应对重大突发公共危机预警的蓝牙手环设计

于恒　朱杰

摘  要：公共危机预警是处理重大突发公共危机的关键环节，及时准确地获取预警信息可在一定程度上减少损失抑或避免危机的发生。在对部分地区进行预警调查后，基于实际情况以及功能、价格等方面的综合考虑，决定采用蓝牙（Bluetooth）技术设计一款能够监测体温、距离，并能够储存信息的蓝牙手环，在灾害高发地区及需要管控的高危地区给群众佩戴警报器手环，统一发布紧急信息，并以疫情为例阐述本设计应对突发公共危机的对策。

关键词：危机预警;蓝牙;GPRS

中图分类号：TP212                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0181-05

Design of Bluetooth Bracelet for Early Warning of Major Sudden Public Crisis

YU Heng， ZHU Jie

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： Public crisis early warning is the key link to deal with major sudden public crises. Timely and accurate access to early warning information can reduce losses or avoid crises to a certain extent. After early warning investigation to some areas， based on the actual situation， after the comprehensive consideration of function， price and other aspects， it is decided to use Bluetooth technology to design a Bluetooth bracelet that can monitor body temperature and distance and store information， provide alarm bracelets for people in disaster prone areas and high-risk areas requiring control， uniformly release emergency information， and take the epidemic situation as an example to illustrate the countermeasures of this design to deal with sudden public crisis.

Keywords： crisis early warning; bluetooth; GPRS

0  引  言

近年来出现的突发公共危机层出不穷，2019年12月新型冠状病毒袭击中国，截止到2021年9月，全世界因新冠疫情死亡人数已达五百万人。灾害不仅给人的生命及财产安全造成了重大损失，也暴露了在公共危机预警上的不足。因此，建立起公共危机预警系统并采取合理的措施迫在眉睫。

在信息网络全覆盖的背景下，通过蓝牙手环的预警形式也为处理突发公共危机提供了可行的方案。在自然灾害高发地区及人员密集区域佩戴智能可穿戴的设备，以设备为载体，通过蓝牙信号检测相互之间的距离，可防止人员之间近距离接触导致的交叉传播，也可以通过终端发送预警信息，提前做好准备。

1  选择依据

本文基于实际情况及功能、价格等方面进行综合考虑。目前，市场可购买的手环通信技术包括3G/4G技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术、蓝牙技术四种[1]，它们各有优缺点。其中ZigBee手环无线通信技术通过专门无线电标准达成相互协调通信，因此，该技术也称为home RF Lite技术，其在应用中以签到打卡功能为主，价格高，并不符合本设计预警和架构的需要。Wi-Fi技术和3G/4G技术需要通过高速通信设计，手环协议栈非常复杂，并且信号要求高，出现网络卡顿时无法及时传播信息，且电量消耗快，产品体积大，也不满足本品小巧轻便的需要。此外，虽然Wi-Fi技术芯片价格相对便宜，但后期配套使用的零部件及维修费用比较高，性价比低。而相对于其他几种来说，蓝牙技术的技术要求低、实物体积小、易佩戴、电池续航时间长。

综上所述，本文最终选择蓝牙（Bluetooth）技术作为研究点。

2  蓝牙手环结构

蓝牙手环结构主要包括硬件设计和软件设计两部分，外围电路包括蓝牙、存储电路、GPRS、电源管理等，这些共同组成本设计的所有功能。本设计使用百度开源的蓝牙通信协议进行设计。手环的硬件部分控制核心使用的是一个集成蓝牙功能的nRF51822芯片，并且使用了意法半导体（ST）的三轴重力加速度传感器LIS3DH进行运动监测和输出数据，可以比较精准的收集人體动态变化的加速度数据，以便进行信息处理，支持下一步信息的传达[2]。手环硬件部分由主控芯片、蓝牙芯片、重力感应加速度装置、震动马达、存储器、电池、指示灯和各种外设元器件组成。

