基于物联网的智慧办公桌测控系统设计与探索

摘要：文章提出了一种智慧办公桌系统的软硬件设计。硬件端基于物联网、触感器及数据通信技术，将传统办公桌机械模块与人体体征监测、环境感知以及数据通信模块相融合，监测人体健康体征数据及环境数据，并通过数据降噪技术对数据进行处理后，上传至云平台进行存储、共享及解析；软件端可以查看监测信息，发送控制命令。此外，该系统基于数据融合模型及算法，可实现对历史数据的分析，为使用者提供智慧健康管理建议。该系统可为满足办公环境下健康监测的需求提供一种解决方案。

关键词：办公桌；人体健康监测；物联网；传感器；智慧分析

中图分类号：TP393.09文献标志码：A

0 引言

办公桌是日常工作及学习的必备工具之一，但在各类媒体平台中经常见到因长时间伏案工作而导致的身体健康问题。随着生活水平的不断提升，身体健康问题越来越受到人们的重视。如何在办公的同时监测人体健康状态，并尽早发现问题，是当前的研究方向之一。

随着移动互联网及物联网技术的进步，带动了智慧家居的发展，涌现出很多具有传感检测及智慧分析功能的设备。在基于人体检测的智慧办公桌这一领域，国内外学者提出了一些设计方案，这些方案大多基于微型处理器的控制，通过Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等通信模块完成设备之间的无线组网以及人机交互［1］。但这些方案主要关注人体坐姿、视线、嵌入式屏幕的使用等，针对人体健康监测的设计较少。

脉搏、体温、血氧饱和度等生理参数是人体健康状况的重要指标。这些指标是评估人体状态最直接、有效的指标之一。鉴于此，本文提出了一种基于人体健康检测的智慧办公桌。该办公桌不仅具备传统办公桌的升降调节及屏幕调整功能，还可以通过该办公桌的人体体征监测模块对人体健康生理参数进行监测，使用者通过终端即可获取当前身体健康信息。同时，基于历史数据及人工智能模型和算法，可对使用者的健康状态进行预测及智能诊断。

1 系统整体设计

智慧办公桌测控系统由机械子系统、传感监测子系统、环境监测子系统、人体监测子系统、通信控制子系统、云平台及客户端软件构成。其中，机械模块实现传统办公桌的升降、屏幕调整等功能，各检测子系统负责数据的采集并将其发送至通信控制子系统，再由其将数据发送至云平台。使用者通过客户端软件即可得知当前体征监测信息，并根据系统的智慧分析功能获取相应健康管理建议。如图1所示为系统整体设计结构。

1.1 智慧办工桌硬件端设计

1.1.1 机械子系统设计

机械子系统设计如图2所示，包括显示器挂架、办公桌板、键盘位、手肘撑板、连接柱、升降支架、工作桌底座、面部监测摄像头、监测传感器等。升降支架下端固定连接工作桌底座，连接柱套接在升降支架上部，显示器挂架、办公桌板、键盘位和手肘撑板由上到下依次通过支架安装在连接柱表面，通过调节升降支架的高度可以直接控制显示器挂架、办公桌板、键盘位、手肘撑板和连接柱的高度用以适应多种身高的用户，同时也能够将高度降至最低配备座椅作为办公桌使用。

连接柱采用带阻尼的可活动支架，该支架设有限位卡扣和阻尼器，继而实现支架的高度调节。同时，UI4YDXH2fxo5mCbVsI389O8YaXyBNFc3aC0W/F2FcY4=在可调节支架上部署显示器挂架、办公桌板和键盘位，通过支架的变向节实现显示器挂架、办公桌板和键盘位的位置或者方向的手动调整，便于更好地匹配使用人员的身高。

此外，支架的两侧连接手肘撑板，使用时可以根据个人习惯放置手肘以及鼠标位置，并能根据肩宽等调整手肘撑板的宽度和高度。通过上述设置，为使用者提供了一个稳固、舒适的工作环境。

手肘撑板配有箍环，箍环上安装了可松紧卡扣，通过松开卡扣让箍环实现手肘撑板的高度调节，调整到位后只需重新紧固卡扣，箍环握紧连接柱即可固定。显示器挂架使用卡扣固定在连接柱，背面设有转盘，从而实现显示器的横竖向切换。同时，显示器挂架预留扩展口，可满足挂接多个显示器的需求。

升降支架采用步进电动推杆，工作电压为DC 24 V，工作行程为400 mm，工作速度为40 mm/s，最大推力为800 N，工作频率为20%，自带限位功能。并且该推杆能连接物联网控制单元实现远程控制，可长时间工作，具备高强度、高速度、高精度定位、平稳运动、低噪声等特点。

1.1.2 传感检测子系统设计

传感检测子系统由传感检测终端及通信接口构成。其中，传感检测终端包括人体体征监测子系统、环境感知子系统以及人体检测子系统，主要用于检测使用者的血氧、血压、脉搏、体温等体征状态以及感知温湿度、光照度、人体检测等环境信息。

