum()數(shù)字處理、OLED_Show_Temp()溫度數(shù)據(jù)輸出，且OLED_Update()函數(shù)更新顯示緩沖區(qū)。淋浴器控制單元的OLED顯示界面包含三類，普通顯示界面可對(duì)當(dāng)前水溫和流速進(jìn)行展示；溫度閾值設(shè)置界面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度報(bào)警閾值的調(diào)整；流速閾值設(shè)置界面完成流速控制閾值的調(diào)整，佩戴式監(jiān)測(cè)手環(huán)的OLED顯示界面中，主界面展示體溫、心率與血氧數(shù)據(jù)；設(shè)置界面調(diào)整各項(xiàng)報(bào)警閾值；報(bào)警界面顯示具體報(bào)警信息。借助反色顯示技術(shù)完成菜單選擇功能，這提升了用戶操作體驗(yàn)，OLED顯示屏功耗低且對(duì)比度高，同時(shí)視角廣，在不同光線條件下都可保持良好的可視性，老年人使用也相當(dāng)適合。圖3.3OLED顯示模塊3.4ESP8266無(wú)線模塊ESP8266無(wú)線模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，采用ESP-12F封裝，TCP/IP協(xié)議棧也包含在模塊中，模塊連接時(shí)VCC與3.3V電源連接，GND接地，RXD與單片機(jī)PA2（TX2）連接，TXD與單片機(jī)PA3（RX2）連接，ESP8266借助AT指令集配置和控制，系統(tǒng)封裝了完整的AT指令操作函數(shù)庫(kù)，ESP8266_init()初始化函數(shù)，完成WiFi參數(shù)的配置；ESP8266_Connect_AP()函數(shù)連接指定WiFi熱點(diǎn)；ESP8266_Connect_Server()函數(shù)連接MQTT服務(wù)器；ESP8266_Disconnect()函數(shù)斷開(kāi)連接；ESP8266_Send_Data()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)借助MQTT協(xié)議與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成MQTT消息的發(fā)布和訂閱功能，Ali_MQTT_Publish()函數(shù)將傳感器數(shù)據(jù)打包為JSON格式后，發(fā)布到指定主題；Ali_MQTT_Recevie()函數(shù)接收云平臺(tái)下發(fā)的控制命令和閾值設(shè)置，更新本地配置，通信可靠性在系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化，WiFi或服務(wù)器連接中斷時(shí)，斷線重連機(jī)制自動(dòng)嘗試進(jìn)行重連。圖3.43.4ESP8266無(wú)線模塊3.5YF-S401水流量傳感器YF-S401水流量傳感器是一種霍爾效應(yīng)水流傳感器，主要用于測(cè)量淋浴器出水量。該傳感器由水流轉(zhuǎn)子、霍爾效應(yīng)傳感器和殼體組成，當(dāng)水流過(guò)傳感器時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖頻率與水流速度成正比。YF-S401規(guī)格參數(shù)：工作電壓5V，最大電流15mA，工作壓力≤1.75MPa，流量范圍1-30L/min，脈沖特性約為450脈沖/L。傳感器接線方式為：紅線（VCC）接5V電源，黑線（GND）接地，黃線（OUT）接PB10引腳。系統(tǒng)采用外部中斷方式檢測(cè)脈沖信號(hào)，每次上升沿觸發(fā)中斷，增加脈沖計(jì)數(shù)值。實(shí)現(xiàn)代碼通過(guò)GPIO_EXTI_Callback()函數(shù)處理外部中斷，系統(tǒng)每秒計(jì)算一次流量值。為提高測(cè)量精度，系統(tǒng)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，消除機(jī)械誤差和電氣噪聲影響。在淋浴器控制單元中，測(cè)量的流量值用于兩個(gè)目的：一是顯示在OLED屏幕上，便于用戶了解當(dāng)前水流狀況；二是與預(yù)設(shè)閾值比較，控制舵機(jī)調(diào)節(jié)水流大小。當(dāng)流量小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向大開(kāi)度位置（SG90_angle=1830），增大水流；當(dāng)流量大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向小開(kāi)度位置（SG90_angle=1160），減小水流。通過(guò)這種閉環(huán)控制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水流的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。圖3.5YF-S401水流量傳感器3.6MAX30102心率血氧傳感模塊MAX30102為集成脈搏血氧與心率監(jiān)測(cè)的傳感器，通信通過(guò)I2C接口與單片機(jī)完成，借助紅光與紅外光在血液中的吸收差異，完成血氧飽和度和心率的計(jì)算，接線方式具體為：VCC與3.3V電源進(jìn)行連接，GND與地線連接，SCL連接PB6，SDA連接PB7。MAX30102驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)包含多個(gè)部分，底層為I2C通信函數(shù)，中層設(shè)置傳感器配置函數(shù)，上層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理函數(shù)，底層I2C通信負(fù)責(zé)寄存器的讀寫(xiě)操作；中層完成采樣率、脈沖寬度和LED電流等參數(shù)配置；上層部分處理心率和血氧算法，具體關(guān)鍵函數(shù)包括max30102_Init()進(jìn)行傳感器初始化；max30102_readFIFO()實(shí)現(xiàn)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取；max30102_readData()處理傳感器數(shù)據(jù)讀取與操作，心率和血氧計(jì)算也包含在算法中。