PAGE快遞員健康管理系統(tǒng)設(shè)計摘要2020年初，新型冠狀病毒肺炎全面爆發(fā)，超市里的顧客寥寥無幾，人們大多選擇網(wǎng)上購物來滿足自己的需求，因此，新型冠狀病毒肺炎造成了炙手可熱的快遞業(yè)務(wù)需求。本文在對國內(nèi)和國外對于健康管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展進行了研究分析后，研究與設(shè)計了一套適用于快遞員的健康管理檢測系統(tǒng)，用于監(jiān)測快遞員在配送過程中的健康信息。本系統(tǒng)能夠成功采集包括快遞員的體溫、快遞員的心率等在內(nèi)的人體健康生理參數(shù)信息，并是用GPS定位系統(tǒng)采集快遞員的實時位置信息，再通過GPRS無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)胶笈_，讓后臺管理員再進行處理，讓整個配送流程的安全狀況變得可視化。關(guān)鍵詞：健康管理，傳感器，GPRS，APP，STM32目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1研究背景和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1國外研究現(xiàn)狀 11.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 22快遞員健康管理系統(tǒng)整體設(shè)計方案 42.1系統(tǒng)需求分析 42.2系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 42.3系統(tǒng)組成設(shè)計 52.4系統(tǒng)主要流程 63快遞員健康管理系統(tǒng)主要技術(shù)介紹 83.1GPS定位技術(shù)介紹 83.1.1GPS系統(tǒng)組成 83.1.2GPS技術(shù)特點 93.1.3GPS定位原理 93.1.4GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議 103.2GPRS技術(shù)介紹 114快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 124.1主控芯片的選擇 124.2體溫測量模塊 144.3心率血氧測量模塊 174.4GPS模塊 204.5液晶顯示模塊 214.6蜂鳴器模塊 235快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計 255.1MQTT協(xié)議介紹 255.2數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇 265.2.1GPRS模塊 265.2.2AT指令 275.2.3GPRS模塊的工作流程 286快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計 306.1健康管理系統(tǒng)手機APP功能需求分析 306.2快遞員健康管理系統(tǒng)手機APP界面設(shè)計 316.3快遞員管理系統(tǒng)手機APP非功能性需求分析 367結(jié)論 37參考文獻 381緒論1.1研究背景和意義2020初,一場突如其來的新型冠狀病毒肺炎在中國武漢以瞬雷不及掩耳之勢全面爆發(fā),并且向四周及其他國家迅速擴散，瞬間造成不可控的惡劣影響。全國人民的生活、工作都受到了很大的影響，許多企業(yè)也因此深受其害。許多大型活動都不再允許進行，就連家庭的團聚也不能順利的得償所愿。許許多多的人，充滿了對疫情的恐慌，只能選擇安全的居家，超市、商場就連路邊的便利店都無人問津或者直接關(guān)閉。在疫情中，人們可以暫時不需要外出的娛樂，但是生活的必需品對居家的人們而言，是無法避免的，自然而然的，不需要自己出門的網(wǎng)上購物變的炙手可熱。也就是說，疫情的突然降臨造成了網(wǎng)購平臺的大漲，而和網(wǎng)購互相支撐著的快遞業(yè)務(wù)也成為了不可或缺的一項服務(wù)。中國的郵政快遞行業(yè)如今進入了最快速發(fā)展的階段，目前，快遞的業(yè)務(wù)需求量達到了800億件[1]?？爝f行業(yè)屬于服務(wù)行業(yè)，基本業(yè)務(wù)是收寄、分揀、封發(fā)和運輸，目前也屬于勞動密集型行業(yè)，對人的依賴較大。而新型冠狀病毒肺炎的其中一個最為嚴重的傳染途徑就是人傳人和物傳人。一個快遞員一天平均接觸150-200個包裹，接觸形形色色的人，這時，快遞員的健康保障就成了快遞公司和收件人最為擔(dān)心的問題。雖然許多的快遞配送都轉(zhuǎn)換為了無接觸派送，但對于一些大型物件的快遞或者一些需要顧客親自簽收的快遞來說，還是會遇到和快遞員進行一個面對面的接觸。如果有一個人身上攜帶病毒并傳染給快遞員，在快遞員不自知的情況下繼續(xù)配送快遞，快遞員可能就會將病毒傳染給更多的人，所以，對于快遞員的健康檢測顯得尤為重要。因此本系統(tǒng)的研究目的是為了將快遞員的體溫、心率實時采集并傳送到終端，如果快遞員健康信息出現(xiàn)異常，立馬產(chǎn)生警報，并反饋給管理員，停止快遞員的工作，后臺管理員便能及時上報公共衛(wèi)生機構(gòu)，這樣能夠有效地阻止病毒的傳播。與此同時，系統(tǒng)也會對快遞員的配送過程進行定位，如果快遞員配送過程中經(jīng)過疫情所在的地區(qū)，也能快速查找，有效隔離。這樣公開透明可視化的數(shù)據(jù)，可以讓快遞員和客戶都更為安心。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于全球的健康醫(yī)療儀器大致分為醫(yī)用和民用兩種。醫(yī)用是指在醫(yī)院中由受過專業(yè)技能培訓(xùn)的醫(yī)生對患者實時監(jiān)測生理數(shù)據(jù)的各種儀器；而民用則是由患者本人與其家屬，在說明書或相關(guān)醫(yī)護人員對其進行了簡單指導(dǎo)后就易于上手的檢測儀器，該儀器能將監(jiān)護所獲得的各項數(shù)據(jù)實時的通過無線通信傳送給負責(zé)醫(yī)生。1.2.1國外研究現(xiàn)狀醫(yī)療保險機構(gòu)通過對購買了醫(yī)療保險的客戶進行一個系統(tǒng)且全面的健康管理評估，并給出指導(dǎo)，疾病的風(fēng)險或病態(tài)的惡化被近乎控制住了，疾病的發(fā)生概率和當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療支出都得到了有效的控制，對于資本家而言，醫(yī)療的保險的賠償損失也被降低了。這便是美國于上世紀50年代末第一次提出的一個全新概念健康管理[2]。如今，移動設(shè)備在我們的生活中是十分常見的，如果將醫(yī)療技術(shù)應(yīng)用于移動設(shè)備之上，這將對人們預(yù)防疾病的效率大大提升，人們不再是在出現(xiàn)疾病后去診療，而變成了在疾病發(fā)生前，通過移動設(shè)備觀察到自己的健康變化，從而能夠及時的了解自身健康情況，能夠達到預(yù)防疾病的目的。正因如此，基于智能化設(shè)備的醫(yī)療系統(tǒng)慢慢出現(xiàn)在大家面前，越來越多的醫(yī)院、家庭、社區(qū)都開始應(yīng)用這些設(shè)備。遠程醫(yī)療的作用也開始向從診治已經(jīng)發(fā)生的病情變?yōu)榱颂崆暗念A(yù)防潛藏的疾病的方向發(fā)展。美國等發(fā)達國家的醫(yī)療水平和發(fā)展進程都優(yōu)于我國，他們的數(shù)據(jù)通信方式基本采用衛(wèi)星通信以及綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)通信。在遠程監(jiān)控方面以及在軍事領(lǐng)域方面，這些發(fā)達國家都已經(jīng)擁有了非常好的發(fā)展。