【《快递员健康管理系统设计》17000字】

PAGE快递员健康管理系统设计摘要2020年初，新型冠状病毒肺炎全面爆发，超市里的顾客寥寥无几，人们大多选择网上购物来满足自己的需求，因此，新型冠状病毒肺炎造成了炙手可热的快递业务需求。本文在对国内和国外对于健康管理系统的现状和发展进行了研究分析后，研究与设计了一套适用于快递员的健康管理检测系统，用于监测快递员在配送过程中的健康信息。本系统能够成功采集包括快递员的体温、快递员的心率等在内的人体健康生理参数信息，并是用GPS定位系统采集快递员的实时位置信息，再通过GPRS无线通信技术将采集到的数据实时地传输到后台，让后台管理员再进行处理，让整个配送流程的安全状况变得可视化。关键词：健康管理，传感器，GPRS，APP，STM32目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 11.1研究背景和意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外研究现状 11.2.2国内研究现状 22快递员健康管理系统整体设计方案 42.1系统需求分析 42.2系统设计目标 42.3系统组成设计 52.4系统主要流程 63快递员健康管理系统主要技术介绍 83.1GPS定位技术介绍 83.1.1GPS系统组成 83.1.2GPS技术特点 93.1.3GPS定位原理 93.1.4GPS定位系统的通信协议 103.2GPRS技术介绍 114快递员健康管理系统数据采集模块设计 124.1主控芯片的选择 124.2体温测量模块 144.3心率血氧测量模块 174.4GPS模块 204.5液晶显示模块 214.6蜂鸣器模块 235快递员健康管理系统数据传输模块设计 255.1MQTT协议介绍 255.2数据传输模块的选择 265.2.1GPRS模块 265.2.2AT指令 275.2.3GPRS模块的工作流程 286快递员健康管理系统数据处理模块设计 306.1健康管理系统手机APP功能需求分析 306.2快递员健康管理系统手机APP界面设计 316.3快递员管理系统手机APP非功能性需求分析 367结论 37参考文献 381绪论1.1研究背景和意义2020初,一场突如其来的新型冠状病毒肺炎在中国武汉以瞬雷不及掩耳之势全面爆发,并且向四周及其他国家迅速扩散，瞬间造成不可控的恶劣影响。全国人民的生活、工作都受到了很大的影响，许多企业也因此深受其害。许多大型活动都不再允许进行，就连家庭的团聚也不能顺利的得偿所愿。许许多多的人，充满了对疫情的恐慌，只能选择安全的居家，超市、商场就连路边的便利店都无人问津或者直接关闭。在疫情中，人们可以暂时不需要外出的娱乐，但是生活的必需品对居家的人们而言，是无法避免的，自然而然的，不需要自己出门的网上购物变的炙手可热。也就是说，疫情的突然降临造成了网购平台的大涨，而和网购互相支撑着的快递业务也成为了不可或缺的一项服务。中国的邮政快递行业如今进入了最快速发展的阶段，目前，快递的业务需求量达到了800亿件[1]。快递行业属于服务行业，基本业务是收寄、分拣、封发和运输，目前也属于劳动密集型行业，对人的依赖较大。而新型冠状病毒肺炎的其中一个最为严重的传染途径就是人传人和物传人。一个快递员一天平均接触150-200个包裹，接触形形色色的人，这时，快递员的健康保障就成了快递公司和收件人最为担心的问题。虽然许多的快递配送都转换为了无接触派送，但对于一些大型物件的快递或者一些需要顾客亲自签收的快递来说，还是会遇到和快递员进行一个面对面的接触。如果有一个人身上携带病毒并传染给快递员，在快递员不自知的情况下继续配送快递，快递员可能就会将病毒传染给更多的人，所以，对于快递员的健康检测显得尤为重要。因此本系统的研究目的是为了将快递员的体温、心率实时采集并传送到终端，如果快递员健康信息出现异常，立马产生警报，并反馈给管理员，停止快递员的工作，后台管理员便能及时上报公共卫生机构，这样能够有效地阻止病毒的传播。与此同时，系统也会对快递员的配送过程进行定位，如果快递员配送过程中经过疫情所在的地区，也能快速查找，有效隔离。这样公开透明可视化的数据，可以让快递员和客户都更为安心。1.2国内外研究现状现阶段被广泛应用于全球的健康医疗仪器大致分为医用和民用两种。医用是指在医院中由受过专业技能培训的医生对患者实时监测生理数据的各种仪器；而民用则是由患者本人与其家属，在说明书或相关医护人员对其进行了简单指导后就易于上手的检测仪器，该仪器能将监护所获得的各项数据实时的通过无线通信传送给负责医生。1.2.1国外研究现状医疗保险机构通过对购买了医疗保险的客户进行一个系统且全面的健康管理评估，并给出指导，疾病的风险或病态的恶化被近乎控制住了，疾病的发生概率和当地的医疗支出都得到了有效的控制，对于资本家而言，医疗的保险的赔偿损失也被降低了。这便是美国于上世纪50年代末第一次提出的一个全新概念健康管理[2]。如今，移动设备在我们的生活中是十分常见的，如果将医疗技术应用于移动设备之上，这将对人们预防疾病的效率大大提升，人们不再是在出现疾病后去诊疗，而变成了在疾病发生前，通过移动设备观察到自己的健康变化，从而能够及时的了解自身健康情况，能够达到预防疾病的目的。正因如此，基于智能化设备的医疗系统慢慢出现在大家面前，越来越多的医院、家庭、社区都开始应用这些设备。远程医疗的作用也开始向从诊治已经发生的病情变为了提前的预防潜藏的疾病的方向发展。美国等发达国家的医疗水平和发展进程都优于我国，他们的数据通信方式基本采用卫星通信以及综合业务数据网通信。