参考项目介绍

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复制整理,非原版。来源:00 【STM32+Nordic方案】受限网络工况下的生命体征监控手环_项目需求分析


项目背景

在煤矿、山区或海上作业平台等环境中,手机网络信号通常无法覆盖,无法通过传统的通信手段(如电话或蜂窝网络)进行人员调度和安全管理。这种情况下,作业人员的生命体征监测、位置监控、任务分配以及紧急救援成为核心需求。

现存问题:

  1. 缺乏实时通信:

    • 在无手机网络信号的环境中,人员之间无法保持实时联系。

    • 发生意外时,无法快速通知其他人员和指挥中心。

  2. 作业人员位置监控困难:

    • 无法知道作业人员是否处于指定的安全区域。

    • 如果人员失联,难以及时发现并定位。

    • 在网络受限区域,有些人员并不知道已经脱离队伍,长时间未提醒后走丢。

  3. 安全保障不足:

    • 缺少统一的生命体征监测手段,无法实时评估工人健康状况。

    • 无法通过设备直接发出警报或搜救指令。

为了解决这些问题,需要设计一款专为受限网络环境打造的智能手环设备,集成蓝牙 Mesh 通信、生命体征监测、位置追踪和警报功能,以确保作业人员的安全,并提高工作效率。


需求表:受限网络环境下的生命体征监控智能手环

功能模块功能描述技术需求/备注实现思路
UI显示1、主界面
2、血氧监测界面
3、电子围栏状态界面
4、NFC打卡界面
5、二维码组网界面
6、Mesh消息显示界面
7、失联提醒界面
使用 240x240 分辨率 SPI 彩屏,支持血氧数据曲线绘制和消息显示。通过LVGL实现7个页面,主页可以跳转到任何页面,失联提醒页面可以在产生紧急事件时,作为当前显示的页面。
蓝牙 Mesh 通信1. 通过蓝牙 Mesh 在无蜂窝网络环境中实现设备间通信。
2. 广播和接收健康信息、警报信息、组网信息。
基于 nRF52840 的蓝牙 Mesh 协议栈,支持消息广播、转发、订阅功能。利用Nordic 52840自身的Mesh协议栈(蓝牙Mesh基于泛洪(Flooding)协议),搭建Nordic的蓝牙Mesh组网
失联人员提醒当某个节点在 Mesh 网络中失去信号时,自动广播警报消息,提醒所有人定位并寻找失联人员。基于 Mesh 网络节点的连接状态,结合 RSSI 信息,动态检测信号中断,触发提醒机制。如果蓝牙Mesh中的某个节点丢失了心跳传递,则视这个节点离开了队伍,产生警报消息。
电子围栏功能基于蓝牙信号强度(RSSI)判断是否超出设定的安全区域,若超出则触发警报,并通知其他人员。利用 Mesh 节点的 RSSI 数据及丢失信号逻辑实现电子围栏功能,通知机制需与 Mesh 网络联动。在一些区域,安装蓝牙的Beacon在特定区域作为蓝牙信号的信标组成电子围栏
NFC读取使用 nRF52840 内置 NFC 功能,支持 NFC 卡片读取,实现考勤打卡功能。利用 nRF52840 的 NFC-A 功能,与 Mesh 组网信息联动,记录考勤数据。NFC实现对应的刷卡功能,实现考勤打卡
二维码显示与组网通过手环屏幕动态生成二维码(含设备 ID 和组网信息),供管理员扫描完成组网配置。STM32F411 动态生成二维码,显示在屏幕上,用于快速组网或管理。二维码中包括设备ID+通信公钥,当其他设备的手机端扫码二维码后,会产生加密的组网请求,使用手机端应用(如nRF Mesh)为未配置设备分配网络密钥(NetKey)和应用密钥(AppKey),并分配单播地址。
Mesh消息显示将 Mesh 网络中传递的消息(如调度指令、失联警报、电子围栏警告)实时显示在手环屏幕上。UI 需支持动态消息显示,并记录部分历史消息以供查询。将Mesh网络中传递的信息打印在Mesh的UI页面。
喇叭提醒内置喇叭,用于播放警报音效或语音提示(如提醒危险区域撤离、搜救提示)。小型喇叭模块,通过 STM32F411 的单线GPIO控制。wtn6 speaker模块
GPS定位内置GPS定位模块,可对当前的位置进行定位。GPS信号可在组网内部共享,所有的节点可根据GPS信号进行建图gps模块
心率血氧采集功能内置心率血氧检测模块MAX30102

UI界面设计与功能分布

根据需求划分功能,设计 7 个 UI 界面:

  1. 主界面:

    • 显示当前时间、电池状态、蓝牙 Mesh 组网状态(在线/失联)。

    • 提供状态图标(如信号强度、围栏状态)。

    • 显示各个组网内成员的相对位置

  2. 血氧监测界面:

    • 显示实时血氧曲线。

    • 显示当前血氧百分比。

  3. 电子围栏状态界面:

    • 显示当前位置是否处于安全区域。

    • 如果超出围栏范围,显示警告信息和图标。

  4. NFC打卡界面:

    • 提示将 NFC 卡靠近手环,完成考勤打卡。

    • 显示成功/失败后的反馈信息。

  5. 二维码组网界面:

    • 动态生成二维码,供管理员扫描完成组网配置。

    • 提示组网状态(如成功/失败)。

  6. Mesh消息显示界面:

    • 实时显示 Mesh 网络中接收到的消息(如调度指令、警报信息)。

    • 支持查看最近的历史消息。

  7. 失联提醒界面:

    • 显示失联节点的编号或名称,并提供简单的定位提示。

    • 触发喇叭播放警报音效,提醒其他人协助寻找。


技术资源需求

  1. 主控芯片:STM32F411 和 Nordic nRF52840 的分工

    • STM32F411:

      • 负责 UI 驱动(如曲线绘制、二维码生成、消息显示)。

      • 控制喇叭音效播放(通过 PWM 或 DAC 输出)。

    • Nordic nRF52840:

      • 实现蓝牙 Mesh 通信、RSSI 信号强度分析和失联节点检测。

      • 内置 NFC,用于考勤打卡功能。

  2. 外围模块

    • 屏幕:240x280 分辨率(RGB565) SPI 接口彩屏(ST7789 )。

    • 喇叭:小型低功耗喇叭,用于警报音效。

    • 传感器:集成 PPG 传感器(如 MAX30102)用于血氧监测。

  3. 功耗优化

    • 使用 nRF52840 的低功耗 BLE Mesh 模式,减少待机时的能耗。

    • STM32F411 进入深度休眠模式时,仅保持必要外设运行。


功能优势与适配性

  • 失联提醒:基于 Mesh 网络动态检测节点状态,实时广播警报,弥补传统蜂窝网络无法覆盖的通信盲区。

  • 电子围栏功能:确保工人处于安全区域,避免进入高风险区域。

  • 生命体征监测:实时采集并显示血氧数据,结合 Mesh 网络上传到管理端,便于健康监控。

  • 低功耗与高可靠性:通过 STM32F411 和 nRF52840 的高效分工,满足工业环境对续航和通信稳定性的要求。

此设计能够全面适应矿区、山区或海上作业平台等受限网络环境,为作业人员提供可靠的安全保障和通信手段。