基于微信小程序的婴幼儿健康监测系统设计

肖元秀，胡佳美，楚天鹏

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210046）

0 引言

近年来在国家生育政策的推动下，我国婴儿的出生率呈现了回升趋势。同时，伴随着社会的发展和人们生活质量的提高，家庭越来越注重婴幼儿时期的发育和成长。不过，婴幼儿缺乏生活自理能力，再加上年轻父母缺乏抚育婴幼儿相关经验，导致在照看婴幼儿方面需要投入大量的人力和精力。同时快节奏的生活以及现实中存在的不可预见等因素，导致一些难以及时发现婴幼儿身体异常的情况，使得婴幼儿的照看问题逐渐成为社会焦点[1]。

随着物联网和信息技术的快速发展，移动互联网服务极大地方便了人们的日常生活，微信小程序依托于微信，提供了完整的微信小程序端和后台服务器端的API 应用，无须安装和卸载，直接通过“扫一扫”或“搜索”等功能即可打开应用，用完后直接退出程序，极大地节约了开发和维护系统的运营成本[2]。因此，设计并实现了一个基于云平台和微信小程序的健康监测系统，采用多种传感器对温湿度、烟雾、血氧和心率等进行实时监测，通过终端设备远程监测婴幼儿的健康、环境和活动状态，当婴幼儿身体出现异常或紧急状况时能够自动报警，提醒照看人员及时处理，将危险防患于未然。

1 系统总体设计方案

系统总体架构如图1所示，主要由控制模块、云平台、微信小程序三大功能模块构成。控制模块以STM32F103为主控芯片配合多种检测传感器组成，首先利用多种传感器对婴幼儿的生理特征和周围环境等信息进行数据采集，然后将采集到的数据传输给STM32进行处理，并驱动LCD显示模块显示处理结果以及对异常数据通过蜂鸣器自动报警，最后通过无线通信Wi-Fi模块将采集到的数据通过HTTP协议传输至OneNET 云平台。云平台模块基于OneNET 实现了历史数据的存储，通过云平台网页可查看婴幼儿的个人健康与活动信息。微信小程序与云平台之间通过建立连接可远程订阅或下发数据，用户可以在微信小程序界面访问云平台查看数据、设置各项数据的阈值，实现远程监控和在线语音识别等功能，观察婴幼儿的实时状态，辅助监护人更好地看护。当婴幼儿出现健康状态不佳或周围环境出现异常时，微信小程序会及时自动报警，提醒照看人员及时进行处理，大大减轻了家庭的生活压力和负担。

图1 健康监测系统总体架构图

2 系统硬件设计

系统硬件主要由4部分组成：主控模块、信息采集模块、LCD 显示模块和无线通信模块，硬件结构图如图2所示。通过多传感器采集周围环境的温湿度、烟雾浓度和光照强度，检测婴幼儿的体温、心率、血氧以及姿态等信息，数据超过阈值时会产生报警提示，并将数据通过Wi-Fi模块上传至OneNET云平台。

图2 系统硬件结构图

2.1 主控模块

系统主控模块选用基于ARM Cortex-M3 为内核的STM32F103ZET6 处理芯片，片上集成了64 KB 的SRAM 和512KB 的FLASH，5 个USART 串口通信接口等电路接口，具有足够数量的I/O 端口[3]，内部数据存储空间容量大，定时器、ADC等资源配置丰富，硬件兼容性好，代码效率高，数据传输快，可以很好地满足本系统各功能的设计要求。

2.2 信息采集模块

1）环境信息采集

环境信息采集包括温湿度传感器、光照传感器和烟雾传感器三个模块。为简化电路设计，温湿度采集选用DHT11 传感器，可同时测量温湿度信号，其串行数据接口DAT与PG11引脚连接，电源引脚VCC接5V电源，接地引脚GND接地。通过配置可直接输出数字信号，主控芯片读取、处理后便可得到环境温湿度。光照检测采用光敏传感器实现对环境光度数据的采集，根据电路中测出的AD 转换值继而计算得到实际光照值，编程简单，成本较低，适合本系统使用。MQ-2 烟雾传感器对环境液化气和烟雾等较敏感，驱动电路简单、灵敏度高，其AO接口与PA1引脚连接测量电压，从而得到烟雾浓度。

2）健康信息采集

MAX30102 传感器是一款高性能集成脉搏血氧仪、心率监测传感器模块，通过反射方式检测血氧饱和度和心率[4]。其中SDA 接口与PB11 引脚连接，SCL接口与PB10引脚连接，将采集到的脉搏波信号由IIC通信方式传到主控芯片进行滤波处理及参数计算，建立相关参数模型，从而求得心率和血氧饱和度的值，电路原理图如图3所示。