系統(tǒng)每秒讀取MAX30102數(shù)據(jù)一次，更新心率（HR）和血氧飽和度（SpO2）值，原始數(shù)據(jù)的測(cè)量噪聲采用滑動(dòng)平均濾波算法進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到心率超過(guò)預(yù)設(shè)閾值（HR_H）或血氧低于預(yù)設(shè)閾值（SpO2_L）時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警，在佩戴式監(jiān)測(cè)手環(huán)中，MAX30102是關(guān)鍵組件，生理參數(shù)監(jiān)測(cè)功能離不開(kāi)它，健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)的重?fù)?dān)部分也落它。圖3.6MAX30102心率血氧傳感模塊3.7MPU6050六軸加速度計(jì)與陀螺儀模塊MPU6050六軸加速度陀螺儀在佩戴式監(jiān)測(cè)手環(huán)中主要完成跌倒檢測(cè)任務(wù)，三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀在該傳感器中完成集成，它使用I2C接口進(jìn)行通信，傳感器的接線包含VCC接3.3V電源，GND接地，SCL接PB8，SDA接PB9等具體方式。MPU6050驅(qū)動(dòng)程序包含多個(gè)部分，初始化函數(shù)MPU6050_Init()對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)配置，采樣率、數(shù)字濾波器帶寬與量程等都包含在配置內(nèi)容中；讀取函數(shù)MPU6050_GetData()可以獲取六軸數(shù)據(jù)（AX、AY、AZ、GX、GY、GZ）；數(shù)據(jù)處理函數(shù)計(jì)算姿態(tài)角和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)每500ms讀取一次MPU6050數(shù)據(jù)，對(duì)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。跌倒檢測(cè)算法借助陀螺儀數(shù)據(jù)分析進(jìn)行判定，角速度在任一軸超過(guò)閾值（abs(GX)>6000||abs(GY)>6000||abs(GZ)>6000）時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別為跌倒事件并設(shè)置flag_fall標(biāo)志位，報(bào)警流程同時(shí)觸發(fā)，系統(tǒng)為降低誤報(bào)，增加了防抖處理與狀態(tài)確認(rèn)機(jī)制?？赡艿牡故录z測(cè)后，OLED顯示警告信息，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，ESP8266向云平臺(tái)發(fā)送緊急通知，手動(dòng)取消誤報(bào)警可通過(guò)按鍵3完成，MPU6050模塊在安全監(jiān)測(cè)中擔(dān)任著重要的角色，保障了老年人洗浴時(shí)的使用安全。圖3.7MPU6050六軸加速度計(jì)與陀螺儀模塊

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil5為ARM公司開(kāi)發(fā)的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，專為微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目中Keil5MDK作為主要開(kāi)發(fā)工具，它包含完整的開(kāi)發(fā)鏈工具，例如C/C++編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫(kù)管理器與強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)對(duì)嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，從編碼到調(diào)試的各個(gè)環(huán)節(jié)都可借助其完成。Keil5可支持多種微控制器，STM32包含在內(nèi)，借助軟件包系統(tǒng)提供硬件抽象層與外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)，本項(xiàng)目借助STM32CubeMX生成初始代碼框架，采用HAL庫(kù)進(jìn)行外設(shè)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，HAL庫(kù)的硬件抽象接口簡(jiǎn)化了底層硬件操作，項(xiàng)目代碼結(jié)構(gòu)清晰，分為系統(tǒng)配置層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立。系統(tǒng)軟件使用裸機(jī)編程方式，借助中斷與定時(shí)器完成任務(wù)調(diào)度，主要任務(wù)包含按鍵掃描處理的Key_function()、傳感器數(shù)據(jù)采集的Monitor_function()、顯示更新的Display_function()、控制邏輯處理的Manage_function()、Ali_MQTT通信處理等，系統(tǒng)設(shè)置1ms為基本時(shí)間單位，不同時(shí)間間隔的任務(wù)觸發(fā)點(diǎn)通過(guò)計(jì)數(shù)器生成，各任務(wù)依據(jù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間要求執(zhí)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)各類事件就可確保。