在远程监控方面以及在军事领域方面，这些发达国家都已经拥有了非常好的发展。就英国而言，目前有七成的国民目前正利用健康管理服务对自己的健康状况进行管理[3]。几乎每个行业、每个家庭、每个机构都参与其中，对于健康管理的参与度达到了一个很大的比例。无线通信技术在各国都正在大力发展中，因此，国外的远程健康管理系统也随着无线通信技术而呈迅速增长趋势。早在2011年，美国的ADI公司随同麻省理工学院共同完成研制了一套家庭健康监护系统[4]，这个系统实现了实时监控的功能，每一位健康管理系统的使用者都可以随时得知自己的身体数据。而在日本的一所大学也开发出了这样的一套系统，也能够实现数据的实时监控，在各种情况和场景下都可以适用。健康管理在美国各项产业占比中已经拥有了超过千亿美元的比例。除此之外,不乏一些市值已经超过百亿的重要的上市公司，其主要业务多为健康管理机构或保险公司。1.2.2国内研究现状在我国，健康管理是一个新兴的概念。远程医疗在中国发展的时间比较晚，在上世纪80年代才开始对这一方面进行着手研究。我国最开始的是通过电话线来输送所需要的医学资料，然后用卫星网络来实现远程的医疗操作。我国就有一款适用于各种家庭的远程监护系统，该系统即是由清华大学的精英通过程控电话网所开发的，该系统能够用于收集人体心电参数和血压生理参数来达到监控目的；在1997年我国成立了远程医疗中心，其中基本技术包含了ISDN、电子邮件和可视电话；随后，一款基于掌上个人电脑的人体生理信息检测系统也随着第三军医大学“863”家庭数字化理疗监护项目的启动而被开发出来。我国老年人口规模越来也多、增长的速度也越来越快，医疗资源匮乏等社会问题层出不穷，因此，近些年来，中国的远程医疗技术也在加快发展，中国远程医疗的出现不仅只侧重于疾病的治疗，而且生理数据监测等内容上也颇见成效，对患者进行健康监测，一步步控制慢性疾病向不可控方向的发展，在发病前扼制疾病的发生是很重要的，因此要形成以“早干预、早治疗、保持健康、提高就诊质量”的中心思想[5]。在针对各式各样的疾病预防与控制的过程中记录和监视人体的实时生理数据，以便及早进行分析和干预，从而达到良好的控制效果。因而，传感器技术作为核心技术是远程监控健康管理系统的重要组成部分。传感器技术为移动健康管理系统提供了持续的技术支持。创新型的移动便携式智能医疗传感器能实现许多普通医疗设备无法完成的功能，例如，它可以实时地采集数据并同时上传至数据库。这个数据库可以访问，医生可以通过远程移动端或者电脑端来进行访问，并将数据下载至电脑或手机。这种创新型地移动设备是医疗业界的一个飞跃式的进步。设备的出现可以大大地减少医疗资源，解决诸如医疗资源分配不均之类的问题，也可以对用户进行持续性的生理指标监控。近年来，我国正逐渐扩大远程医疗的发展范围，与此同时，也在不断寻找适合的、稳定的无线通信技术来进行医学界的通信。任毅、石道生设计的基于Zigbee的远程医疗监护系统能够完成对不在病院或不在当地的患者的远程监护；武警总医院急救监护中心采用了GPRS无线数据传输通信技术，持续监护在家患者的心率参数；2016年，走进第九届全球健康促进大会的召开提出了要从普及健康生活、建设健康环境、完善健康保障、优化健康服务、发展健康产业五个方面全面推进健康中国建设，实现健康中国的宏伟目标[6]。许许多多有名的大型医院和院校都相继成立了远程医疗中心，大力发展远程医疗工作，为急重症患者提供医疗援助。而对于国内市场，传统的人体健康管理系统的缺点非常明显，由于成本很高，因此传统的设备仅仅应用于有重病的家庭，一般家庭很少会使用人体监护装置。除此之外，传统的装置极其容易损坏，且无法维修，会造成资源的浪费；设备的抗干扰能力不是很强，极其容易受到外界环境的影响，造成不稳定的情况。针对上述对传统的人体健康管理系统所发现的问题，本文设计了一种能够满足大部分普通家庭使用的基于GPRS通信技术的新型人体健康管理系统。快递员健康管理系统的目的在于针对在新冠肺炎疫情的现状下，利用GPRS无线传输技术，研究与设计了一套适用于快递员的健康管理检测系统，用于监测快递员在配送过程中的健康信息。本系统能够采集包括快递员的体温、快递员的心率等在内的人体健康生理参数信息和实时位置信息，通过GPRS无线通信技术将采集到的数据实时地传输到后台完成一个统计汇总，后台管理员再进行处理，让整个配送流程的安全状况变得可视化。该系统结合GPRS技术和智能手机，提高了系统稳定性以及便于携带性，满足了快递员在配送过程中对健康监测的要求。

2快递员健康管理系统整体设计方案2.1系统需求分析健康管理系统借助简单实用的体温传感器、心率血氧模块传感器，对派送途中的快递员的体征指标进行监测，同时，采集的生理特征数据将通过无线网络传输到管理员的手机中。整个快递员健康管理系统是基于远程生理健康数据监测的背景上开展的研究设计，在系统设计中需要实现的是对人体生理数据的监测功能和定位功能，以及超出正常值范围的紧急报警功能，再扩展还能有暴露危险通知。整个系统面向两类用户使用，一类是快递员，另一类是管理员。从快递员身上采集数据，管理员则是对系统数据进行管理。快递员是本系统的主要用户，用户通过单片机收集自己的健康信息后，单片机反馈信息到APP端，管理员则通过APP端监视快递员的健康数据。2.2系统设计目标快递员健康管理系统主要是通过可佩戴试的小型生理特征传感器来实现实时更新的数据采集，是以快递员个人为单位，提供实时的数据并上传分析，因此要求快递员健康管理系统必须具有实时监测性和数据传输的及时性，也包括对数据准确性的保证。因此系统在硬件和软件设计时必须要能够满足以下几项性能和功能要求。