图3 MAX30102传感器原理图

另外一个健康信息采集模块是MPU6050，它是整合性六轴运动处理组件，自带数字温度传感器，组合了三轴陀螺仪和三轴加速器，可以测量x、y、z 三个方向的加速度和角速度值，检测轴如图4所示。采样数据经过滤波处理后，通过IIC 通信协议调用数字运动处理器DMP 函数处理可实现姿态解算[5]。通过三个方向的欧拉角及人体加速度向量幅值SVM 综合判断是否为摔倒姿态。

图4 MPU6050检测轴及其方向

2.3 LCD显示模块

显示模块选择TFT LCD显示屏，以英文缩写的方式显示周围环境及健康采集信息。TFT LCD 模块内置了ASCII 码字库，与主控模块通过并行数据传输进行通信。测试时，主控模块程序判断检测阶段、控制LCD显示出各阶段的采集数据，完成健康监控系统的数据显示功能。

2.4 无线通信模块

系统采用ESP8266 Wi-Fi 模块通过USART3 串口，并与主控芯片对应的RXD、TXD 引脚相连实现通信，将硬件采集的所有数据传输至云平台。Wi-Fi 模块由AT 指令控制，发送相应指令配置连接至无线网络，通过无线网络接入物联网实现与云平台的通信，Wi-Fi模块通信流程图如图5所示。

图5 Wi-Fi模块通信流程图

3 系统软件设计与实现

3.1 单片机控制部分程序设计

程序的开发环境采用Keil uVision5，可方便地实现基于STM32 的信息采集系统的软件设计。系统主程序流程图如图6所示，首先，系统会对各个模块进行初始化，包括各传感器初始化配置、ESP8266 初始化以及LCD显示屏初始化等；初始化完成后进行信息采集，调用相应函数执行不同的数据采集任务；然后采集到的数据经过主控芯片进行数据处理，得到实际参数信息并与设定值进行比较，若超出设定阈值则触发蜂鸣器报警；最后根据不同的工作阶段控制显示屏显示，在检测结束后与ESP8266 通信将数据上传至云平台。

图6 系统主程序流程图

3.2 OneNET云平台的配置

系统以OneNET云平台作为数据的转发和存储中心，通过HTTP通信协议上报各类传感器数据，上传的数据需要符合HTTP 协议规范，数据的内容包括设备ID、APIKEY以及数据流等[6]。将传感器采集数据上传至云平台的过程如下：1）登录OneNET 平台并在同一WiFi 下建立局域网进行通信配置；2）添加产品、添加设备，协议选择HTTP，系统自动为设备分配对应的ID及APIKEY；3）创建数据流，将各类传感器数据上传对应的数据流，上传的多个数据点可直观展示数据的变化走向；4）创建应用，绑定到对应的设备，监测数据将在云平台实时显示与记录婴幼儿的体温、心率、周围环境等数据，也可以在可视化界面中以图表的形式直观显示，例如LED 指示灯数据变化的曲线如图7 所示，通过云平台下发命令控制LED灯的亮灭，状态由0变为1或由1变为0。

图7 OneNET云平台数据展示

3.3 微信小程序界面实现

微信小程序开发采用了MINA 框架，页面结构用WXML 构建，页面样式用WXSS 编写，编程语言采用JavaScript。界面设计有4 个主要页面：登录页面、基本信息页面、天气页面和语音控制页面。用户在登录页面输入用户名和密码后即可进入系统。基本信息页面展示了登录情况及各传感器的数值信息，根据各参数设定的阈值与系统实时监测数据对比，对异常数据报警，及时告知看护人员避免幼儿发生意外；天气页面展示了实时天气情况及生活指数供参考，以更好地照顾婴幼儿的生活，位置定位功能可实现精准的位置定位与设置；语音控制页面借助百度AI 开放平台，实现了在线语音识别与播报功能，语音识别结果还可转换成文字，当检测到语音关键词后进行识别匹配并播报指定的语音，通过识别后的语音结果可以控制主控芯片上的蜂鸣器或LED指示灯。

经测试验证，系统能够成功地实现数据的获取、调用和下发，微信小程序可通过调用wx.request()获取环境和健康参数信息，图8 和图9 分别是用户端基本信息页面和天气页面展示。结果表明该系统可以完成对婴幼儿健康及环境相关信息的实时监测，家人或看护人员可以实时查看婴幼儿的各项状态，对异常情况能够及时地掌控。

图8 基本信息页面展示

4 结束语

本文介绍了基于STM32 的婴幼儿健康监测系统的设计与实现，该系统通过采集个人健康和环境数据及时地感知了解婴幼儿的身体状况和生活环境的适宜度，通过STM32 主控器协调各模块工作，实现了传感器数据采集的灵活控制，并通过Wi-Fi 无线通信模块将数据上传至OneNET 云平台，微信小程序实现数据动态呈现在用户终端，实现了婴幼儿健康信息实时查看，异常数据实时报警，有效地监测和防止婴幼儿身体出现状况或安全问题的发生，为育儿提供指导与帮助，具有一定的应用价值。