就英國而言，目前有七成的國民目前正利用健康管理服務(wù)對自己的健康狀況進行管理[3]。幾乎每個行業(yè)、每個家庭、每個機構(gòu)都參與其中，對于健康管理的參與度達到了一個很大的比例。無線通信技術(shù)在各國都正在大力發(fā)展中，因此，國外的遠程健康管理系統(tǒng)也隨著無線通信技術(shù)而呈迅速增長趨勢。早在2011年，美國的ADI公司隨同麻省理工學(xué)院共同完成研制了一套家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)[4]，這個系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)控的功能，每一位健康管理系統(tǒng)的使用者都可以隨時得知自己的身體數(shù)據(jù)。而在日本的一所大學(xué)也開發(fā)出了這樣的一套系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，在各種情況和場景下都可以適用。健康管理在美國各項產(chǎn)業(yè)占比中已經(jīng)擁有了超過千億美元的比例。除此之外,不乏一些市值已經(jīng)超過百億的重要的上市公司，其主要業(yè)務(wù)多為健康管理機構(gòu)或保險公司。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國，健康管理是一個新興的概念。遠程醫(yī)療在中國發(fā)展的時間比較晚，在上世紀80年代才開始對這一方面進行著手研究。我國最開始的是通過電話線來輸送所需要的醫(yī)學(xué)資料，然后用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)遠程的醫(yī)療操作。我國就有一款適用于各種家庭的遠程監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)即是由清華大學(xué)的精英通過程控電話網(wǎng)所開發(fā)的，該系統(tǒng)能夠用于收集人體心電參數(shù)和血壓生理參數(shù)來達到監(jiān)控目的；在1997年我國成立了遠程醫(yī)療中心，其中基本技術(shù)包含了ISDN、電子郵件和可視電話；隨后，一款基于掌上個人電腦的人體生理信息檢測系統(tǒng)也隨著第三軍醫(yī)大學(xué)“863”家庭數(shù)字化理療監(jiān)護項目的啟動而被開發(fā)出來。我國老年人口規(guī)模越來也多、增長的速度也越來越快，醫(yī)療資源匱乏等社會問題層出不窮，因此，近些年來，中國的遠程醫(yī)療技術(shù)也在加快發(fā)展，中國遠程醫(yī)療的出現(xiàn)不僅只側(cè)重于疾病的治療，而且生理數(shù)據(jù)監(jiān)測等內(nèi)容上也頗見成效，對患者進行健康監(jiān)測，一步步控制慢性疾病向不可控方向的發(fā)展，在發(fā)病前扼制疾病的發(fā)生是很重要的，因此要形成以“早干預(yù)、早治療、保持健康、提高就診質(zhì)量”的中心思想[5]。在針對各式各樣的疾病預(yù)防與控制的過程中記錄和監(jiān)視人體的實時生理數(shù)據(jù)，以便及早進行分析和干預(yù)，從而達到良好的控制效果。因而，傳感器技術(shù)作為核心技術(shù)是遠程監(jiān)控健康管理系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器技術(shù)為移動健康管理系統(tǒng)提供了持續(xù)的技術(shù)支持。創(chuàng)新型的移動便攜式智能醫(yī)療傳感器能實現(xiàn)許多普通醫(yī)療設(shè)備無法完成的功能，例如，它可以實時地采集數(shù)據(jù)并同時上傳至數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫可以訪問，醫(yī)生可以通過遠程移動端或者電腦端來進行訪問，并將數(shù)據(jù)下載至電腦或手機。這種創(chuàng)新型地移動設(shè)備是醫(yī)療業(yè)界的一個飛躍式的進步。設(shè)備的出現(xiàn)可以大大地減少醫(yī)療資源，解決諸如醫(yī)療資源分配不均之類的問題，也可以對用戶進行持續(xù)性的生理指標(biāo)監(jiān)控。近年來，我國正逐漸擴大遠程醫(yī)療的發(fā)展范圍，與此同時，也在不斷尋找適合的、穩(wěn)定的無線通信技術(shù)來進行醫(yī)學(xué)界的通信。任毅、石道生設(shè)計的基于Zigbee的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)能夠完成對不在病院或不在當(dāng)?shù)氐幕颊叩倪h程監(jiān)護；武警總醫(yī)院急救監(jiān)護中心采用了GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)，持續(xù)監(jiān)護在家患者的心率參數(shù)；2016年，走進第九屆全球健康促進大會的召開提出了要從普及健康生活、建設(shè)健康環(huán)境、完善健康保障、優(yōu)化健康服務(wù)、發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)五個方面全面推進健康中國建設(shè)，實現(xiàn)健康中國的宏偉目標(biāo)[6]。許許多多有名的大型醫(yī)院和院校都相繼成立了遠程醫(yī)療中心，大力發(fā)展遠程醫(yī)療工作，為急重癥患者提供醫(yī)療援助。而對于國內(nèi)市場，傳統(tǒng)的人體健康管理系統(tǒng)的缺點非常明顯，由于成本很高，因此傳統(tǒng)的設(shè)備僅僅應(yīng)用于有重病的家庭，一般家庭很少會使用人體監(jiān)護裝置。除此之外，傳統(tǒng)的裝置極其容易損壞，且無法維修，會造成資源的浪費；設(shè)備的抗干擾能力不是很強，極其容易受到外界環(huán)境的影響，造成不穩(wěn)定的情況。針對上述對傳統(tǒng)的人體健康管理系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)的問題，本文設(shè)計了一種能夠滿足大部分普通家庭使用的基于GPRS通信技術(shù)的新型人體健康管理系統(tǒng)?？爝f員健康管理系統(tǒng)的目的在于針對在新冠肺炎疫情的現(xiàn)狀下，利用GPRS無線傳輸技術(shù)，研究與設(shè)計了一套適用于快遞員的健康管理檢測系統(tǒng)，用于監(jiān)測快遞員在配送過程中的健康信息。本系統(tǒng)能夠采集包括快遞員的體溫、快遞員的心率等在內(nèi)的人體健康生理參數(shù)信息和實時位置信息，通過GPRS無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)胶笈_完成一個統(tǒng)計匯總，后臺管理員再進行處理，讓整個配送流程的安全狀況變得可視化。該系統(tǒng)結(jié)合GPRS技術(shù)和智能手機，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性以及便于攜帶性，滿足了快遞員在配送過程中對健康監(jiān)測的要求。