设备使用的便携性为了方便管理平台和快递员本人实时地了解自己的生理健康信息数据，所以此系统需要在能够准确测量的情况下兼具易于携带，不会影响快递员的日常工作。设备使用的易操作性对于快递员来说，使用本系统的情况多为在工作中，繁琐的操作会导致延误时间且增加行驶途中的危险性，因此，快递员会更加倾向选择操作方便的设备。设备的可靠性由于关乎了所有快递员和客户的生命安全，所以，可靠稳定性也是非常重要的。如果发生采集不及时或不准确等现象，可能会造成新型冠状病毒肺炎的蔓延，危害公共社会。数据传输的实时性一旦身体数据发生异常，快递员应立即终止派送活动，所以系统需要具有实时性来使快递员时刻了解自己的身体健康，并且当快递员发生异常时，管理员及时得知情况，重新分配任务也是非常必要的。设备的低成本由于此系统是面向广大快递员的，因此必须考虑到绝大多数单位企业的经济承受能力，才能更好地在快递业界大面积推广。系统的存储性手机接收绑定设备发送来的被监测快递员的体温、心率数据后，要进行适当的处理和存储，方便日后进行查看。无线传输系统需要通过移动WIFI或2G/3G/4G网络将监视采集的数据发送到服务器，发送到管理员手机。报警功能根据设定的人体体温、心率等报警阈值或异常范围，手机提供报警和提醒服务，可以将信息发送到管理员的手机上。2.3系统组成设计本文所研究的快递管理系统主要以模块化的方式来进行设计，主要分为以下三个模块：数据采集模块所使用到的硬件包含人体健康数据采集传感器，如DS18B20温度传感器和MAX30100心率血氧传感器；人体位置信息采集器，如GPS全球定位系统；微处理器，如STM32单片机，以及液晶显示屏模块和蜂鸣器模块。数据传输模块这个模块的构建主要是GPRS技术通信模块，在它的通信协议下，可以完成被采集数据由单片机发送到终端地传输过程。数据处理模块这个模块的运行主要是在移动终端完成。移动终端会呈现被采集的数据给管理员看，最后，管理员会将被采集的数据进行处理。快递员管理系统框图如图2-1所示。图2-1系统框图通过温度传感器、心率血氧传感器实现了对人体基本生理信息的采集，而后实时数据和位置信息一齐传送给微处理器，微处理器接收到消息，会对其开展分析与处理，处理完毕后，无线通信模块会将信息实时传送到系统中，只要管理员登录系统后就可以在系统后台查看到当前快递员的生理信息和位置信息的总体汇总。当被监测的工作人员身体出现状况时，微处理器上连接的蜂鸣器会自动报警，对被监测快递员发出警告作用，与此同时，手机APP也会随之收到信息，它们之间使用了采用了无线通信模块，使管理员在后台就能及时了解被监测快递员的健康状况。系统在开发过程中，使用KeiluVision5软件环境编写底层代码，底层代码包括STM32主控功能、心率、体温设备控制程序，程序在下载的过程中使用了J-LINK下载器的在线下载方式。手机端APP的设计是在Hbuilder软件开发环境下完成的，在软件中使用了HTML5语言编写APP的界面和交互程序，使得管理员可以方便地在手机端查看快递员的实时数据信息并采取相应的措施。2.4系统主要流程单片机是这个快递员健康管理系统的最核心的部分，主要是用来控制整个系统的流程运作。单片机的首要功能便是采集生理数据、分析数据并能够输送传感器传输过来的数据。STM32F103单片机带有数模转换通道，由数模转换通道再由单片机上连接的GPRS传输模块无线传输，向上位机设备传输数据并且存储在上位机设备中。程序的主要流程图如图2-2所示。图2-2系统主要流程图单片机可以自动判断传感器所采集的当前数值的具体情况，判断数据是否达到系统所设定的数值，如超过设定数值，那么蜂鸣器就会发出警报，系统也会进行报警。通过单片机的数据处理进而得到相应的状态分析，进而使得总系统做出相应的反应。

3快递员健康管理系统主要技术介绍3.1GPS定位技术介绍3.1.1GPS系统组成GPS全球卫星定位系统的构成要素共有三个：空间部分（GPS星座）；地面控制部分（地面监控系统）；用户设备部分（GPS信号接收机）[7]。下面简要描述这三个部分：空间组成部分空间组成部分包含了24颗卫星。这24颗卫星每4个散布在一个空间轨道上，因此，一共有6个空间轨道。这些轨道是在地表的上方约20千米至200千米处，它们的倾角约为55度。地面监控部分地面监控部分包含了许多站台。其中，有5个全球监测站可以持续性的监测到全部可以看见的卫星的接收器。当全球监测站监测到一定数据时，需要对数据进行基本的分析处理，处理完毕后，这些数据将传输到主控制站。随后，主控制站继续对其数据进行一定的分析计算，将最终的结果传输到3个地面控制站。GPS地面监控中心示意图如图3-1所示。图3-1GPS地面监控中心GPS接收用户部分用户设备部分的功能涵盖以特定卫星从静止角度捕捉选择的卫星，并且追踪这些卫星。随着接收机搜寻到卫星信号的时候，它能够独立计算出经纬度数据和变化率。随后，对此数据继续分析计算，能够依据方位得出所需要定位的地理信息[8]。3.1.2GPS技术特点GPS技术特点如下：在空旷的室外活动时，GPS可以精确定位，且定位精度非常高；体积小巧，性能优异，方便快递员随身携带；时效快，能够快速传输到管理员端；适应能力强，在各种环境下都可以定位；可以在任何地方任何时间实现持续的导航定位，不会中断。3.1.3GPS定位原理GPS定位技术的原理：GPS定位技术使用空间的四个基准点后，借助交会的方式来精确计算测量点的所处方位。这四个基准点就是太空中用来定位的卫星。这些数据里，无需计算便可得知的是四个基准点的瞬时方位。要想对待测点（ｘ,ｙ,ｚ）进行定位，必须计算出待测点的坐标及该点和卫星钟的时间差，上面的叙述中提到可以根据四个定位卫星的参考点来计算出待测点的坐标。