2.1  系统硬件设计

蓝牙手环的整体系统架构如图1所示，包括中央处理单元、音频模块、传感器模块、电源模块、无线通信模块、输入和输出单元，其中最重要的是蓝牙模块中的蓝牙芯片。

2.1.1  中央处理器

中央处理单元包括主控芯片（MCU）和存储器，核心控制芯片选择的是意法半导体（ST）的STM32F103ZET6，该芯片的优点是具有优良的内部集成资源和丰富的外设接口，能够很好地适应本设计的需求。其拥有丰富的I/O端口以及片内外设，速度可达1.25 DMips/MHz，工作频率72 MHz。

存储器的作用是在把数据传送给移动终端前进行闪存，是数据传递之间的桥梁。

2.1.2  电源模块

电池采用的是TI公司的TPS5430线性降压芯片，输入电压范围比较宽，可在5.5 V至36 V之间，电流输出能力可到3 A（峰值为4 A），具有500 kHz开关频率，工作效率高。

2.1.3  传感器模块

通过运动传感器可以检测佩戴人的活动情况，及时通过运动状态判断情况，做出指令。

2.1.4  无线通信模块

蓝牙模块的蓝牙芯片采用的是有人物联网的USR-BLE100模块，如图2所示，该模块是一款可以支持蓝牙v4.1BLE协议（兼容v4.0）的低功耗模块。频率范围是2.402 CHz-2.480 CHz，发射功率为-18 dBm至+3 dBm，传输距离模块对传80米，手机连接40米（空旷视距，0 dBm）[3]。蓝牙信息传输起源时间早，经过数十年的发展，到今天依然是一种极其重要的传输手段。蓝牙传输是通过MCU芯片经过TTL串口与电路相联，通过地面收发基站使移动设备与装配蓝牙芯片的设备相连接。

2.2  系統软件设计

软件部分与上述硬件系统及电路相结合，共同工作，软件系统是重要的信息输出和显示依据，是用户直观获取信息的基础。通过使用蓝牙协议和GPRS协议在底层串口驱动的基础上再进行软件的设计。软件系统主要分为两部分：一是蓝牙模块软件设计，二是GPRS模块软件设计。蓝牙和GPRS是设计的核心关键，GPRS的主要功能就是进行处理信息，包括语言信息输出，数据信息输入与存储。在一定程度上，GPRS还可以实现蜂窝射频中模拟数字的职能。系统软件包括移动终端软件和移动设备软件两部分，移动终端软件设计是产品本身所具有的功能，移动设备软件以APP的形式下载到移动设备，通过蓝牙连接可以使用APP设置移动终端数据，以达到最佳使用效果。以下是软件运行系统中温度监测部分的关键代码：

sbit s1 = P3^6;

sbit s2 = P3^7;

sbit RS=P3^5;//寄存器选择信号

sbit RW=P3^4;//读写操作选择信号，高电平读，低电平写

sbit EN=P3^3;//使能信号

sbit CS1=P1^7;//左半屏显示信号，低电平有效

sbit CS2=P1^6;//右半屏显示信号，低电平有效

sbit DQ=P1^4;

sbit up=P1^1;

2.2.1  蓝牙模块软件设计

通过设置默认链接地址或者默认查找连接的方式使其通电后可进行自动连接，自动连接范围内的设备，并判断距离，根据两个终端的位置和温度信息进行预警。主机连接设备的方法可以分为两种：第一种是采用人为主动搜索的方式，第二种是通过设备的MAC地址，通过使用MAC绑定AT指令来设置默认连接设备MAC地址。如图3所示，蓝牙模块通过发送AT命令设置主模式，并建立连接，通过串口发送数据进行分析[4]。蓝牙连接需要地面基站的配合，地面基站需要在无遮挡300米的范围内实现远距离信号覆盖。地面基站收发设备需要做好防火、防水、持续供电等要求的基础设施建设。已保证信息传输的连续性。

2.2.2  GPRS模块软件设计

芯片和GPRS模块软件进行数据传递，GPRS本身可以进行信息反馈，通过接收GPRS的反馈信息就能判断命令是否被成功运行。发送命令后返回信息为“OK”时，说明指令执行正确;当返回的信息是“ERROR”时，说明发生了错误。GPRS模块流程图如图4所示，GPRS模块的工作流程是通过发送AT命令建立连接，发送AT+CMGF命令，设置短信模式，发送AT+CMGF命令，开始发送短信。