2快遞員健康管理系統(tǒng)整體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)需求分析健康管理系統(tǒng)借助簡單實用的體溫傳感器、心率血氧模塊傳感器，對派送途中的快遞員的體征指標(biāo)進行監(jiān)測，同時，采集的生理特征數(shù)據(jù)將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾韱T的手機中。整個快遞員健康管理系統(tǒng)是基于遠程生理健康數(shù)據(jù)監(jiān)測的背景上開展的研究設(shè)計，在系統(tǒng)設(shè)計中需要實現(xiàn)的是對人體生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測功能和定位功能，以及超出正常值范圍的緊急報警功能，再擴展還能有暴露危險通知。整個系統(tǒng)面向兩類用戶使用，一類是快遞員，另一類是管理員。從快遞員身上采集數(shù)據(jù)，管理員則是對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理?？爝f員是本系統(tǒng)的主要用戶，用戶通過單片機收集自己的健康信息后，單片機反饋信息到APP端，管理員則通過APP端監(jiān)視快遞員的健康數(shù)據(jù)。2.2系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)快遞員健康管理系統(tǒng)主要是通過可佩戴試的小型生理特征傳感器來實現(xiàn)實時更新的數(shù)據(jù)采集，是以快遞員個人為單位，提供實時的數(shù)據(jù)并上傳分析，因此要求快遞員健康管理系統(tǒng)必須具有實時監(jiān)測性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性，也包括對數(shù)據(jù)準確性的保證。因此系統(tǒng)在硬件和軟件設(shè)計時必須要能夠滿足以下幾項性能和功能要求。設(shè)備使用的便攜性為了方便管理平臺和快遞員本人實時地了解自己的生理健康信息數(shù)據(jù)，所以此系統(tǒng)需要在能夠準確測量的情況下兼具易于攜帶，不會影響快遞員的日常工作。設(shè)備使用的易操作性對于快遞員來說，使用本系統(tǒng)的情況多為在工作中，繁瑣的操作會導(dǎo)致延誤時間且增加行駛途中的危險性，因此，快遞員會更加傾向選擇操作方便的設(shè)備。設(shè)備的可靠性由于關(guān)乎了所有快遞員和客戶的生命安全，所以，可靠穩(wěn)定性也是非常重要的。如果發(fā)生采集不及時或不準確等現(xiàn)象，可能會造成新型冠狀病毒肺炎的蔓延，危害公共社會。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性一旦身體數(shù)據(jù)發(fā)生異常，快遞員應(yīng)立即終止派送活動，所以系統(tǒng)需要具有實時性來使快遞員時刻了解自己的身體健康，并且當(dāng)快遞員發(fā)生異常時，管理員及時得知情況，重新分配任務(wù)也是非常必要的。設(shè)備的低成本由于此系統(tǒng)是面向廣大快遞員的，因此必須考慮到絕大多數(shù)單位企業(yè)的經(jīng)濟承受能力，才能更好地在快遞業(yè)界大面積推廣。系統(tǒng)的存儲性手機接收綁定設(shè)備發(fā)送來的被監(jiān)測快遞員的體溫、心率數(shù)據(jù)后，要進行適當(dāng)?shù)奶幚砗痛鎯?，方便日后進行查看。無線傳輸系統(tǒng)需要通過移動WIFI或2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)視采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，發(fā)送到管理員手機。報警功能根據(jù)設(shè)定的人體體溫、心率等報警閾值或異常范圍，手機提供報警和提醒服務(wù)，可以將信息發(fā)送到管理員的手機上。2.3系統(tǒng)組成設(shè)計本文所研究的快遞管理系統(tǒng)主要以模塊化的方式來進行設(shè)計，主要分為以下三個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊所使用到的硬件包含人體健康數(shù)據(jù)采集傳感器，如DS18B20溫度傳感器和MAX30100心率血氧傳感器；人體位置信息采集器，如GPS全球定位系統(tǒng)；微處理器，如STM32單片機，以及液晶顯示屏模塊和蜂鳴器模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊這個模塊的構(gòu)建主要是GPRS技術(shù)通信模塊，在它的通信協(xié)議下，可以完成被采集數(shù)據(jù)由單片機發(fā)送到終端地傳輸過程。數(shù)據(jù)處理模塊這個模塊的運行主要是在移動終端完成。移動終端會呈現(xiàn)被采集的數(shù)據(jù)給管理員看，最后，管理員會將被采集的數(shù)據(jù)進行處理?？爝f員管理系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)框圖通過溫度傳感器、心率血氧傳感器實現(xiàn)了對人體基本生理信息的采集，而后實時數(shù)據(jù)和位置信息一齊傳送給微處理器，微處理器接收到消息，會對其開展分析與處理，處理完畢后，無線通信模塊會將信息實時傳送到系統(tǒng)中，只要管理員登錄系統(tǒng)后就可以在系統(tǒng)后臺查看到當(dāng)前快遞員的生理信息和位置信息的總體匯總。當(dāng)被監(jiān)測的工作人員身體出現(xiàn)狀況時，微處理器上連接的蜂鳴器會自動報警，對被監(jiān)測快遞員發(fā)出警告作用，與此同時，手機APP也會隨之收到信息，它們之間使用了采用了無線通信模塊，使管理員在后臺就能及時了解被監(jiān)測快遞員的健康狀況。系統(tǒng)在開發(fā)過程中，使用KeiluVision5軟件環(huán)境編寫底層代碼，底層代碼包括STM32主控功能、心率、體溫設(shè)備控制程序，程序在下載的過程中使用了J-LINK下載器的在線下載方式。手機端APP的設(shè)計是在Hbuilder軟件開發(fā)環(huán)境下完成的，在軟件中使用了HTML5語言編寫APP的界面和交互程序，使得管理員可以方便地在手機端查看快遞員的實時數(shù)據(jù)信息并采取相應(yīng)的措施。2.4系統(tǒng)主要流程單片機是這個快遞員健康管理系統(tǒng)的最核心的部分，主要是用來控制整個系統(tǒng)的流程運作。單片機的首要功能便是采集生理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并能夠輸送傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)。STM32F103單片機帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，由數(shù)模轉(zhuǎn)換通道再由單片機上連接的GPRS傳輸模塊無線傳輸，向上位機設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)并且存儲在上位機設(shè)備中。程序的主要流程圖如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)主要流程圖單片機可以自動判斷傳感器所采集的當(dāng)前數(shù)值的具體情況，判斷數(shù)據(jù)是否達到系統(tǒng)所設(shè)定的數(shù)值，如超過設(shè)定數(shù)值，那么蜂鳴器就會發(fā)出警報，系統(tǒng)也會進行報警。通過單片機的數(shù)據(jù)處理進而得到相應(yīng)的狀態(tài)分析，進而使得總系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

