基于STM32+ESP8266+華為云IoT設計的健康管理系統并完成應用側開發
一、前言
近幾年隨著科技的進步和智能化浪潮的到來，智能穿戴設備也在飛速火爆發展，各種健康智能手環，智能手表、智能跑鞋、智能眼鏡紛紛上市，并出現了很多針對個人家庭的健康管理設備。比如: 智能血壓計、智能心率檢測、脂肪秤、智能體重秤等等，都帶上了智能、健康各種標簽。
可穿戴設備，即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備。可穿戴設備不僅僅是一種硬件設備，更是通過軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能，可穿戴設備將會對生活、感知帶來很大的轉變。
這篇文章就利用STM32加上各種外設傳感器配合華為云IOT物聯網平臺設計一個健康管理設備，通過ESP8266+MQTT協議將數據傳輸導致華為云物聯網平臺，并通過華為云的應用側完成應用層軟件開發；設計本項目的目的就是，上手體驗華為云物聯網平臺，并探究一下智能設備的實現原理。
當前設計的監控管理設備支持的功能有: （1）人體溫度測量 （2）運動監測、計步功能 （3）睡眠監測 （4）心率測量
STM32采集這些傳感器數據之后，進行處理，在本地OLED顯示屏上完成顯示；再通過ESP8266將數據傳遞到華為云物聯網平臺，關聯數據可視化大屏完成數據展示。
下面是示波器測量的心率顯示 ：
設備運行效果:
二、硬件介紹
2.1 主控芯片
主控芯片采用STM32F103C8T6，它一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，RAM空間是20K，工作電壓2V~3.6V，運行速度72MHZ。
2.2 體溫測量
人體溫度測量，采用非接觸式紅外測溫芯片GY-MCU90615，工作電壓 3-5v 功耗小，體積小。其工作原理， 是通過單片機讀取紅外溫度度數據，串口（TTL 電平）通信方式輸出。串口的波特率有 9600bps 與 115200bps有連續輸出與詢問輸出兩種方式，可適應不同的工作環境，與所有的單片機及電腦連接。
2.3 心率測量
心率測量，采用PulseSensor傳感器，這是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，通過模擬輸出口可將采集到的模擬信號傳輸給 STM32單片機用來轉換為數字信號，再通過單片機簡單計算后就可以得到心率數值。
2.4 計步、睡眠監測功能
計步模塊，睡眠監測，運動監測功能采用MUP6050陀螺儀實現，這是一款高性能三軸加速度+三軸陀螺儀的六軸傳感器，該模塊采用InvenSense 公司的 MPU6050 芯片作為核心， 該芯片內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并可利用自帶的數字運動處理器硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應用端輸出姿態解算后的數據。有了DMP，可以使用 InvenSense 公司提供的運動處理資料庫，非常方便的實現姿態解算，降低了運動處理運算對操作系統的負荷，同時大大降低了開發難度。 MPU6050 模塊具有：體積小、自帶 DMP、 自帶溫度傳感器、 支持 IIC 從機地址設置和中斷、兼容 3.3V/5V 系統、使用方便等特點。
（5）本地數據顯示用的OLED顯示屏采用0.96寸的SPI接口顯示屏，分辨率為 128*64，主要是在本地顯示采集的數據，時間等信息。
（6）上網的模塊采用ESP8266，ESP8266是物聯網領域常見無線網卡芯片，支持AT指令，支持串口協議控制，只需要幾個簡單的AT指令就可以完成網絡連接，數據傳輸。當前項目里，就是通過ESP8266將采集的數據傳遞到華為云IOT平臺，實現數據展示。
三、創建IOT產品、上云測試
3.1 創建產品
官網地址: https://www.huaweicloud.com/s/JeeJqeiBlOe9kSU
選擇IOTDA進入，選擇免費試用。
在產品頁面，選擇右上角創建產品。
根據提示，填入對應參數。
創建好之后，查看產品詳情，進入屬性配置頁面。
選擇自定義模型。
添加服務。
接下來就添加屬性，屬性就是傳感器上傳的數據類型，需要展示的數據；根據自己傳感器的數量、類型自己設置即可。
添加心率傳感器數據屬性。
添加體溫傳感器數據屬性。
添加計步功能的數據屬性。
創建成功:
3.2 注冊設備
打開設備頁面，點擊右上角注冊設備按鈕，根據提示和產品的信息填入；創建完保存得到的信息。
點擊確定之后，創建成功效果如下；目前設備還未激活，需要設備登錄一次服務器即可激活；接下來就是如何登錄了。
3.3 設備上云測試
完成產品、設備創建之后，接下來采用MQTT客戶端模擬設備，測試是否可以正常上華為云。
連接協議使用MQTT協議，MQTT協議登錄服務器，就像QQ登錄一樣，需要輸入賬號、密碼等一些信息；下面先利用華為云的小工具完成這些數據的創建。
華為云提供的MQTT賬戶信息生成在線小工具: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
前面兩行填入的數據，在創建設備成功時提示下載的文件里有，照著填寫即可。
我的設備生成的數據如下:
ClientId 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497_0_0_2022011303
Username 61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497
Password 20618c172eb24418e0910804889c7d2074a5847e9e7205a41a8bf5adeec399f9
華為云IOT平臺的MQTT服務器地址信息如下:
端口: 1883
域名: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
IP地址: 121.36.42.100
華為云IOT平臺MQTT協議訂閱主題的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//訂閱主題: 平臺下發消息給設備
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/messages/down
華為云IOT平臺MQTT協議上報主題的格式:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//設備上報主題請求
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/report
?
?
