基于STM32 华为云IoT老年人防摔报警系统的设计。
本文分享自华为云社区《基于STM32 华为云IOT作者： DS小龙哥 。
1. 前言
中国独生子女和人口老龄化正逐渐成为一个重大的社会问题。老年人身体能力下降，摔倒造成的安全和危害越来越突出。国家和社会越来越重视老年人的健康和安全，开发能够实时检测老年人是否摔倒，及时通知监护人摔倒检测和报警系统具有重要的现实意义。本系统包括检测摔倒模块、GPS定位模块和通信模块可以通过检测老年人的日常状态来了解老年人的状态。如果监测到老年人摔倒，检测结果将通过网络上传到物联网云平台，以获得老年人摔倒的地方GPS并通过定位GPRS向预设监护人发送短信。
2. 设计需求
（1）采用STM32单片机作为主控芯片，配合其他模块完成功能设计
(2)采用通信模块SIM800C，支持上传收集GPS华为云物联网平台用于云服务器的经纬度数据。
(3)老年人摔倒检测MPU6050陀螺仪检测到老人摔倒后会通过SIM800C向紧急联系人发送短信时，设备上的蜂鸣器会发出警报声，周围行人听到后可以帮忙；并且会GPS数据上传到云中，通过地图显示老人的位置，家人通过短信知道老人摔倒后，通过云地图显示的位置，可以快速赶到老人身边，或报警求助，报告位置。
(4)老人摔倒后，如果能行动，没有大问题，可以按下设备上的按钮取消蜂鸣器报警，通过SIM800C给家人发短信报平安。
3. 实物效果的设计
为了快速验证方案的可行性，现成模块采用杜邦线连接完成整个预期功能设计。
以下是硬件连接后的效果图。所选硬件型号已贴在第四章；为了方便户外测试，这里的电源采用充电宝或电池盒。
可设置电子围栏，坐标超过后提示。
4. 硬件选型
采用主控芯片STM32RCT6.采用通信模块SIM800C，GPS采集使用ATGM336北斗BDS GPS双模块，采用老人摔倒检测模块MPU6050陀螺仪。
这些都是在淘宝上购买的现成成品模块。模块模型和模块实物截图贴在下面。如果你想做一个，你可以在淘宝上找到相同的模块模型。
4.1 SIM800C
SIM800C高性能、高性价比的工业模块GSM/GPRS模块。本模块采用SIMCOM工业级四频850/900/ 1800/1900MHz SM800芯片，低功耗语音，SMS、传输数据和传真信息。
1、支持极限DC5V-18V宽电压输入
2.有电源开关引脚EN
3.支持锂电池供电接口VBAT3.5-4.5V
4.输入支持移动和联通手机卡Micro SIM卡
5、送51/STM32/ARDUINO驱动例程
7.电源开始默认使能引脚
11、数据终端准备
12内核音频输出引脚
13内核音频输出引脚
14、锂电池输入引脚，DC 3.5 - 4.5V
15、电源地
18、RTC外部电池引脚
19内核振铃提示引脚
20内合音频输入引脚
21内核音频输入引脚
建议使用V_IN单独供电DC5-18V输入(推荐9V)，或者VBAT锂电池的供电方式是最稳定的。如果只是简单的调试，也可以使用USB-TTL或开发板5V直接向模块供电。但是，一般计算机或开发板的功率有限，可能不稳定。请根据具体情况选择合适的电源。
模块本身支持自适应波特率，可以根据发送过去的指令自动计算相应的波特率，一般使用115200。
(1)供电电压5V也可以，用电脑USB电源(直接插电脑USB口)。正常供电后，模块上有电源指示灯。
（2）SIM800C的TX脚接单片机RX脚
（3）SIM800C的RX脚接单片机TX脚
（4）SIM800C的第11个引脚（PWK）和12个引脚（GND）短接在一起，才能开机。
电源正常后，右上角有黄色电源灯。
通过串口发送AT指示过去测试模块效果。
4.2 STM32F103C8T6开发板
4.3 GPS模块
GPS模块正常定位后，模块上LED灯会按1秒闪烁一次。
返回字段GNRMC表示当前定位GPS经纬度只需要分析分析代码GNRMC表示当前定位GPS经纬度只需要分析分析代码GNRMC字段。
第一次启动GPS定位模块需要几分钟。定位成功后，第二次启动定位非常快。最好在室外，室内信号差，定位时间长。
4.4 MPU6050陀螺仪
陀螺仪选用正点原子模块，相对稳定，质量好。
4.5 蜂鸣器
蜂鸣器的高电平触发。
5. 创建云物联网服务器