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，在main.c中,先寫(xiě)入其他.c的頭文件，接著是定義用到的全局變量和用到的函數(shù)，然后就進(jìn)入到主函數(shù)中。在主函數(shù)中，先進(jìn)行初始化，然后按順序循環(huán)while中的五個(gè)函數(shù)：按鍵函數(shù)、監(jiān)測(cè)函數(shù)、顯示函數(shù)和處理函數(shù)和WIFI接收函數(shù)。在按鍵函數(shù)中，通過(guò)用戶按鍵輸入控制切換界面，設(shè)置閾值時(shí)等操作；在監(jiān)測(cè)函數(shù)中，每500ms獲取一次溫度值；在顯示函數(shù)中，顯示水溫、流速和設(shè)置閾值界面；在處理函數(shù)中，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的操做；最后一個(gè)是WIFI接收函數(shù)，數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)連接手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。4.2.2按鍵子程序流程圖圖4.3按鍵子程序流程圖按鍵功能圖如圖4.3所示，按下按鍵，獲取鍵值，并根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的操作，如果按鍵1被按下，切換界面；如果按鍵2被按下，界面1，溫度閾值+10；界面2，流速閾值+10；如果獲取的鍵值位3，界面0，控制開(kāi)關(guān)水泵；界面1，溫度閾值-10；界面2，流速閾值-10。4.2.3顯示子程序介紹圖4.4顯示子程序流程圖根據(jù)不同顯示標(biāo)志位顯示及不同的界面，界面0，顯示水溫、流速；界面1，顯示設(shè)置水溫閾值；界面2，顯示設(shè)置流速閾值。5系統(tǒng)的測(cè)試5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試使用分模塊逐步集成的處理形式，各部分功能的正常運(yùn)行都包括在確保的范圍中，硬件調(diào)試時(shí)采用萬(wàn)用表和示波器這些工具，對(duì)電路連接、電源電壓與信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)，正常運(yùn)行狀態(tài)的硬件電路就包含在確保內(nèi)容中。在軟件調(diào)試時(shí)借助Keil5的仿真功能與串口調(diào)試工具，運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)流在觀察與分析的范圍中，調(diào)試內(nèi)容具體包含：（1）單片機(jī)底層驅(qū)動(dòng)的調(diào)試工作包含對(duì)CPU運(yùn)行狀態(tài)的驗(yàn)證、時(shí)鐘配置的確認(rèn)，外設(shè)初始化結(jié)果的檢測(cè)，借助示波器完成時(shí)鐘信號(hào)與PWM波形的監(jiān)測(cè)，定時(shí)器工作狀態(tài)的確認(rèn)任務(wù)也同時(shí)進(jìn)行，這些調(diào)試內(nèi)容在檢測(cè)中完成，信號(hào)輸出的監(jiān)測(cè)結(jié)果也同時(shí)生成。（2）傳感器模塊的調(diào)試中，進(jìn)行DS18B20、YF-S401、MAX30102、MPU6050等傳感器單元測(cè)試，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證。溫度傳感器測(cè)試時(shí)初始化時(shí)序問(wèn)題存在，調(diào)整延時(shí)參數(shù)后問(wèn)題消除；水流傳感器測(cè)試時(shí)脈沖信號(hào)抖動(dòng)問(wèn)題發(fā)現(xiàn)，軟件濾波算法增加后穩(wěn)定性提高。（3）顯示與操作界面調(diào)試中，對(duì)OLED顯示功能和按鍵操作邏輯進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化用戶交互體驗(yàn)。多屏切換時(shí)的數(shù)據(jù)刷新問(wèn)題在調(diào)試中找到并處理，參數(shù)設(shè)置過(guò)程中的邊界檢查也一并完善。（4）控制邏輯調(diào)試的驗(yàn)證內(nèi)容包含水溫控制、水流調(diào)節(jié)與報(bào)警觸發(fā)等部分。在舵機(jī)控制時(shí)，PWM參數(shù)設(shè)置存在不正確現(xiàn)象，使舵機(jī)在控制中顯示為抖動(dòng)，后通過(guò)調(diào)整PWM頻率與占空比完成對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的處理。（5）通信模塊調(diào)試中，測(cè)試ESP8266與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互功能時(shí)，WiFi連接不穩(wěn)定問(wèn)題顯現(xiàn)。增加重連機(jī)制和超時(shí)處理后，通信可靠性提高。（6）集成測(cè)試指系統(tǒng)級(jí)測(cè)試在所有模塊集成后進(jìn)行，驗(yàn)證各功能模塊協(xié)同工作。資源競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序沖突問(wèn)題在測(cè)試階段就存在，優(yōu)化中斷處理機(jī)制也同時(shí)完成，各模塊協(xié)同性在測(cè)試后達(dá)到要求。