2.3  外观设计

2.3.1  外观详细说明

本产品手环整体设计为弧形设计，采用卡扣式的表带设计，手环采用非金属材质的设计，以便最大限度地减少那些对金属过敏人群出现的不适。整个手环内侧均为弧形设计，如图5所示，在佩戴时能够更好地贴合使用者的手腕，这种设计能更好地体现其符合人体工程学产品在佩戴舒适度上的优势。产品屏幕采用温度计显示形式，在监测温度后可更加直观的展示信息，手环侧面采用流线型设计方式，使环身更加流畅美观;整体采用大理石花纹的配色形式，富有新意。

2.3.2  本产品使用材料

屏幕选择方面采用AMOLED玻璃外屏，像素点高、色彩清晰，并且具有一定的可弯曲性，如图6所示，屏幕更薄，减少对蓝牙、蜂鸣器、LED灯空间的占用，使其更轻便。

手环材质选择TPE/TPR，实际上是基于SEBS基础的弹性体材料。这类软性材料也是热塑性的，可采用注塑成型。材料优点是触感舒适柔软，具有优良弹性，可模拟皮肤柔软爽滑的效果。TPE/TPR是无毒无味安全的材质，对人体皮肤没有致敏作用，符合医疗行业ISO-10993要求，是中高档智能手环腕带的必选材料。

3  工作方式

3.1  工作原理

本设计着重研究手环的内部组成与工作原理。设计采用蓝牙模块、LED三色显示模块、蜂鸣器报警模块、电源管理模块、充电管理模块、温度模块、天线等零部件，各司其职，保证系统的运行流程。

其工作原理为：通过蓝牙在空中不断发送指定的数据与温度信息，只要配带者将设备戴上后，设备的温度采集模块就可以将采集到的人体温度信息给传到空中，其他设备接收到这个信息后就可以解析出当前别人的温度信息，当温度解析出来后便可以控制LED显示与蜂鸣器来警示别人，蓝牙可以通过RSSI来了解两台设备的距离，所以获取到设备的RSSI后便可以匹配相应的距离信息，如果距离小于2米便会报警，如果体温在安全的情况下便会缓慢响起蜂鸣器，如果体温超过这个值便会让蜂鸣器持续报警。系统的架构图如图7所示。

3.2  技术路线

本设计以蓝牙模块构建的模块为核心，通过编程完成温度传感器的测量和两人相距阈值的设计以及超过阈值时蜂鸣器的启动。通过蓝牙模块的RSSI完成距离的测量并送至蓝牙模块进行处理。充电结束时间由蓝牙模块控制并通过蜂鸣器提示。

3.3  工作流程

3.3.1  绑定蓝牙设备

首先需要在移动设备上安装产品对应的APP软件，作为信息传输的载体。安装完成后运行APP软件，打开手机蓝牙连接和启动设备。设备启动后开始自动搜索可连接设备。下拉屏幕长按蓝牙连接图标或者通过设置进入到蓝牙设备搜索界面。在此界面中选中产品设备名称，进行连接，如图8所示。点击设备后会自动弹出对话框提示设备绑定成功，点击“确定”。弹出对话框提示蓝牙请求配对，点击“配对”即可完成产品信息配对绑定。在下一次启动设备后系统会自动匹配连接，无须重复操作。

3.3.2  设置提示信息

进入APP界面，点击设置。在设置中勾选距离提示，距离默认为2米。提示音默认为震动。打开体温监测界面，勾选体温提示，实时监测更新体温信息。勾选距离提示后，系统会自动将体温过高警报也开启。可通过体温监测界面设置警报体温温度，默认提示温度为37.5摄氏度。提示音默认为蜂鸣声。打开信息存储界面，可选择信息存储记录数量，默认数量为无上限。自动清理数据时间为20天。