根据图所示的四颗定位卫星与待测点的位置关系可以确定以下４个方程式[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）在这些数据中，d1至d4是同步卫星1-4到测定点的距离。通过同步卫星，将在测定点接收到信号的时间和信号的传输移动速度相乘，可以得到这个距离数据。即di=ct0i（i=1，2，3，4）；公式中的xi，yj，zk是每个同步卫星的星历参数；t01-t0４是各个同步卫星的时间差[10]。由（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）式可求得未知数（x，ｙ，ｚ，ｔ）可以得到定位接收设备的位置信息（x，ｙ，ｚ）和接收设备的时钟差ｔ。计算公式中的c表示了GPS信号的传播速率，或称光速。图3-2卫星观测原理图3.1.4GPS定位系统的通信协议GPS全球定位模块使用的通信协议是NMEA-0183协议。NMEA-013协议是标准的海洋电子产品格式，NMEA-00183标准GPS接收器的硬件接口可以和PC设备RS-232C串行协议全面相容。NMEA-0183通信协议全都是在ASCII码基础上的通讯语句[11]。NMEA-0183协议里有许多用来与外部通信的命令被定义，然而有5种命令是最常见的，命令及最大帧长如下：$GPGGA命令：这是全球定位数据命令，其最大帧长为72；$GPVTG命令：这是卫星PRN数据命令，其最大帧长为65；$GPGSA命令：这是卫星状态信息命令，其最大帧长为210；$GPGSV命令：这是推荐最小数据命令，其最大帧长为70；$GPRMC命令：这是地面速度信息命令，其最大帧长为34。NMEA-0183协议语句的数据格式如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“*”为校验和识别符。紧随“*”之后的两个数字是校验和，校验和表明了了介于“$”和“*”之中的全部字符的按位异或值；“／”为终止符，其作用等同于ASCII码中的“回车”命令（0X0D）以及“换行”命令（0X0A）。 在我们的日常生活中，最常接触到的NMEA-0183标准的GPRMC命令语句有以下几句：当GPS正常工作时，语句如：$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54如果GPS没有办法接收到卫星信号，那么GRRMC命令语句的输出将发生变化，语句如下：$GPRMC,121252.000,V,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*543.2GPRS技术介绍GPRS的英文全称为GeneralPacketRadioService。GPRS技术是在世界范围内都有普遍地、大范围应用的通用分组无线业务。GPRS技术是在现存的GSM网络基础上发展起来的一种新业务[12]。当时GPRS的主要任务是为GSM用户提供众多的套餐服务。GPRS会给目标用户传输数据，而数据地传输形式则是数据包。数据包这样的传输方式能最大程度地确保数据的传输，每一个数据包都能以不一样的方式到达目标。与此同时,也会充分利用通信信道,而这一点就能够让大量用户在同一瞬间进行通信传输。与传统的GSM技术相比，GPRS技术在数据传输速率方面有所提高,另一方面,GPRS接收相应请求的反映时间非常短,而GSM技术建立连接则需要10-30秒的时间。GPRS基本能够在全国各地都左到覆盖了,技术相对成熟,非常适合实时数据采集应用的需求。间歇性的数据传输、瞬间性的数据传输、多次少量的数据传输和少数次大量的数据传输都可以用GPRS技术进行。GPRS技术的特点有以下四点：速度非常的快，并且能够以相对稳定的性能来传输数据，数据包括短信、彩信、图片等一系列文件；GPRS在建立新的连接的时候，基本上是不需要任何时间的，所以它永远在线上，不需要断开，永远待机，一直长久地保持着与网络的连接。GPRS需要插sim卡运行，但不会时刻扣费，它的扣费方式时按照我们平时所说的流量来进行计算。GPRS技术现在相对成熟，非常适合各种传输数据的需求，并且价格便宜，成本非常低。

4快递员健康管理系统数据采集模块设计4.1主控芯片的选择源于快递员健康管理系统的特性，系统必须选择低耗能、高可靠性、系统稳定的单芯片作为主要的控制芯片。因此，本系统选用相对成本较低、功耗也相对较低的STM32F103C8T6最小系统芯片作为本系统的微控制器。STM32F103C8T6中的最小系统是一个单片机，这个单片机是在ARM32位的基础上实现的，它的内核是Cotextm3[13]，它的工作电压范围是从2V到3.6V之间，单片机中的CPU的信号在普通情况下可以达到一分钟发出72mhz。STM32单片机集成了足够的接口资源，例如USART通信接口、USB接口、SPI通信接口以及I2C等接口。操作起来十分容易，方便对系统进行管理和控制，能够满足快递员健康管理系统的实时性、可靠性和数据处理等要求。STM32F103C8T6最小系统微处理器的优点如下：封装体积小，满足日常携带需求；运行速度快，满足实时采集数据需求；处理能力强，满足实时监控需求；外设接口丰富，满足今后扩展需求；价格便宜，可以满足各家企业需大量采购的需求。图4-1STM32F103C8T6最小系统原理图数据采集终端由STM32F103C8T6单片机微处理器完成。