3快遞員健康管理系統(tǒng)主要技術(shù)介紹3.1GPS定位技術(shù)介紹3.1.1GPS系統(tǒng)組成GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的構(gòu)成要素共有三個：空間部分（GPS星座）；地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）；用戶設(shè)備部分（GPS信號接收機）[7]。下面簡要描述這三個部分：空間組成部分空間組成部分包含了24顆衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星每4個散布在一個空間軌道上，因此，一共有6個空間軌道。這些軌道是在地表的上方約20千米至200千米處，它們的傾角約為55度。地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分包含了許多站臺。其中，有5個全球監(jiān)測站可以持續(xù)性的監(jiān)測到全部可以看見的衛(wèi)星的接收器。當(dāng)全球監(jiān)測站監(jiān)測到一定數(shù)據(jù)時，需要對數(shù)據(jù)進行基本的分析處理，處理完畢后，這些數(shù)據(jù)將傳輸?shù)街骺刂普?。隨后，主控制站繼續(xù)對其數(shù)據(jù)進行一定的分析計算，將最終的結(jié)果傳輸?shù)?個地面控制站。GPS地面監(jiān)控中心示意圖如圖3-1所示。圖3-1GPS地面監(jiān)控中心GPS接收用戶部分用戶設(shè)備部分的功能涵蓋以特定衛(wèi)星從靜止角度捕捉選擇的衛(wèi)星，并且追蹤這些衛(wèi)星。隨著接收機搜尋到衛(wèi)星信號的時候，它能夠獨立計算出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和變化率。隨后，對此數(shù)據(jù)繼續(xù)分析計算，能夠依據(jù)方位得出所需要定位的地理信息[8]。3.1.2GPS技術(shù)特點GPS技術(shù)特點如下：在空曠的室外活動時，GPS可以精確定位，且定位精度非常高；體積小巧，性能優(yōu)異，方便快遞員隨身攜帶；時效快，能夠快速傳輸?shù)焦芾韱T端；適應(yīng)能力強，在各種環(huán)境下都可以定位；可以在任何地方任何時間實現(xiàn)持續(xù)的導(dǎo)航定位，不會中斷。3.1.3GPS定位原理GPS定位技術(shù)的原理：GPS定位技術(shù)使用空間的四個基準點后，借助交會的方式來精確計算測量點的所處方位。這四個基準點就是太空中用來定位的衛(wèi)星。這些數(shù)據(jù)里，無需計算便可得知的是四個基準點的瞬時方位。要想對待測點（ｘ,ｙ,ｚ）進行定位，必須計算出待測點的坐標(biāo)及該點和衛(wèi)星鐘的時間差，上面的敘述中提到可以根據(jù)四個定位衛(wèi)星的參考點來計算出待測點的坐標(biāo)。根據(jù)圖所示的四顆定位衛(wèi)星與待測點的位置關(guān)系可以確定以下４個方程式[9]：（ｘ1－ｘ）2＋（ｙ1－ｙ）２＋（ｚ1－ｚ）２＋c２＋（ｔ-ｔ01）＝ｄ1２（3-1）（ｘ2－ｘ）2＋（ｙ2－ｙ）２＋（ｚ2－ｚ）２＋c２＋（ｔ-ｔ02）＝ｄ2２（3-2）（ｘ3－ｘ）2＋（ｙ3－ｙ）２＋（ｚ3－ｚ）２＋c２＋（ｔ-ｔ03）＝ｄ3２（3-3）（ｘ4－ｘ）2＋（ｙ4－ｙ）２＋（ｚ4－ｚ）２＋c２＋（ｔ-ｔ04）＝ｄ4２（3-4）在這些數(shù)據(jù)中，d1至d4是同步衛(wèi)星1-4到測定點的距離。通過同步衛(wèi)星，將在測定點接收到信號的時間和信號的傳輸移動速度相乘，可以得到這個距離數(shù)據(jù)。即di=ct0i（i=1，2，3，4）；公式中的xi，yj，zk是每個同步衛(wèi)星的星歷參數(shù)；t01-t0４是各個同步衛(wèi)星的時間差[10]。由（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）式可求得未知數(shù)（x，ｙ，ｚ，ｔ）可以得到定位接收設(shè)備的位置信息（x，ｙ，ｚ）和接收設(shè)備的時鐘差ｔ。計算公式中的c表示了GPS信號的傳播速率，或稱光速。圖3-2衛(wèi)星觀測原理圖3.1.4GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議GPS全球定位模塊使用的通信協(xié)議是NMEA-0183協(xié)議。NMEA-013協(xié)議是標(biāo)準的海洋電子產(chǎn)品格式，NMEA-00183標(biāo)準GPS接收器的硬件接口可以和PC設(shè)備RS-232C串行協(xié)議全面相容。NMEA-0183通信協(xié)議全都是在ASCII碼基礎(chǔ)上的通訊語句[11]。NMEA-0183協(xié)議里有許多用來與外部通信的命令被定義，然而有5種命令是最常見的，命令及最大幀長如下：$GPGGA命令：這是全球定位數(shù)據(jù)命令，其最大幀長為72；$GPVTG命令：這是衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)命令，其最大幀長為65；$GPGSA命令：這是衛(wèi)星狀態(tài)信息命令，其最大幀長為210；$GPGSV命令：這是推薦最小數(shù)據(jù)命令，其最大幀長為70；$GPRMC命令：這是地面速度信息命令，其最大幀長為34。NMEA-0183協(xié)議語句的數(shù)據(jù)格式如下：“$”為語句起始標(biāo)志；“，”為域分隔符；“*”為校驗和識別符。緊隨“*”之后的兩個數(shù)字是校驗和，校驗和表明了了介于“$”和“*”之中的全部字符的按位異或值；“／”為終止符，其作用等同于ASCII碼中的“回車”命令（0X0D）以及“換行”命令（0X0A）。 在我們的日常生活中，最常接觸到的NMEA-0183標(biāo)準的GPRMC命令語句有以下幾句：當(dāng)GPS正常工作時，語句如：$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54如果GPS沒有辦法接收到衛(wèi)星信號，那么GRRMC命令語句的輸出將發(fā)生變化，語句如下：$GPRMC,121252.000,V,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*543.2GPRS技術(shù)介紹GPRS的英文全稱為GeneralPacketRadioService。GPRS技術(shù)是在世界范圍內(nèi)都有普遍地、大范圍應(yīng)用的通用分組無線業(yè)務(wù)。GPRS技術(shù)是在現(xiàn)存的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新業(yè)務(wù)[12]。當(dāng)時GPRS的主要任務(wù)是為GSM用戶提供眾多的套餐服務(wù)。GPRS會給目標(biāo)用戶傳輸數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)地傳輸形式則是數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包這樣的傳輸方式能最大程度地確保數(shù)據(jù)的傳輸，每一個數(shù)據(jù)包都能以不一樣的方式到達目標(biāo)。與此同時,也會充分利用通信信道,而這一點就能夠讓大量用戶在同一瞬間進行通信傳輸。與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比，GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率方面有所提高,另一方面,GPRS接收相應(yīng)請求的反映時間非常短,而GSM技術(shù)建立連接則需要10-30秒的時間。GPRS基本能夠在全國各地都左到覆蓋了,技術(shù)相對成熟,非常適合實時數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的需求。間歇性的數(shù)據(jù)傳輸、瞬間性的數(shù)據(jù)傳輸、多次少量的數(shù)據(jù)傳輸和少數(shù)次大量的數(shù)據(jù)傳輸都可以用GPRS技術(shù)進行。GPRS技術(shù)的特點有以下四點：速度非常的快，并且能夠以相對穩(wěn)定的性能來傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括短信、彩信、圖片等一系列文件；GPRS在建立新的連接的時候，基本上是不需要任何時間的，所以它永遠在線上，不需要斷開，永遠待機，一直長久地保持著與網(wǎng)絡(luò)的連接。GPRS需要插sim卡運行，但不會時刻扣費，它的扣費方式時按照我們平時所說的流量來進行計算。GPRS技術(shù)現(xiàn)在相對成熟，非常適合各種傳輸數(shù)據(jù)的需求，并且價格便宜，成本非常低。