//上報的數據格式如下
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
打開MQTT客戶端，填入對應數據，連接華為云物聯網平臺:
如需使用和我一樣的同款軟件，打開百度搜索MQTT客戶端_v2.4(協議3.1.1).exe 即可找到下載地址。
登錄成功后，查看華為云頁面，可以看到設備已經在線，并且上傳的數據已經展示出來。
四、應用側軟件開發
4.1 功能介紹
為了更方便的展示設備數據，與設備完成交互，還需要開發一個配套的上位機，官方提供了應用側開發的API接口、SDK接口，為了方便通用一點，我這里采用了API接口完成數據交互，上位機軟件采用QT開發。
幫助文檔地址: https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_01_0045.html
4.2 查詢設備屬性接口
設備屬性就是設備上傳的傳感器狀態數據信息，應用側提供了API接口，可以主動向設備端下發請求指令；設備端收到指令之后需要按照約定的數據格式上報數據；所以，要實現應用層與設備端的數據交互，需要應用層與設備端配合才能完成。
下面分別介紹應用測和設備測的實現流程。
（1）應用層下發的指令
幫助文檔地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html
接口的在線調試地址: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
如果請求參數和返回值不清楚，寫代碼前，先使用在線調試接口體驗一下，驗證數據交互是否OK。
請求參數里比較總要的兩個必填參數，是設備ID和服務ID，這兩個參數在第3章節就介紹過如何獲取了，在產品頁面創建自定義屬性時可以看到服務ID。
請求接口總結:
請求方法 GET
URI地址 /v5/iot/{project_id}/devices/{device_id}/properties
傳輸協議 HTTPS
?
拼接好的地址:
https://iotda.cn-north-4.myhuaweicloud.com/v5/iot/0e5957be8a00f53c2fa7c0045e4d8fbf/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/properties?service_id=1126626497
?
其中的project_id和device_id需要根據自己的設備信息修改。
?
?
請求頭:
{
"User-Agent": "API Explorer",
"X-Auth-Token": "******", 這個是鑒權用的token
"Content-Type": "application/json"
}
?
?
響應體(設備上傳的數據)
{
"response": {
"services": [
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"HeartRate": 127
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"motion": 2000
}
},
{
"service_id": "healthy",
"properties": {
"temperature": 36.2
}
}
]
}
}
請求頭里需要填X-Subject-Token參數，這個參數只要是訪問任何華為云都需要填，獲取具體的流程可以看這里。https://bbs.huaweicloud.com/blogs/317759 翻到第3小節。
（2）設備上傳數據
應用層向設備端請求查詢設備屬性時，設備端會收到如下的消息:
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/get/request_id=336bcb57-0e0a-44d0-90f7-31386cb54a3c{"service_id":"1126626497"}
這個消息里有一個主要參數request_id請求ID，設備端需要解析出這個參數，給應用層響應數據時，需要帶上這個ID。
這個請求屬性詳細幫助文檔看這里: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3011.html
設備響應的數據格式:
主題格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/get/response/request_id={request_id}
?
示 例:
$oc/devices/61df9a6bc7fb24029b0c160d_1126626497/sys/properties/get/response/request_id=336bcb57-0e0a-44d0-90f7-31386cb54a3c
?
響應的數據格式:
{"services": [{"service_id": "healthy","properties":{"HeartRate":127}},{"service_id": "healthy","properties":{"motion":2000}},{"service_id": "healthy","properties":{"temperature":36.2}}]}
響應的數據格式可以看這里的介紹: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html
4.3 在線API調試結合設備模擬
下面使用MQTT客戶端與在線API接口聯合模擬一下接口效果：
（1）先打開調試頁面: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
然后填好設備DI和服務ID：
(2)、打開MQTT客戶端，登錄華為云物聯網平臺（也就是模擬設備上線）：
(3)、打開在線API調試頁面，點擊調試： 點擊后可以看到頁面上已經在等待客戶端的響應了。
(4)、MQTT客戶端響應詳細
按照前面說的響應格式，拼接好接口，數據。然后發布主題。
(5)、應用層收到客戶端響應,調試成功
調試成功后，響應體里收到的就是設備端上傳的設備屬性數據。
4.4 應用層核心代碼
/*
功能: 獲取token
*/
void Widget::GetToken()
{
//表示獲取token
function_select=3;
?
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
?
//設置請求地址
QUrl url;
?
//獲取token請求地址
requestUrl = QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
.arg(SERVER_ID);
?
//自己創建的TCP服務器,測試用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
?
//設置數據提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));
?
//構造請求
url.setUrl(requestUrl);
?
request.setUrl(url);
?
QString text =QString("{"auth":{"identity":{"methods":["password"],"password":"
"{"user":{"domain": {"
""name":"%1"},"name": "%2","password": "%3"}}},"
""scope":{"project":{"name":"%4"}}}}")
.arg(MAIN_USER)
.arg(IAM_USER)
.arg(IAM_PASSWORD)
.arg(SERVER_ID);
?
//發送請求
manager- >post(request, text.toUtf8());
}
?
//查詢設備屬性
void Widget::Get_device_properties()
{
//表示獲取token
function_select=0;
?
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
?
//設置請求地址
QUrl url;
?
//獲取token請求地址
requestUrl = QString("https://iotda.%1.myhuaweicloud.com/v5/iot/%2/devices/%3/properties?service_id=%4")
.arg(SERVER_ID)
.arg(PROJECT_ID)
.arg(device_id)
.arg(service_id);
?
//自己創建的TCP服務器,測試用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
?
//設置數據提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json"));
?
//設置token
request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);
?
//構造請求
url.setUrl(requestUrl);
?
request.setUrl(url);
?
//發送請求
manager- >get(request);
}