为了方便查看老人摔倒之后的位置，需要通过SIM800C收集设备GPS数据上传到云平台服务器保存。即使老年人没有摔倒，他们也可以实时关注老年人的位置，在地图上绘制轨迹线，方便家庭随时联系，了解老年人的情况。
这里的物联网平台是华为云物联网平台，目前免费使用。云创建产品等信息后，设备将通过MQTT上传协议连接云平台GPS数据。目前，华为云拖动测试网页开发页面已下架。目前，为了开发相应的上位机，您可以使用最近的主要低代码开发平台或通过云平台的应用侧开发界面开发上位机。我在这里开发自己的上位机QT上位机APP，支持windows、Android、Linux等多个平台运行，跨平台使用更方便。
然后介绍如何登录官网创建产品、设备、完成云产品部署。
5.1 创建产品
官网地址:设备接入_IoTDA_IoT_物联网IoT平台-华为云
打开官方网站后，没有华为云账户需要先注册账户，这些步骤不多说，然后直接介绍如何创建产品、设备、配置属性，完成数据上传和交互的过程。
免费点击页面。
点击左侧产品选项，点击右上角创建产品按钮，弹出参数填充对话框。
根据自己的设备情况填入信息之后保存。
成功创建产品，点击查看详细信息。
5.2 创建模型文件
在当前的详细页面上，您可以看到模型创建的选项。 点击自定义模型选项创建模型。 这里的模型是设备上传的数据属性。
添加服务ID。
点击创建属性，在这里选择JSON上传的类型数据GPS有两个个数据，便于保存。 创建成功。
5.3 创建设备
产品是一个大框架模型，下面可以创建许多特定的设备，目前我只有一个硬件设备，只要创建一个设备。设备可以手动创建，也支持自动创建，就像市场上的智能设备产品一样，在获得设备后，扫描设备上的二维码，然后打开手机APP产品创建和设备添加可以完成。 目前我这里只有一个设备，而且还要演示整个流程，就在网页上完成整个设备的创建。
链接地址: https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/device/all-device
点击左边的设备选项，再点击右上角的注册设备。
填充好信息之后，点击确定。
创建后保存设备的数据。
{
"device_id": "GPS1",
"secret": "12345678"
}
创建成功，目前设备处于未激活状态。
5.4 获取MQTT登录参数
目前产品、设备创建好之后就需要通过设备连接上来上传数据，要完成这个步骤，还需要知道一些前提的流程。
【A】华为云服务器IP地址、域名、端口号 【B】主题订阅的格式、主题发布的格式 【C】MQTT协议登录的三元组信息
充分了解了这3个信息之后就可以编写设备端代码了。下面就详细介绍这些信息怎么得到。
【1】华为云的服务器地址信息
在这里查看: https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/instance/detail?id=8fe87243-d97d-4c1e-bb34-186a60ca2d14&type=public
华为云物联网平台的域名是: 161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
华为云物联网平台的IP地址是:121.36.42.100
端口号是1883
【2】主题订阅的格式、主题发布的格式
主题订阅上报的格式在产品的详情页面可以看到。
主题发布官方的详细介绍在这里:使用MQTT.fx调测_设备接入 IoTDA_开发指南_设备侧开发_使用MQTT Demo接入_华为云
主题上报的属性格式说明文档地址:设备属性上报_设备接入 IoTDA_API参考_设备侧MQTT/MQTTS接口参考_设备属性_华为云
根据当前设备的信息总结，得到的信息如下：
//订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/GPS1/sys/messages/down
//设备上报数据
$oc/devices/GPS1/sys/properties/report
//上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