数据采集终端需要完成的主要模块是温度采集模块，对快递员的体温进行采集；血氧心率采集模块，功能是对输出光强度进行采集，然后通过一定的数学公式进行分析和计算，得出快递员的心率数值；LCD液晶显示屏模块，在屏幕上显示快递员的实时体温和心率；还有GPS定位模块和蜂鸣器模块。在STM32单片机的统一操纵下，能够及时测量人体生理机能数据并显示。微控制单元的软件设计最终可以达到协调各个模块，其中包括温度采集模块以及血氧心率采集模块等其他相关模块一起运行，并且，最终可以实现所有模块想要实现的特定功能。图4-2数据采集模块工作流程图STM32F103C8T6的板子上共有四个按键，可以控制温度最大值和心率最大值的设定，初始值都为20，可以更改初始值的大小，更改预设数值的主代码如图4-3。图4-3更改设定数值的大小主代码4.2体温测量模块体温代表了人体机能的温度，是人体生命特征最直观清晰的展现，并且，新冠肺炎患者体温大多是在37.4℃以上，以38℃以上为多见。因此对快递员的体温的监测环节十分关键。温度采集模块主要由两个部分组成，这两个部分分别是微控制器STM32F103C8T6和温度传感器DS18B20。这两个器件的组合共同组成了温度采集收集器。STM32单片机通过DS18B20温度传感器读取数据信号，与此同时把温度转换和分析处理后的数据打包，借助一定的通信协议通过串口进行处理，最后数据被发送到上位机终端。目前市面上的温度传感器有几种分类，如模拟传感器和数字温度传感器。本系统选用的是常见的DS18B20数字温度传感器。DS18B20温度传感器的最低测温为零下55摄氏度，最高测温可以达到125摄氏度，其中，在零下10摄氏度到85摄氏度的温度区间范围内，精度可以达到上下0.5摄氏度的浮动范围[14]。DS18B20温度传感器是采用单总线系统，正因为如此，它依靠自身独立的元件，就可以直接测量出需要的结果。并且，由于其采用单线通信模式，此模式使从单线接口发送信息的过程以及接收信息的过程变得很容易，因此，它不需要依赖外部电源，方便之后的扩展需求。DS18B20温度传感器共有三个引脚，它们分别是：GND为电源地引脚；VDD为外接电源引脚；DQ为数据信号输入/输出引脚。图4-4DS18B20温度传感器外形图DS18B20温度传感器的内部结构包括以下几个：寄生电源电路。64位只读存储器（ROM）。64位的唯一芯片序列号只能读取存储器设备。存储器和控制逻辑。中间数据的临时高速存储器。它提供一个直接的温度报警值寄存器。温度传感器。报警上线寄存器TH。报警下限寄存器TL。配置寄存器。8位CRC发生器。执行串行通信中的数据检查，并评估接收到的数据是否正确[15]。图4-5DS18B20温度传感器内部结构图温度传感器DS18B20的工作原理可分为以下四部分：系统初始化；向ROM发送工作指令；存储器执行收到的工作指令；数据的处理和存储。其具体测温原理如图4-6所示。图4-6DS18B20温度传感器测温原理图DS18B20温度传感器具有以下优点：体积小，快递员携带方便，不占地方；抗干扰能力强，它能够不受外界干扰进行体温的测量；精度高，能够精确测量快递员体温，将安全最大化；成本低，适用于快递企业的大量采购。这些优点都非常适用于快递员在日常工作中的派送任务。图4-7为获取温度值的主代码。图4-7获取温度值主代码4.3心率血氧测量模块脉搏最直观的反映便是在人体表面可以被触摸和被感觉到的动脉跳动。随着心脏的跳动，一定量的血液进入动脉，动脉压强度增加，动脉直径扩大，在身体浅表的动脉中可以感觉到扩张，这就是人体的脉搏。正常情况下，人的脉搏等同于人的心跳次数，因此测量脉搏的数值相当于反映了人体心率数值。成年人的心率在正常范围内为60至100次每分钟，平均每分钟约72次。正常人的脉搏强度相对都较为均匀，极少数（除特殊情况下）会出现大范围的高低浮动现象。除此之外，在运动时、或者在紧张状态时就会加剧脉搏的跳动速度，相反，在睡觉时或者在休息的时候，脉搏速度就会变慢。对于心动过速的定义是：每分钟内，成年人的脉搏数值超过了100次时，则被判定为心动过速；而对于心动过缓的定义是：每分钟内，成年人的脉搏数值没有达到60次，则被判定为心动过缓。在疾病发生的时候，大概率会出现心跳变化的情况，而我们常见的心电图、生命体征检测器等测量仪器大多都可以用来观测到心率的变化。而感染新冠肺炎的患者，有可能会出现心跳加快的表现。心率采集模块也主要由两个部分组成，分别是微控制器STM32F103C8T6和心率血氧监测模块MAX30100。这两个硬件的共同组成了一个完整的心率采集模块。MAX30100采集数据，这些数据将通过相应的数学公式进行计算分析，便可得出心率脉搏数值。再由STM32单片机读取数据信号，与此同时将心率血氧模块所转换和分析处理后的数据打包，借助一定的通信协议通过串口进行处理，最后将数据发送到上位机终端。本系统选用了MAX30100心率血氧模块。MAX30100心率血氧模块是内置脉搏血氧仪和心率监测的生物传感器模块[16]。MAX30100心率血氧模块中包含一个红光LED灯和一个红外光LED等，这两个LED灯集成一体。除此之外，还有一个用作细化光学的光电探测器，一个可以低噪声的模拟信号处理器电子电路，从而达到抑制环境光的目的。传感器采用的是1.8V电源电压和3.3V电源电压，此传感器可以适用于多种场景，可以将其佩戴在身体的许多部位，例如套在手指上，放于耳垂后，佩戴在手腕上，由此来进行心率血氧的采集，待机电流极小，可以忽略不计，这样可以使电源在任何时候都能保持连接状态。MAX30100心率血氧模块使用1.8V~5.5V的电源电压兼容的I2C通信接口，可以和STM32F103C8T6单片机进行正常可靠的通信。