4快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計4.1主控芯片的選擇源于快遞員健康管理系統(tǒng)的特性，系統(tǒng)必須選擇低耗能、高可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定的單芯片作為主要的控制芯片。因此，本系統(tǒng)選用相對成本較低、功耗也相對較低的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)芯片作為本系統(tǒng)的微控制器。STM32F103C8T6中的最小系統(tǒng)是一個單片機，這個單片機是在ARM32位的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，它的內(nèi)核是Cotextm3[13]，它的工作電壓范圍是從2V到3.6V之間，單片機中的CPU的信號在普通情況下可以達到一分鐘發(fā)出72mhz。STM32單片機集成了足夠的接口資源，例如USART通信接口、USB接口、SPI通信接口以及I2C等接口。操作起來十分容易，方便對系統(tǒng)進行管理和控制，能夠滿足快遞員健康管理系統(tǒng)的實時性、可靠性和數(shù)據(jù)處理等要求。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)微處理器的優(yōu)點如下：封裝體積小，滿足日常攜帶需求；運行速度快，滿足實時采集數(shù)據(jù)需求；處理能力強，滿足實時監(jiān)控需求；外設(shè)接口豐富，滿足今后擴展需求；價格便宜，可以滿足各家企業(yè)需大量采購的需求。圖4-1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖數(shù)據(jù)采集終端由STM32F103C8T6單片機微處理器完成。數(shù)據(jù)采集終端需要完成的主要模塊是溫度采集模塊，對快遞員的體溫進行采集；血氧心率采集模塊，功能是對輸出光強度進行采集，然后通過一定的數(shù)學(xué)公式進行分析和計算，得出快遞員的心率數(shù)值；LCD液晶顯示屏模塊，在屏幕上顯示快遞員的實時體溫和心率；還有GPS定位模塊和蜂鳴器模塊。在STM32單片機的統(tǒng)一操縱下，能夠及時測量人體生理機能數(shù)據(jù)并顯示。微控制單元的軟件設(shè)計最終可以達到協(xié)調(diào)各個模塊，其中包括溫度采集模塊以及血氧心率采集模塊等其他相關(guān)模塊一起運行，并且，最終可以實現(xiàn)所有模塊想要實現(xiàn)的特定功能。圖4-2數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖STM32F103C8T6的板子上共有四個按鍵，可以控制溫度最大值和心率最大值的設(shè)定，初始值都為20，可以更改初始值的大小，更改預(yù)設(shè)數(shù)值的主代碼如圖4-3。圖4-3更改設(shè)定數(shù)值的大小主代碼4.2體溫測量模塊體溫代表了人體機能的溫度，是人體生命特征最直觀清晰的展現(xiàn)，并且，新冠肺炎患者體溫大多是在37.4℃以上，以38℃以上為多見。因此對快遞員的體溫的監(jiān)測環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵。溫度采集模塊主要由兩個部分組成，這兩個部分分別是微控制器STM32F103C8T6和溫度傳感器DS18B20。這兩個器件的組合共同組成了溫度采集收集器。STM32單片機通過DS18B20溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)信號，與此同時把溫度轉(zhuǎn)換和分析處理后的數(shù)據(jù)打包，借助一定的通信協(xié)議通過串口進行處理，最后數(shù)據(jù)被發(fā)送到上位機終端。目前市面上的溫度傳感器有幾種分類，如模擬傳感器和數(shù)字溫度傳感器。本系統(tǒng)選用的是常見的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器的最低測溫為零下55攝氏度，最高測溫可以達到125攝氏度，其中，在零下10攝氏度到85攝氏度的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，精度可以達到上下0.5攝氏度的浮動范圍[14]。DS18B20溫度傳感器是采用單總線系統(tǒng)，正因為如此，它依靠自身獨立的元件，就可以直接測量出需要的結(jié)果。并且，由于其采用單線通信模式，此模式使從單線接口發(fā)送信息的過程以及接收信息的過程變得很容易，因此，它不需要依賴外部電源，方便之后的擴展需求。DS18B20溫度傳感器共有三個引腳，它們分別是：GND為電源地引腳；VDD為外接電源引腳；DQ為數(shù)據(jù)信號輸入/輸出引腳。圖4-4DS18B20溫度傳感器外形圖DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括以下幾個：寄生電源電路。64位只讀存儲器（ROM）。64位的唯一芯片序列號只能讀取存儲器設(shè)備。存儲器和控制邏輯。中間數(shù)據(jù)的臨時高速存儲器。它提供一個直接的溫度報警值寄存器。溫度傳感器。報警上線寄存器TH。報警下限寄存器TL。配置寄存器。8位CRC發(fā)生器。執(zhí)行串行通信中的數(shù)據(jù)檢查，并評估接收到的數(shù)據(jù)是否正確[15]。圖4-5DS18B20溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖溫度傳感器DS18B20的工作原理可分為以下四部分：系統(tǒng)初始化；向ROM發(fā)送工作指令；存儲器執(zhí)行收到的工作指令；數(shù)據(jù)的處理和存儲。其具體測溫原理如圖4-6所示。圖4-6DS18B20溫度傳感器測溫原理圖DS18B20溫度傳感器具有以下優(yōu)點：體積小，快遞員攜帶方便，不占地方；抗干擾能力強，它能夠不受外界干擾進行體溫的測量；精度高，能夠精確測量快遞員體溫，將安全最大化；成本低，適用于快遞企業(yè)的大量采購。這些優(yōu)點都非常適用于快遞員在日常工作中的派送任務(wù)。圖4-7為獲取溫度值的主代碼。圖4-7獲取溫度值主代碼4.3心率血氧測量模塊脈搏最直觀的反映便是在人體表面可以被觸摸和被感覺到的動脈跳動。隨著心臟的跳動，一定量的血液進入動脈，動脈壓強度增加，動脈直徑擴大，在身體淺表的動脈中可以感覺到擴張，這就是人體的脈搏。正常情況下，人的脈搏等同于人的心跳次數(shù)，因此測量脈搏的數(shù)值相當(dāng)于反映了人體心率數(shù)值。成年人的心率在正常范圍內(nèi)為60至100次每分鐘，平均每分鐘約72次。正常人的脈搏強度相對都較為均勻，極少數(shù)（除特殊情況下）會出現(xiàn)大范圍的高低浮動現(xiàn)象。除此之外，在運動時、或者在緊張狀態(tài)時就會加劇脈搏的跳動速度，相反，在睡覺時或者在休息的時候，脈搏速度就會變慢。對于心動過速的定義是：每分鐘內(nèi)，成年人的脈搏數(shù)值超過了100次時，則被判定為心動過速；而對于心動過緩的定義是：每分鐘內(nèi)，成年人的脈搏數(shù)值沒有達到60次，則被判定為心動過緩。