3.3.3  佩戴设备

将设置好的设备佩戴在手腕处，LED开始闪烁证明系统已开始运行，正在监测体温信息。将此设备靠近2米内的另一设备，手环开始震动，证明距离监测系统已开始运行。将2米内的另一设备温度提高到37.5摄氏度，设备开始发出蜂鸣声，证明温度监测及报警系统已开始运行。

4  应对突发公共危机对策

以新型冠状病毒疫情为例，对于公共危机预警及时进行警报扩散可以借鉴温州市在疫情期间的做法，疫情高峰期温州市采取了浙江省统一的新冠疫情五色图，通过色彩的不同来传达危机等级，2020年2月10日，温州市危机评估为高风险地区，到3月2日，温州市境内14天无新增病例，疫情危机程度也重新评估为低风险地区。为了第一时间将信息传播给所有民众及企事业单位。温州市政府通过召开新闻发布会、QQ、微信、报刊、互联网等多种手段进行信息传播。整体而言，温州市的做法达到了即定目的[5]。但在全国范围来看，依然有不少难以把控的案例，例如郑州市郭某的一人行为使一城不安，扬州市疫情始作俑者毛某使整个扬州城全体居民集体做核酸。如果在疫情高发地区、重点隔离地区及对乘坐列车的人员佩戴蓝牙警报器手环，统一发布消息，人员密切接触及靠近时监测体温是否就可以在一定程度上预防疫情的传播？故本设计拟达到以下三个功能。

4.1  控制人员之间的距离

蓝牙可以通过RSSI来了解两台设备的距离，在距离小于两米时进行一次震动提醒，以免在睡梦中或未发觉的情况下感染，通过佩戴警报器来不断提醒佩戴者保持安全距离，防止密切接触的发生。发现患者以后可以通过终端控制，向一定区域内的所有警报器发送提示信息，以便尽快制止传播源的行动。

4.2  排查体温过高的危险人员

感染疫情的一个最直接的监测方式就是通过体温来分析人员感染情况，设备温度监测模块实时监測佩戴者的体温信息，将体温信息通过蓝牙在空中不断发送，设备的温度采集模块将采集到的人体温度信息给传到空中，设备接收到信息后解析出当前的温度信息，当温度超过安全值就会通过LED灯显示与蜂鸣器来进行警示。

4.3  记录接触者信息

存储器记录下每次两米内接触到的设备名称，一旦出现确诊病例可以通过存储卡信息快速定位所有密切接触者。对接触者进行隔离，以防止疫情进一步扩散。系统默认无上限存储接触信息，数据信息保存期限为20天。记录接触时间、设备型号及名称等信息。

5  结  论

本文基于应对重大突发公共危机预警设计了一款通过蓝牙进行预警的警报器手环设计，旨在提高人员危机防控意识，通过探究突发公共危机预警的处理方式，进而探索出一种应对公共危机预警困境的有效设计。促使地方在进行危机处理时能选择高效的警报扩散发布途径，实时信息，提前预警，以保障人民群众的生命健康和财产安全。未来，通过科学技术的发展，信息监测会更精确，信息传递也会更迅速，人们对于突然爆发的公共危机也可以给出更多更好的方案，真正做到“人定胜天”。

参考文献：

[1] 沈洁，沈丁琦.基于蓝牙手环的学生综合素质监测平台设计与实现 [J].网络安全技术与应用，2018（10）：57-59.

[2] 卞合善.基于蓝牙4.0低功耗室内定位研究 [D].北京：北京邮电大学，2015.

[3] 孔亚莉.基于GPRS无线通信的老人健康远程监测系统设计与实现 [D].济南：山东师范大学，2016.

[4] 王彤.一种教学用蓝牙手环结构及其快速计步算法的设计 [J].电脑知识与技术，2019，15（34）：82-84.

[5] 伲永贵，许峰，朱国云.重大突发公共危机预警：过程、困境及其应对策略——基于信息空间理论视角 [J].电子政务，2021（7）：101-112.

作者简介：于恒（2001—），男，汉族，山东菏泽人，本科在读，主要研究方向：公共危机预警、蓝牙技术。

朱杰（1982—），女，汉族，山东德州人，讲师，学士，主要研究方向：公共危机预警、蓝牙技术。