人体体征检测子系统采用STM32F103作为主控芯片，使用心率血氧血压脉搏以及体温传感器，基于光学法或电化学法等采集人体体征数据，使用时只需将手放置其上，相应数值便会在设备的显示屏显示，并根据ModBus协议将数据通过通信接口传输至通信控制系统。Modbus是一种串行通信协议，已经成为工业领域通信协议的业界标准，是目前工业电子设备之间最常用的连接方式。

1.1.3 环境感知子系统

在环境感知子系统中，温湿度监测模块采用北京无线联科技有限公司开发的HD-400A温湿度传感器。该传感器体积小，可直接内嵌于桌板底部，且能耗较低。通过预设的触发条件，该系统可以实时提醒用户当前温湿度情况，为用户提供一个较好的工作环境。

光照度监测用于感知当前环境的光照度，将当前的光照强度通过通信控制系统发送至云平台进行分析。根据设定的阈值，提醒用户开启或关闭照明设备。该模块使用GZ-120光照传感器，该传感器测量范围为0 Lux～20000 Lux，准确度为±5%FS，可较好地满足用户的使用需求，性价比较高。

1.1.4 人体感应子系统

在正常的学习和工作中，人们保持高度集中的时间因人而异，经过培训后，最多不超过1 h，对于未成年人而言，高度集中的时间较少，一般在20～30 min［2］。而经过长时间的伏案工作后进行适当的活动，可以有效缓解疲劳感，降低由于长时间静坐或站立而患病的概率。鉴于此，智慧办公桌内嵌了人体感应模块。该模块采用新大陆教育开发的红外人体感应传感器，模块结合定时器，目的是实现定时提醒的功能。当红外人体感应传感器发现人体时，系统启动定时器模块。一旦计时数值到达预设的时限阈值则推送消息，提醒使用者起身离席，进行适当的活动。

此外，智慧办公桌提供一键求助功能。该模块是在发生紧急情况时，使用者或其他人可以通过桌板上的求助按钮呼叫紧急联系人或服务中心，以便尽早觖决问题、获得帮助。

1.1.5 通信控制子系统

通信控制系统接收人体体征检测子系统采集的数据，并通过云平台网关，依托互联网将数据发送至云平台，实现数据的存储、分析及共享，同时接收用户在其他终端发送的命令并下达，实现对智慧办公桌的控制。

通信控制系统主要由ADM-4017、ADM-4150以及物联网网关等设备构成，其中ADM-4017、ADM-4150用于传感器的控制与获取，物联网网关负责通信、数据传输及命令的接收。

1.2 智慧办公桌软件系统介绍

智慧办公桌软件系统基于新大陆开放云平台开发。该平台通过网络连接单一设备或多个设备，实现数据在云平台的管理。使用者可以通过电脑端软件、手机等终端获取监测信息，下发控制命令。

该软件主要由用户与后台管理、监测模块、智慧解析、设备控制4个模块构成。

1.2.1 用户与后台管理

该功能负责管理智慧办公桌的使用者基本信息。使用者在首次使用时需注册账户，登录后需填写身高、体重、年龄、性别等基本信息，结合监测数据进行分析。一套智慧办公桌可以对应多个使用者，因此对应多个账户。

后台管理一方面负责管理设备总数及使用者数量，另一方面可以针对办公桌进行统一批量设置，如设置灯光阈值、时钟、网络信息等，满足大批量设备的配置需求。

1.2.2 数据监测模块

数据监测模块主要包括系统状态监测及体征监测模块。其中，系统状态监测用于检测传感检测模块及通信控制模块的在线状态。状态监测可以采用被动式或主动式监测，被动式即传感模块定期发送的心跳信息与云平台进行通信，确保后端能够掌握所有传感器的工作状态，如果连续45 s没有发送心跳信息则判定设备离线；主动式则是由使用者发起，在终端发送控制信息逐单元进行测试，如果在线，则可以正常进行监测，如果离线，则发送控制指令进行设备的初始化，并提醒使用者设备离线，需排查故障［3］。

体征监测是实现健康监测功能的核心模块，其主要功能是在“传感检测-通信控制-云平台”3级架构中，获取传感检测模块监测的人体体征数据。对该数据进行解析后进行展示，一旦监测到数值与正常值有较大的差异时，该模块会立即对使用者发出预警，尽快提示其可能存在的风险事件，避免意外的发生。

1.2.3 智慧分析

很多与健康相关的体征信息需要长期监测才可以发现问题，因此智慧分析模块主要功能是基于长期监测到的使用者体征数据实现健康数据的智能分析。该模块主要基于算法及模型、结合医学理论对数据进行综合分析和处理，通过趋势图、柱状图等进行展示，实现个人历史数据的高效利用。通过模拟医疗专家，根据各类监测数据，提出健康诊断情况和建议，实现智能化提醒与健康管理。