在疾病發(fā)生的時候，大概率會出現(xiàn)心跳變化的情況，而我們常見的心電圖、生命體征檢測器等測量儀器大多都可以用來觀測到心率的變化。而感染新冠肺炎的患者，有可能會出現(xiàn)心跳加快的表現(xiàn)。心率采集模塊也主要由兩個部分組成，分別是微控制器STM32F103C8T6和心率血氧監(jiān)測模塊MAX30100。這兩個硬件的共同組成了一個完整的心率采集模塊。MAX30100采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式進行計算分析，便可得出心率脈搏數(shù)值。再由STM32單片機讀取數(shù)據(jù)信號，與此同時將心率血氧模塊所轉(zhuǎn)換和分析處理后的數(shù)據(jù)打包，借助一定的通信協(xié)議通過串口進行處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機終端。本系統(tǒng)選用了MAX30100心率血氧模塊。MAX30100心率血氧模塊是內(nèi)置脈搏血氧儀和心率監(jiān)測的生物傳感器模塊[16]。MAX30100心率血氧模塊中包含一個紅光LED燈和一個紅外光LED等，這兩個LED燈集成一體。除此之外，還有一個用作細化光學(xué)的光電探測器，一個可以低噪聲的模擬信號處理器電子電路，從而達到抑制環(huán)境光的目的。傳感器采用的是1.8V電源電壓和3.3V電源電壓，此傳感器可以適用于多種場景，可以將其佩戴在身體的許多部位，例如套在手指上，放于耳垂后，佩戴在手腕上，由此來進行心率血氧的采集，待機電流極小，可以忽略不計，這樣可以使電源在任何時候都能保持連接狀態(tài)。MAX30100心率血氧模塊使用1.8V~5.5V的電源電壓兼容的I2C通信接口，可以和STM32F103C8T6單片機進行正常可靠的通信。MAX30100心率血氧模塊原理圖如圖4-8所示。圖4-8MAX30100心率血氧模塊原理圖MAX30100心率血氧模塊共有7個引腳：VIN引腳。電源輸入1.8V~5.5VSCL引腳。SDA引腳INT引腳IRD引腳RD引腳GND引腳MAX30100心率血氧模塊的工作原理是：血氧飽和度是指包括氧合血紅蛋白(HbO2)在內(nèi)的動脈血中血紅蛋白(含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白的總和)所占的比例[17]。公式如下所示：SpO2=C其中CHbO2表示的是脈搏血液中氧合血紅蛋白的容量大小，而CHb表示的是脈搏血液中Hb的容量大小。MAX30100心率血氧模塊基于以下原理：當(dāng)光透過人體血液的時候，血液會將光吸收，而吸收量的值則是由動脈的搏動而決定。脈搏波的脈動狀態(tài)反映在光吸收的變化中，并且由每個波長具有不同氧含量的血液吸收系數(shù)的差異提供，由此來進行血氧飽和度的測量。發(fā)光二極管能夠把電能轉(zhuǎn)換成紅外線，發(fā)光二極管也能夠把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過測量手指的透射率，就能夠間接地測量人體的脈搏信號。如果有脈搏的話，手指的光會被血液吸收，因此部分的光會被削減。相反，如果沒有脈搏的情況下，穿過手指地光會直接射出，不會存在被血液吸收的情況，因此光不會被削減，所以通過手指的光會大大超出脈搏值。因此，光電二極管的信號輸出值也就在一定程度上反映除了人體地脈搏心率值。如圖4-9所示，當(dāng)所測量位置沒有脈搏的時候，輸出光的強度值則沒有發(fā)生改變，輸出的是一個穩(wěn)定不變的數(shù)值。但是，如果存在脈搏時，輸出光強度值會隨著脈搏的規(guī)律性跳動而呈現(xiàn)周期性的變化，這個信號就稱之為光電容積脈搏波信號，英文縮寫為PPG。在沒有脈沖的情況下光吸收是穩(wěn)定不變的值。而當(dāng)存在脈沖時，輸出光強度會根據(jù)動脈的跳動而進行周期性的變化，該信號是光電容積脈搏波信號（PPG）[18]。大多數(shù)情況下，交流分量是指根據(jù)動脈血液的變化從而致使光吸收量發(fā)生了變化，縮寫為AC。而直流分量是指沒有檢測到脈搏的其他組織部位的光吸收量不會呈周期性變化，而是一個穩(wěn)定不變的值，縮寫為DC。光吸收量隨動脈波動的變化如圖4-9所示。圖4-9光吸收量隨動脈波動的變化當(dāng)光線通過人體周圍的血管時，血液量會隨著動脈的跳動而變化，透射過人體的光吸收量也產(chǎn)生了影響，發(fā)生了一定的變化。這時候，光電轉(zhuǎn)換器就會汲取反射光線并且進行電信號的轉(zhuǎn)換。因為人體的心率是按一定的頻率跳動，因此動脈血管的容積量也會呈有規(guī)律性的變化。綜上所述，光電變換器輸出的規(guī)律的電信號周期代表了人體的心率值。MAX30100心率血氧模塊消除了復(fù)雜的外圍電路設(shè)計，縮小了系統(tǒng)的總體積，并且提高了便攜度。MAX30100心率血氧模塊主代碼如圖4-10。圖4-10心率血氧模塊主代碼4.4GPS模塊本系統(tǒng)使用了GPS全球定位模塊，對快遞員的實時位置進行跟蹤定位。GPS全球定位模塊默認波特率為9600；供電電壓為3.3V~5V；可以直接接3.3V或5V單片機IO進行通信[19]。本系統(tǒng)選擇了L80型號的GPS模塊。它是貼著芯片的，因此，他的體積非常小，滿足了快遞員日常工作中的便攜性。不僅如此，L80的定位能力很強，可以精確定位到快遞員所在的位置信息。GPS全球定位模塊共有5個引腳：VCC電源引腳GND接地引腳TXD模塊串口發(fā)送腳，連接單片機的RXDRXD模塊串口接受腳，連接單片機的TXDPPS時鐘脈沖輸出腳4.5液晶顯示模塊本系統(tǒng)使用SMC1602ALCM液晶顯示屏，顯示容量有16*2個字符，芯片工作電壓為4.5V~5.5V，工作電流為2.0mA[20]。共有16個引腳，分別是VSS接地電源、VDD接5V正電源、VL液晶顯示器對比度調(diào)整段、RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器、RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作、E為使能端[21]，當(dāng)E端出現(xiàn)下降沿時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7~14腳為D0~D7的8位雙向數(shù)據(jù)線，BLA為背光電源正極，BLK為背光電源負極。1602A液晶顯示屏原理圖如圖4-11所示。圖4-111602A液晶顯示屏原理圖1602液晶顯示屏與STM32的連接電路圖如圖4-12所示。圖4-121602與STM32連接圖液晶顯示屏顯示的最大行數(shù)為2，每一行最大顯示字符為16，其顯示規(guī)則如下：舉例來說，假如需要在屏幕上顯示首行首位位置的字符,則寫LCDW_Com（0x80）；假如要顯示第二行的首位位置的字符,則寫LCDW_Com（0x80+0X40）；假如要顯示首行的第三個位置的字符,則寫LCDW_Com（0x80+2）；假如想要使指定位置的字符顯示“1”，那么就需要調(diào)用LCDW_Dat（‘1’）；假如調(diào)用LCDW_Dat（‘1’），LCDW_Dat(‘2’)，那么指定的位置就顯示12。1602顯示程序編寫步驟如下：對1602進行初始化初始化過程包括清屏、光標(biāo)復(fù)位、顯示模式、功能設(shè)置等共六條機器碼指令。指令碼從單片機送出，經(jīng)1602的數(shù)據(jù)線送入指令寄存器。此過程為“寫指令寄存器”，即每送出一次指令都必須調(diào)用一次寫指令寄存器子程序。命令代從單片機發(fā)送，通過1602數(shù)據(jù)線發(fā)送到命令寄存器。該過程是“寫命令寄存器”，也就是說，每次發(fā)送命令時，必須調(diào)用寫命令寄存器子程序一次。