MAX30100心率血氧模块原理图如图4-8所示。图4-8MAX30100心率血氧模块原理图MAX30100心率血氧模块共有7个引脚：VIN引脚。电源输入1.8V~5.5VSCL引脚。SDA引脚INT引脚IRD引脚RD引脚GND引脚MAX30100心率血氧模块的工作原理是：血氧饱和度是指包括氧合血红蛋白(HbO2)在内的动脉血中血红蛋白(含氧血红蛋白和还原血红蛋白的总和)所占的比例[17]。公式如下所示：SpO2=C其中CHbO2表示的是脉搏血液中氧合血红蛋白的容量大小，而CHb表示的是脉搏血液中Hb的容量大小。MAX30100心率血氧模块基于以下原理：当光透过人体血液的时候，血液会将光吸收，而吸收量的值则是由动脉的搏动而决定。脉搏波的脉动状态反映在光吸收的变化中，并且由每个波长具有不同氧含量的血液吸收系数的差异提供，由此来进行血氧饱和度的测量。发光二极管能够把电能转换成红外线，发光二极管也能够把光信号转换成电信号。通过测量手指的透射率，就能够间接地测量人体的脉搏信号。如果有脉搏的话，手指的光会被血液吸收，因此部分的光会被削减。相反，如果没有脉搏的情况下，穿过手指地光会直接射出，不会存在被血液吸收的情况，因此光不会被削减，所以通过手指的光会大大超出脉搏值。因此，光电二极管的信号输出值也就在一定程度上反映除了人体地脉搏心率值。如图4-9所示，当所测量位置没有脉搏的时候，输出光的强度值则没有发生改变，输出的是一个稳定不变的数值。但是，如果存在脉搏时，输出光强度值会随着脉搏的规律性跳动而呈现周期性的变化，这个信号就称之为光电容积脉搏波信号，英文缩写为PPG。在没有脉冲的情况下光吸收是稳定不变的值。而当存在脉冲时，输出光强度会根据动脉的跳动而进行周期性的变化，该信号是光电容积脉搏波信号（PPG）[18]。大多数情况下，交流分量是指根据动脉血液的变化从而致使光吸收量发生了变化，缩写为AC。而直流分量是指没有检测到脉搏的其他组织部位的光吸收量不会呈周期性变化，而是一个稳定不变的值，缩写为DC。光吸收量随动脉波动的变化如图4-9所示。图4-9光吸收量随动脉波动的变化当光线通过人体周围的血管时，血液量会随着动脉的跳动而变化，透射过人体的光吸收量也产生了影响，发生了一定的变化。这时候，光电转换器就会汲取反射光线并且进行电信号的转换。因为人体的心率是按一定的频率跳动，因此动脉血管的容积量也会呈有规律性的变化。综上所述，光电变换器输出的规律的电信号周期代表了人体的心率值。MAX30100心率血氧模块消除了复杂的外围电路设计，缩小了系统的总体积，并且提高了便携度。MAX30100心率血氧模块主代码如图4-10。图4-10心率血氧模块主代码4.4GPS模块本系统使用了GPS全球定位模块，对快递员的实时位置进行跟踪定位。GPS全球定位模块默认波特率为9600；供电电压为3.3V~5V；可以直接接3.3V或5V单片机IO进行通信[19]。本系统选择了L80型号的GPS模块。它是贴着芯片的，因此，他的体积非常小，满足了快递员日常工作中的便携性。不仅如此，L80的定位能力很强，可以精确定位到快递员所在的位置信息。GPS全球定位模块共有5个引脚：VCC电源引脚GND接地引脚TXD模块串口发送脚，连接单片机的RXDRXD模块串口接受脚，连接单片机的TXDPPS时钟脉冲输出脚4.5液晶显示模块本系统使用SMC1602ALCM液晶显示屏，显示容量有16*2个字符，芯片工作电压为4.5V~5.5V，工作电流为2.0mA[20]。共有16个引脚，分别是VSS接地电源、VDD接5V正电源、VL液晶显示器对比度调整段、RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器、RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作、E为使能端[21]，当E端出现下降沿时，液晶模块执行命令。第7~14脚为D0~D7的8位双向数据线，BLA为背光电源正极，BLK为背光电源负极。1602A液晶显示屏原理图如图4-11所示。图4-111602A液晶显示屏原理图1602液晶显示屏与STM32的连接电路图如图4-12所示。图4-121602与STM32连接图液晶显示屏显示的最大行数为2，每一行最大显示字符为16，其显示规则如下：举例来说，假如需要在屏幕上显示首行首位位置的字符,则写LCDW_Com（0x80）；假如要显示第二行的首位位置的字符,则写LCDW_Com（0x80+0X40）；假如要显示首行的第三个位置的字符,则写LCDW_Com（0x80+2）；假如想要使指定位置的字符显示“1”，那么就需要调用LCDW_Dat（‘1’）；假如调用LCDW_Dat（‘1’），LCDW_Dat(‘2’)，那么指定的位置就显示12。1602显示程序编写步骤如下：对1602进行初始化初始化过程包括清屏、光标复位、显示模式、功能设置等共六条机器码指令。指令码从单片机送出，经1602的数据线送入指令寄存器。此过程为“写指令寄存器”，即每送出一次指令都必须调用一次写指令寄存器子程序。命令代从单片机发送，通过1602数据线发送到命令寄存器。该过程是“写命令寄存器”，也就是说，每次发送命令时，必须调用写命令寄存器子程序一次。设置1602的显示地址想要在屏幕上显示字符，那么一定要把显示字符的地址输入进去。也就是说，需要指定在模块中的何处显示字符，并将字符转移到要显示的位置。该表显示了1602A内部显示地址。