調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)并處理了多個(gè)問(wèn)題，溫度數(shù)據(jù)異常、水流檢測(cè)不穩(wěn)定、通信連接中斷、按鍵響應(yīng)延遲等現(xiàn)象在調(diào)整軟件參數(shù)與優(yōu)化算法后得到顯著改觀，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性也達(dá)到提升。5.2實(shí)物展示系統(tǒng)測(cè)試顯示各模塊均滿足設(shè)計(jì)需求，溫度檢測(cè)精度控制在±0.5℃，完全能夠達(dá)到洗浴溫控的使用要求；水流控制的響應(yīng)時(shí)間在500ms下，調(diào)整迅速；心率測(cè)量精度為±3bpm，血氧精度達(dá)到±2%，體溫精度控制在±0.5℃，均滿足生理監(jiān)測(cè)的精度要求；跌倒檢測(cè)準(zhǔn)確率在90%以上，姿態(tài)異常變化的識(shí)別有效且及時(shí)。在連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)后系統(tǒng)仍穩(wěn)定工作，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不發(fā)生功能異常，實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)為老年人提供安全與舒適的洗浴環(huán)境，能夠有效降低洗浴意外事件風(fēng)險(xiǎn)。圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖結(jié)論結(jié)論結(jié)論本文完成了一套老人助浴水流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)老年人洗浴安全問(wèn)題提供了一整套應(yīng)對(duì)舉措，系統(tǒng)中溫度監(jiān)測(cè)與控制、水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)、生理參數(shù)檢測(cè)和跌倒識(shí)別等功能集成后，構(gòu)建了一個(gè)全方位的老人洗浴安全保障環(huán)境。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)老年人洗浴安全的助力，采用分布式結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的靈活性，也能夠適應(yīng)不同的使用需求。本研究在老年人洗浴安全技術(shù)方案的探索中，不僅提供了具體應(yīng)對(duì)舉措，也為智能家居、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了依據(jù)，監(jiān)測(cè)算法的進(jìn)一步優(yōu)化、生理參數(shù)監(jiān)測(cè)功能的增加、云平臺(tái)與移動(dòng)應(yīng)用功能的完善，結(jié)合人工智能技術(shù)預(yù)測(cè)健康風(fēng)險(xiǎn)的創(chuàng)新探索等方向，都為未來(lái)研究提供了廣闊前景，老齡化人口趨勢(shì)的加劇，使智能化照護(hù)設(shè)備的應(yīng)用前景愈加可預(yù)測(cè)，研究成果在提高老年人生活質(zhì)量和安全性的方向具有助力性貢獻(xiàn)。附錄B參考文獻(xiàn)[1]盧少軍.基于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中師范大學(xué),2016.[2]魏嬌,白磊.基于智能數(shù)字化的智慧養(yǎng)老管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鞋類工藝與設(shè)計(jì),2022,2(24):168-170.[3]白偉,張福玲.基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人健康預(yù)警手環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2017,36(3):99-100.[4]沈潔,沈丁琦.基于藍(lán)牙手環(huán)的學(xué)生綜合素質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與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附錄A原理圖：附錄B部分源程序：#include"main.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED.h"#include"./HAL/ds18b20/ds18b20.h"#include"./HAL/AliESP8266/AliESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*/voidKey_function(void); //按鍵函數(shù)voidMonitor_function(void); //監(jiān)測(cè)函數(shù)voidDisplay_function(void); //顯示函數(shù)voidManage_function(void); //處理函數(shù)/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*//*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display; //按鍵與顯示變量uint16_ttime_1ms; //計(jì)時(shí)變量1msuint8_ttime_500ms; //500ms標(biāo)志位uint16_ttemp=250; //溫度變量uint16_t