設(shè)置1602的顯示地址想要在屏幕上顯示字符，那么一定要把顯示字符的地址輸入進去。也就是說，需要指定在模塊中的何處顯示字符，并將字符轉(zhuǎn)移到要顯示的位置。該表顯示了1602A內(nèi)部顯示地址。表4-11602A液晶顯示屏內(nèi)部顯示地址12345678910111213141516第一行80H81H82H83H84H85H86H87H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH第二行C0HC1HC2HC3HC4HC5HC6HC7HC8HC9HCAHCBHCCHCDHCEHCFH設(shè)置顯示地址是寫指令寄存器的過程。也就是說，在顯示地址通過1602數(shù)據(jù)線從微控制單元傳輸后，有必要調(diào)用一次寫命令寄存器。顯示字符如果設(shè)置顯示地址1602，則帶有顯示的字符將被傳送到1602進行顯示。該過程寫入數(shù)據(jù)寄存器。也就是說，從單片機通過1602數(shù)據(jù)線發(fā)送字符后，必須調(diào)用一次數(shù)據(jù)寄存器的寫子例程。要顯示的字符以ASCII碼顯示。如果需要顯示多個字符，則可以使用查找表方法定期將其寫入。當(dāng)我們輸入字符的時候，就會自動地添加一位顯示地址。無需以ASCII格式寫入數(shù)據(jù)表?？梢栽谝杻?nèi)寫入想要顯示的字符，然后在未標(biāo)記的位置用空格來代替。系統(tǒng)中使用SMC1602ALCM液晶顯示屏顯示快遞員的實時生理信息數(shù)據(jù)，方便使得快遞員實時了解自己目前的體溫和心率，了解自己的身體健康狀況，并在數(shù)據(jù)異常時采取相關(guān)措施停止工作。圖4-12為SMC1602ALCM液晶顯示模塊工作流程圖。圖4-121602A液晶顯示屏模塊工作流程圖1602A液晶顯示屏顯示字符的主要代碼如圖4-13所示。圖4-13字符顯示主要代碼4.6蜂鳴器模塊對蜂鳴器的代碼進行編寫，設(shè)定其最大值，當(dāng)快遞員的體溫和心率超過系統(tǒng)設(shè)定的最大值，蜂鳴器發(fā)出警報。蜂鳴器模塊的主要代碼如圖4-14。圖4-14蜂鳴器模塊主代碼

5快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計5.1MQTT協(xié)議介紹MQTT（MessageQuingTelemetrytransport）是在1999年發(fā)行的、是基于TCP/IP協(xié)議的發(fā)行/訂閱模式的輕量級通信協(xié)議[22]，最新版本為v3.1.1。MQTT協(xié)議的最好的地方在于代碼少，帶寬有限。它能夠?qū)崟r動態(tài)地提供非常安全的、可靠的、穩(wěn)定的信息服務(wù)給遠程終端。MQTT作為低廉的成本、低帶寬的實時傳輸信息協(xié)議，并且是輕量型的、精煉的、對外開放的以及便于實施的，因此，MQTT協(xié)議在許多場景下都非常普及，例如智能家居。圖5-1MQTT協(xié)議特征分析MQTT協(xié)議在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上運行，也可以是其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，確保有條件性、無損失性和雙向連接性。MQTT協(xié)議的特點有：使用的模式類型是發(fā)布/訂閱消息模式，它支持一對多消息分發(fā)，用來實現(xiàn)與應(yīng)用程序的彼此影響以至連接[23]。用于遮蔽負荷內(nèi)容的消息傳送機制。對于傳輸?shù)南?shù)據(jù)有三種服務(wù)品質(zhì)級別。最多一次，在該級別，會有發(fā)生消息丟失或重疊的情況出現(xiàn)，并且消息發(fā)布取決于底部的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。即：<=1。至多一次，這個級別保證了消息能夠到達，但它們也許可能重復(fù)。即：>=1。只有一次，在這個級別內(nèi)需要保證消息有且僅有一次能夠到達。即：＝1。為了來達到減少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量的目的，因此采用最小化數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議交換（5）在傳輸過程中如果發(fā)生異常中斷時，協(xié)議中的通知機制會對傳輸方和接收方進行告知。5.2數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇GPRS模塊的主要功能是負責(zé)把數(shù)據(jù)采集模塊測量到的人體生理特征數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送到預(yù)設(shè)的管理員設(shè)備上。GPRS模塊通過串口與STM32單片機相連，由AT命令來實現(xiàn)各種功能。使用時需提前在模塊內(nèi)放置一張SIM卡。SIM800A是擁有出色性能的工業(yè)級的GSM/GPRS模塊，是由是SIMCOM公司開發(fā)的[24]。SIM800A的基礎(chǔ)版本完成了語音數(shù)據(jù)、DTMF數(shù)據(jù)、短信和彩信數(shù)據(jù)、GPRS數(shù)據(jù)的功耗極低的傳輸[25]，綜合性價比高，在市場上廣受歡迎。同時，基于基本版本，引入了兩個更便捷的功能，分別是本地文本聲音播報模塊以及藍牙3.0功能模塊。GPRS技術(shù)特點：較快的速度，基本可以比較穩(wěn)定傳輸圖片、音樂等文件。永遠在線，由于其建立新連接幾乎無需任何時間，所以可以時刻保持與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。計費方式按傳輸流量計算。GPRS模塊擁有最先進的技術(shù)，并且單價十分便宜，可以有效降低設(shè)備的投資成本。5.2.1GPRS模塊GPRS模塊采用SIM800A_mini板做通信，SIM800A_mini板是一塊采用了SMT封裝的兩頻GSM/GPRS模塊。SIM800A_mini板兼容了RS232串行接口和TTL串行接口，帶寬工作范圍可適用5V~18V寬量程，性能非常穩(wěn)定，外形小巧玲瓏，價格便宜，性價比非常高，除此之外還能滿足各式各樣的功能需求。迷你板的工作信號頻率為GSM/GPRS900/1800MHz，能夠達到語音傳輸需求、短信傳輸需求和數(shù)據(jù)信息的傳輸需求，并且所需要消耗的功率非常低。SIM800A_mini負責(zé)將STM32F103C8T6單片機接收的數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器，根據(jù)實際情況選擇SIM卡的類型，把SIM卡插入GPRS模塊以供使用。GPRS模塊將采集的數(shù)據(jù)通過AT指令傳給服務(wù)器，服務(wù)器只需監(jiān)聽固定端口即可接收數(shù)據(jù)。圖5-2SIM800A引腳圖SIM800A優(yōu)點：接口豐富，可以用于今后的擴展；功能完善，系統(tǒng)所需要的功能都可以實現(xiàn)；工作穩(wěn)定，可以相對穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，例如短信、彩信、音樂文件等；抗干擾性強，可以抵抗外界干擾，不受影響，在各種環(huán)境下穩(wěn)定傳輸；外圍電路集成度高；尺寸小巧，便于快遞員使用，攜帶便捷。5.2.2AT指令數(shù)據(jù)傳輸必須按照指示進行。這個指示就稱為AT指令。它是由Hayes公司在美國推出的。AT指令集如今已經(jīng)是用來控制解調(diào)器的全國通用標(biāo)識指令[26]。AT指令集是一種特定的字符串，通常以AT開頭，以<CR><LF>作為指令的結(jié)尾。