1.2.4 设备控制

设备控制模块主要实现办公桌的升降控制。使用者设定好高度等参数，通过移动终端发送命令至云平台，云平台将该命令发送至智慧办公桌的通信控制系统，由其控制升降支架实现高度调节。

2 系统关键技术

2.1 数据降噪技术

传感检测模块在检测过程中，其采集的数据或信号通常带有很多噪声信号，影响数据精度。而数据监测展示及智慧分析模块使用的数据精度越高，其准确度越好。因此如何过滤这些噪声信号是实现上述功能的前提。

本系统使用数学形态学基线漂移滤除法实现噪声的过滤。形态学是一种信号分析的集合理论方法，具有丰富的理论框架、高效的算法效率、易于移到硬件上等优点［4］。具体使用时，将采集的数据信号与结构进行运算，取其加和平均值获得漂移基线，再将原始数据与该基线做减法，即可得到降噪后的数据。

2.2 加权平均数据融合处理

数据融合是一个多来源信息处理的过程，其中2个或多个传感器按照一定的准则相互协作，分析和合成不同的数据，最终获得目标所需的状态和特征估计［5］。它将来自不同传感器的信息进行同步处理，并通过一定的标准进行信息融合，最后准确地获得物体的基本特征。本系统采用了多个传感器用于检测数据，将多传感器的信息进行融合是实现获取使用者和环境信息的关键。

本系统采用加权平均法对数据进行融合，通过综合分析心率、血氧、血压、体温4项数据，评估使用者身体健康状态。加权平均模型如下：

h（x）=w0+w1x1+w2x2+w3x3+w4x4（1）

其中，wi为各个数据的权重，范围为［0，1］。权重值既可由使用者根据自身身体状况及关注重点自行设置，又可基于监测历史数据，根据线性回归方程及损失模型函数进行拟合优化得到；xi为使用者各项人体体征历史数据。根据该函数对多个使用者进行评估实验，函数结果越接近于1，则说明该使用者身体较为健康；函数结果越接近0，则其身体越不健康。

3 系统主要界面设计

3.1 体征监测页面

体征监测页面实现监测数据的查询与展示，是该软件系统为使用者提供服务的主要页面。本系统数据监测页面如图3所示，该监测界面可以显示被监测者当前的各类体征数据，并通过点击相应的按钮可以获取实时测试结果。

3.2 智能分析界面

智能分析界面是本系统的特色功能之一。基于使用者历史数据，在该界面中显示用户的体征数据预测信息及实际监测数据，比较两者之间的差异并进行评估，根据评估结果提供健康监测状态提示及建议。智能分析界面如图4所示。

3.3 设备状态监测界面

使用者在该界面可以实时获取当前传感监测设备状态，监控页面包含设备名称、设备编号、设备类型等。页面下方的文本框展示了当前设备状态的文字信息。右侧设置一键检测按钮，用于实现使用者主动检测设备状态，并将状态信息在文本框中展示。

4 结语

本文介绍了智慧办公桌系统硬件与软件端的设计。硬件端基于机械控制，物联网传感检测及通信模块获取使用者各类体征信息并上传至云平台；软件端基于安卓开发，通过云平台提供的应用程序编程接口获取检测数据以及控制智慧办公桌硬件端。同时，基于基线漂移数据降噪技术可以实现监测数据的清洗，采用加权平均数据融合技术及历史数据可以实现人体健康状态智慧分析。实验结果证明，该智慧办桌系统使用效果较好，为人体健康监测提供了一个方向。

参考文献

［1］汪金龙，姚兆辉.基于人体健康监测的智能书桌设计研究［J］.装备制造技术究，2021（12）：121-123.

［2］杜伟，谭等泰，冯伟，等.基于人体健康监测的智能书桌设计与研究［J］.甘肃科技，2020（2）：11-15.

［3］吴雪寒，张廷秀，茅磊，等.基于物联网的太阳能智慧树系统设计［J］.无线互联科技，2023（14）：48-51.

［4］曾甜.可穿戴血氧传感器监测系统的研究及其在物联网健康中的应用［D］.杭州：浙江大学，2018.

［5］李春晓.基于多元信息融合的人体健康分析与评价技术研究［D］.济南：齐鲁工业大学，2020.

Design and exploration of a smart office desk measurement and control system

based on Internet of Things

Abstract： This paper proposes a smart office desk system which includes software and hardware. The hardware terminal is based on the Internet of Things， tactile sensors， and data communication technology， integrating traditional office desk mechanical modules with human sign monitoring， environmental perception， and data communication modules to monitor human health data and environmental data. After processing the data through data denoising technology， it is uploaded to the cloud platform for storage， sharing， and analysis. The software can view monitoring information and send commands to control the desk. In addition， based on data fusion models and algorithms， this system can analyze historical data and provide users with intelligent health management suggestions. This system can provide a solution to meet the necessities of health monitoring in office environments.

Key words： office desk; human health monitoring; Internet of Things; sensors; smart analysis