表4-11602A液晶显示屏内部显示地址12345678910111213141516第一行80H81H82H83H84H85H86H87H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH第二行C0HC1HC2HC3HC4HC5HC6HC7HC8HC9HCAHCBHCCHCDHCEHCFH设置显示地址是写指令寄存器的过程。也就是说，在显示地址通过1602数据线从微控制单元传输后，有必要调用一次写命令寄存器。显示字符如果设置显示地址1602，则带有显示的字符将被传送到1602进行显示。该过程写入数据寄存器。也就是说，从单片机通过1602数据线发送字符后，必须调用一次数据寄存器的写子例程。要显示的字符以ASCII码显示。如果需要显示多个字符，则可以使用查找表方法定期将其写入。当我们输入字符的时候，就会自动地添加一位显示地址。无需以ASCII格式写入数据表。可以在引号内写入想要显示的字符，然后在未标记的位置用空格来代替。系统中使用SMC1602ALCM液晶显示屏显示快递员的实时生理信息数据，方便使得快递员实时了解自己目前的体温和心率，了解自己的身体健康状况，并在数据异常时采取相关措施停止工作。图4-12为SMC1602ALCM液晶显示模块工作流程图。图4-121602A液晶显示屏模块工作流程图1602A液晶显示屏显示字符的主要代码如图4-13所示。图4-13字符显示主要代码4.6蜂鸣器模块对蜂鸣器的代码进行编写，设定其最大值，当快递员的体温和心率超过系统设定的最大值，蜂鸣器发出警报。蜂鸣器模块的主要代码如图4-14。图4-14蜂鸣器模块主代码

5快递员健康管理系统数据传输模块设计5.1MQTT协议介绍MQTT（MessageQuingTelemetrytransport）是在1999年发行的、是基于TCP/IP协议的发行/订阅模式的轻量级通信协议[22]，最新版本为v3.1.1。MQTT协议的最好的地方在于代码少，带宽有限。它能够实时动态地提供非常安全的、可靠的、稳定的信息服务给远程终端。MQTT作为低廉的成本、低带宽的实时传输信息协议，并且是轻量型的、精炼的、对外开放的以及便于实施的，因此，MQTT协议在许多场景下都非常普及，例如智能家居。图5-1MQTT协议特征分析MQTT协议在TCP/IP网络协议上运行，也可以是其他的网络协议，确保有条件性、无损失性和双向连接性。MQTT协议的特点有：使用的模式类型是发布/订阅消息模式，它支持一对多消息分发，用来实现与应用程序的彼此影响以至连接[23]。用于遮蔽负荷内容的消息传送机制。对于传输的消息数据有三种服务品质级别。最多一次，在该级别，会有发生消息丢失或重叠的情况出现，并且消息发布取决于底部的TCP/IP网络协议。即：<=1。至多一次，这个级别保证了消息能够到达，但它们也许可能重复。即：>=1。只有一次，在这个级别内需要保证消息有且仅有一次能够到达。即：＝1。为了来达到减少网络传输流量的目的，因此采用最小化数据传输和协议交换（5）在传输过程中如果发生异常中断时，协议中的通知机制会对传输方和接收方进行告知。5.2数据传输模块的选择GPRS模块的主要功能是负责把数据采集模块测量到的人体生理特征数据通过无线网络传输发送到预设的管理员设备上。GPRS模块通过串口与STM32单片机相连，由AT命令来实现各种功能。使用时需提前在模块内放置一张SIM卡。SIM800A是拥有出色性能的工业级的GSM/GPRS模块，是由是SIMCOM公司开发的[24]。SIM800A的基础版本完成了语音数据、DTMF数据、短信和彩信数据、GPRS数据的功耗极低的传输[25]，综合性价比高，在市场上广受欢迎。同时，基于基本版本，引入了两个更便捷的功能，分别是本地文本声音播报模块以及蓝牙3.0功能模块。GPRS技术特点：较快的速度，基本可以比较稳定传输图片、音乐等文件。永远在线，由于其建立新连接几乎无需任何时间，所以可以时刻保持与网络联系。计费方式按传输流量计算。GPRS模块拥有最先进的技术，并且单价十分便宜，可以有效降低设备的投资成本。5.2.1GPRS模块GPRS模块采用SIM800A_mini板做通信，SIM800A_mini板是一块采用了SMT封装的两频GSM/GPRS模块。SIM800A_mini板兼容了RS232串行接口和TTL串行接口，带宽工作范围可适用5V~18V宽量程，性能非常稳定，外形小巧玲珑，价格便宜，性价比非常高，除此之外还能满足各式各样的功能需求。迷你板的工作信号频率为GSM/GPRS900/1800MHz，能够达到语音传输需求、短信传输需求和数据信息的传输需求，并且所需要消耗的功率非常低。SIM800A_mini负责将STM32F103C8T6单片机接收的数据传至后台服务器，根据实际情况选择SIM卡的类型，把SIM卡插入GPRS模块以供使用。GPRS模块将采集的数据通过AT指令传给服务器，服务器只需监听固定端口即可接收数据。图5-2SIM800A引脚图SIM800A优点：接口丰富，可以用于今后的扩展；功能完善，系统所需要的功能都可以实现；工作稳定，可以相对稳定地传输数据，例如短信、彩信、音乐文件等；抗干扰性强，可以抵抗外界干扰，不受影响，在各种环境下稳定传输；外围电路集成度高；尺寸小巧，便于快递员使用，携带便捷。5.2.2AT指令数据传输必须按照指示进行。这个指示就称为AT指令。它是由Hayes公司在美国推出的。AT指令集如今已经是用来控制解调器的全国通用标识指令[26]。AT指令集是一种特定的字符串，通常以AT开头，以<CR><LF>作为指令的结尾。紧随AT后面的数字以及字母也表示了其规定的相应功能。