緊隨AT后面的數(shù)字以及字母也表示了其規(guī)定的相應(yīng)功能。表5-1GPRS常用AT命令A(yù)T命令功能AT+CMGF選擇短消息信息格式：0-PDU；1-文本AT+CMGS發(fā)送短消息AT+CMGR閱讀短消息AT+CSCA短消息中心地址AT+CSMS選擇短消息服務(wù)AT+CMGD刪除SIM卡內(nèi)存的短消息AT+CNMI顯示新收到的短消息AT+CMGW向SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息續(xù)表5-1AT命令功能AT+CMSS從SIM卡內(nèi)存中發(fā)送短消息5.2.3GPRS模塊的工作流程GPRS模塊與STM32進行連接后，基本工作流程為：首先對GPRS進行初始化操作，隨后GPRS模塊從串口接收來自STM32發(fā)來的AT指令，使模塊登錄至GSM網(wǎng)絡(luò)并建立連接，控制所采集到的信息的無線傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸方案的配置完成時，接收功能函數(shù)會被調(diào)用，它會將人體生理特性的信息進行封裝，采用的是SMS格式，然后將信息發(fā)送到默認的快遞員手機上。GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸程序的設(shè)計包括初始化操作、登錄網(wǎng)絡(luò)進行連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)攘鞒獭D5-3GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程圖GPRS模塊與單片機利用串行接口進行通信，封裝后進行分組交換。當(dāng)單片機接收到數(shù)據(jù)采集傳感器所收集的數(shù)據(jù)信息后，通過單片機編寫好的程序?qū)?shù)據(jù)進行分析處理，判斷是否需要報警，如果需要報警，GPRS模塊也會將報警信息一并傳輸給上位機。6快遞員健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計此模塊設(shè)計的主要作用是分析采集的快遞員生理特征數(shù)據(jù)實時發(fā)送給管理員，讓管理員隨時了解快遞員的健康狀況，并在出現(xiàn)異常情況時，管理員也能及時地被提醒，并作出相應(yīng)的措施。6.1健康管理系統(tǒng)手機APP功能需求分析快遞員健康管理系統(tǒng)APP旨在幫助管理員及時了解快遞員的健康信息，APP總體功能設(shè)計如圖6-1所示。圖6-1APP總體功能設(shè)計健康管理系統(tǒng)APP流程如下：管理員輸入賬號密碼，并確認；賬號密碼輸入完成后則跳轉(zhuǎn)到快遞員生理數(shù)據(jù)顯示界面，可以對其體溫、心率和位置信息進行監(jiān)控；APP中的定位功能可以隨時定位到快遞員目前所在位置及其經(jīng)緯度；當(dāng)快遞員生理數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常時，手機會有彈窗消息進行提醒，提醒管理員及時安排該快遞員的后續(xù)工作。6.2快遞員健康管理系統(tǒng)手機APP界面設(shè)計手機APP是在HBuilder軟件內(nèi)用HTML5語言設(shè)計的系統(tǒng)界面，分為登陸界面和主界面。登陸界面設(shè)計了管理員登錄系統(tǒng)，包含登錄賬號與密碼，當(dāng)管理員輸入賬號密碼后將跳轉(zhuǎn)到主界面。登陸界面設(shè)計如圖6-2所示。圖6-2手機APP登錄界面在主界面中，點擊“連接”按鈕，則手機APP可以通過GPRS無線傳輸和STM32單片機進行數(shù)據(jù)連接，接收由STM32單片機所傳輸過來的信息，此時，在“實時溫度值”和“實時心率值”兩欄中可以看到快遞員當(dāng)前的體溫和心率。而在“所在緯度”和“所在經(jīng)度”兩欄中可以看到快遞員當(dāng)前所在的經(jīng)緯度位置。在HBuilder開發(fā)過程中，引入了百度地圖的api，使得在健康管理系統(tǒng)界面內(nèi)可以通過“定位”按鈕看到快遞員所在的地圖位置，使管理員能夠更加直觀地了解。點擊“斷開”按鈕則手機APP與STM32的通信連接中斷。主界面如圖6-3、圖6-4所示。圖6-3主界面設(shè)計圖6-4主界面展示當(dāng)快遞員有異常情況出現(xiàn)時，管理員的手機上會有彈窗提示，如圖6-5所示。圖6-5報警彈窗設(shè)計為了方便管理員查看快遞員近階段的生理健康數(shù)據(jù)，因此在主界面上還設(shè)計了歷史記錄查詢，可以查詢到快遞員所有的生理健康數(shù)值。歷史記錄設(shè)計如圖6-6所示。圖6-6歷史記錄設(shè)計在存儲歷史記錄方面，如果按照軟件開發(fā)來分類的話分為服務(wù)器存儲和客戶端存儲。服務(wù)器存儲即為數(shù)據(jù)庫存儲，客戶端存儲即為本地存儲。本系統(tǒng)中歷史記錄的實際是采用了HTML5的localStorage本地存儲代碼設(shè)計功能。LocalStorage的特點在于它能夠永久的記錄所有的數(shù)據(jù)，當(dāng)把APP關(guān)閉再打開時，數(shù)據(jù)依然可以保留。除此之外，localStorage每一次的存儲都約等于一個大小為5M的數(shù)據(jù)庫，因此它大大減少了存儲容量，適用于數(shù)據(jù)比較繁多的系統(tǒng)中。LocalStorage主代碼如圖6-7。圖6-7localStorage主代碼6.3快遞員管理系統(tǒng)手機APP非功能性需求分析快遞員健康管理系統(tǒng)APP的非功能性需求主要體現(xiàn)在管理員的使用感以及軟件的兼容性上。因此，在設(shè)計快遞員管理系統(tǒng)手機APP時，更要注重APP給快遞員帶來的便捷服務(wù)，如采集數(shù)據(jù)的及時性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，使用方面的便捷性等?？爝f員健康管理系統(tǒng)手機APP的針對性比較強，功能相對來說比較一成不變，因此設(shè)計APP時要將界面做得簡介，操作方便，易于使用，這樣才可以在快遞業(yè)界大范圍的推廣。7結(jié)論因為2020年初新冠肺炎疫情的爆發(fā)使快遞業(yè)需求量激增，而快遞員的健康安全問題是我們特別需要關(guān)注的。本文提出了一種基于GPS定位技術(shù)的快遞員健康管理系統(tǒng)的設(shè)計，旨在讓快遞員和管理員能夠隨時監(jiān)測到自己的身體健康狀況，并能讓管理員也能了解快遞員的實時位置信息，使整個配送過程中的安全問題變得透明、變得可視化。本文設(shè)計了一種基于GPS定位技術(shù)的快遞員健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊，旨在收集快遞員的生理信息、數(shù)據(jù)傳輸模塊，旨在對收集到的生理信息進行傳輸，以及數(shù)據(jù)處理模塊，旨在對收集到的生理信息做反饋這三個部分。系統(tǒng)先通過傳感器對快遞員的體溫、心率和位置信息進行采集，并通過微處理器進行分析處理處理，然后通過GPRS無線通信技術(shù)把信息傳送給上位機終端，在終端的快遞員健康管理系統(tǒng)APP中進行數(shù)據(jù)的展示。管理員只需要登錄系統(tǒng)就可以查看被監(jiān)測快遞員的生理信息數(shù)據(jù)。當(dāng)被監(jiān)測快遞員身體出現(xiàn)狀況時，系統(tǒng)自行啟動蜂鳴器進行報警，向被監(jiān)測快遞員發(fā)出預(yù)警，并通過后端的GPRS模塊將報警信息發(fā)送到管理員的手機上，使管理員及時了解被監(jiān)測快遞員的健康狀況。本研究課題主要做了以下幾個方面的工作：對國內(nèi)外現(xiàn)存的健康