表5-1GPRS常用AT命令AT命令功能AT+CMGF选择短消息信息格式：0-PDU；1-文本AT+CMGS发送短消息AT+CMGR阅读短消息AT+CSCA短消息中心地址AT+CSMS选择短消息服务AT+CMGD删除SIM卡内存的短消息AT+CNMI显示新收到的短消息AT+CMGW向SIM内存中写入待发的短消息续表5-1AT命令功能AT+CMSS从SIM卡内存中发送短消息5.2.3GPRS模块的工作流程GPRS模块与STM32进行连接后，基本工作流程为：首先对GPRS进行初始化操作，随后GPRS模块从串口接收来自STM32发来的AT指令，使模块登录至GSM网络并建立连接，控制所采集到的信息的无线传输，当数据传输方案的配置完成时，接收功能函数会被调用，它会将人体生理特性的信息进行封装，采用的是SMS格式，然后将信息发送到默认的快递员手机上。GPRS模块的数据传输程序的设计包括初始化操作、登录网络进行连接、数据传输等流程。图5-3GPRS数据传输流程图GPRS模块与单片机利用串行接口进行通信，封装后进行分组交换。当单片机接收到数据采集传感器所收集的数据信息后，通过单片机编写好的程序对数据进行分析处理，判断是否需要报警，如果需要报警，GPRS模块也会将报警信息一并传输给上位机。6快递员健康管理系统数据处理模块设计此模块设计的主要作用是分析采集的快递员生理特征数据实时发送给管理员，让管理员随时了解快递员的健康状况，并在出现异常情况时，管理员也能及时地被提醒，并作出相应的措施。6.1健康管理系统手机APP功能需求分析快递员健康管理系统APP旨在帮助管理员及时了解快递员的健康信息，APP总体功能设计如图6-1所示。图6-1APP总体功能设计健康管理系统APP流程如下：管理员输入账号密码，并确认；账号密码输入完成后则跳转到快递员生理数据显示界面，可以对其体温、心率和位置信息进行监控；APP中的定位功能可以随时定位到快递员目前所在位置及其经纬度；当快递员生理数据产生异常时，手机会有弹窗消息进行提醒，提醒管理员及时安排该快递员的后续工作。6.2快递员健康管理系统手机APP界面设计手机APP是在HBuilder软件内用HTML5语言设计的系统界面，分为登陆界面和主界面。登陆界面设计了管理员登录系统，包含登录账号与密码，当管理员输入账号密码后将跳转到主界面。登陆界面设计如图6-2所示。图6-2手机APP登录界面在主界面中，点击“连接”按钮，则手机APP可以通过GPRS无线传输和STM32单片机进行数据连接，接收由STM32单片机所传输过来的信息，此时，在“实时温度值”和“实时心率值”两栏中可以看到快递员当前的体温和心率。而在“所在纬度”和“所在经度”两栏中可以看到快递员当前所在的经纬度位置。在HBuilder开发过程中，引入了百度地图的api，使得在健康管理系统界面内可以通过“定位”按钮看到快递员所在的地图位置，使管理员能够更加直观地了解。点击“断开”按钮则手机APP与STM32的通信连接中断。主界面如图6-3、图6-4所示。图6-3主界面设计图6-4主界面展示当快递员有异常情况出现时，管理员的手机上会有弹窗提示，如图6-5所示。图6-5报警弹窗设计为了方便管理员查看快递员近阶段的生理健康数据，因此在主界面上还设计了历史记录查询，可以查询到快递员所有的生理健康数值。历史记录设计如图6-6所示。图6-6历史记录设计在存储历史记录方面，如果按照软件开发来分类的话分为服务器存储和客户端存储。服务器存储即为数据库存储，客户端存储即为本地存储。本系统中历史记录的实际是采用了HTML5的localStorage本地存储代码设计功能。LocalStorage的特点在于它能够永久的记录所有的数据，当把APP关闭再打开时，数据依然可以保留。除此之外，localStorage每一次的存储都约等于一个大小为5M的数据库，因此它大大减少了存储容量，适用于数据比较繁多的系统中。LocalStorage主代码如图6-7。图6-7localStorage主代码6.3快递员管理系统手机APP非功能性需求分析快递员健康管理系统APP的非功能性需求主要体现在管理员的使用感以及软件的兼容性上。因此，在设计快递员管理系统手机APP时，更要注重APP给快递员带来的便捷服务，如采集数据的及时性，数据传输的正确性，使用方面的便捷性等。快递员健康管理系统手机APP的针对性比较强，功能相对来说比较一成不变，因此设计APP时要将界面做得简介，操作方便，易于使用，这样才可以在快递业界大范围的推广。7结论因为2020年初新冠肺炎疫情的爆发使快递业需求量激增，而快递员的健康安全问题是我们特别需要关注的。本文提出了一种基于GPS定位技术的快递员健康管理系统的设计，旨在让快递员和管理员能够随时监测到自己的身体健康状况，并能让管理员也能了解快递员的实时位置信息，使整个配送过程中的安全问题变得透明、变得可视化。本文设计了一种基于GPS定位技术的快递员健康管理系统，该系统主要分为数据采集模块，旨在收集快递员的生理信息、数据传输模块，旨在对收集到的生理信息进行传输，以及数据处理模块，旨在对收集到的生理信息做反馈这三个部分。系统先通过传感器对快递员的体温、心率和位置信息进行采集，并通过微处理器进行分析处理处理，然后通过GPRS无线通信技术把信息传送给上位机终端，在终端的快递员健康管理系统APP中进行数据的展示。管理员只需要登录系统就可以查看被监测快递员的生理信息数据。当被监测快递员身体出现状况时，系统自行启动蜂鸣器进行报警，向被监测快递员发出预警，并通过后端的GPRS模块将报警信息发送到管理员的手机上，使管理员及时了解被监测快递员的健康状况。本研究课题主要做了以下几个方面的工作：对国内外现存的健康