{"services": [{"service_id": "GPS","properties":{"GPS":{"lon":106.53,"lat":29.46}}}]}
【3】MQTT协议登录的三元组信息
华为云提供了MQTT协议参数的生成工具，非常方便，根据提示填入参数一键生成三元组。
MQTT设备登陆密匙生成地址: Huaweicloud IoTDA Mqtt ClientId Generator
得到的三元组如下：
ClientId GPS1_0_0_2022060716
Username GPS1
Password 27a2d2dd716fac29a0041beec1d7cf5f5b529fac65cc815c7eed9adb04d7364b
5.5 采用MQTT客户工具登录测试
为了方便验证服务器的配置以及主题、属性这些是否OK，可以先使用MQTT客户端模拟真实设备登录测试。下面这个MQTT工具是我自己开发的，为了方便测试对接物联网平台，使用QT写了这么一个工具软件。
工具软件的名称: MQTT客户端_v2.5(协议3.1.1).exe 我已经上传到CSDN的资源库里了，可以直接去CSDN里搜索就能找到软件的下载地址，下面的文章的附件里我也会上传一份。
在软件左边根据提示填入对应的参数，依次点击登录，订阅主题，发布主题即可。
这时打开网页可以看到设备已经在线了。 在设备影子页面上可以看到上传的数据内容。 启动消息跟踪，可以了解通信的过程。
6. STM32硬件设备端程序设计
在第5章完成了物联网云平台的构建，接下来的第6章节，就编写STM32设备端代码。
STM32设备端开发环境采用keil5进行开发，编程风格采用寄存器风格形式，不管使用库函数，还是寄存器，还是HAL库，本身都一样，没有太大区别，我编写STM32代码习惯了寄存器开发，主要是寄存器的代码比较简洁，工程文件精简。
关于keil5软件的下载流程、安装流程、基本使用办法这里就不在详细介绍，相应看这篇文章的道友应该这些会这些基操，这里主要是以项目为导向，介绍比较核心的知识点。
6.1 硬件接线
下面是介绍使用的硬件模块与STM32开发板之间的硬件连线。
SIM800C接线说明:
GND----GND
PA2----SIM800C_RXD
PA3----SIM800C_TXD
CH340模块接线说明:
GND----GND
RX-----PA9
GPS接线说明: (波特率需要根据GPS模块实际情况进行修改)
GND----GND
VCC---3.3V
PB11----GPS_TX
蜂鸣器模块： 高电平响
BEEP----->PB8
板载LED灯:
LED1--PC13 低电平亮
板载按键:
KEY1--PA0 按下为高电平
外接按键：
KEY1 -PB3 按下是低电平
KEY2 -PB2 按下是低电平
外接LED灯模块：
LED1-PB4 低电平亮
LED2-PB5 低电平亮
硬件接线：
1 VCC 3.3V/5V 电源输入 ---->接3.3V
2 GND 地线 --->接GND
3 IIC_SDA IIC 通信数据线 -->PB6
4 IIC_SCL IIC 通信时钟线 -->PB7
5 MPU_INT 中断输出引脚 ---->未接
6 MPU_AD0 IIC 从机地址设置引脚-->PA15
AD0引脚说明：ID=0X68(悬空/接 GND) ID=0X69(接 VCC)
注意：陀螺仪初始化的时候，必须正常摆放才可以初始化成功
这是通过杜邦线接好模块后的效果图：
6.2 keil工程截图
6.3 原理图
下面是绘制的原理图。
6.4 MQTT协议实现代码以及MQTT参数
SIM800C本身没有内置MQTT协议指令，只有TCP通信的指令，需要自己封装MQTT协议，然后通过TCP通信的相关指令完成云端服务器连接，实现数据交互。
下面这份代码是MQTT协议的参数定义，程序里为了方便修改，采用宏定义方式赋值这些参数。
//华为物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "GPS1_0_0_2022060716"
#define MQTT_UserName "GPS1"
#define MQTT_PassWord "27a2d2dd716fac29a0041beec1d7cf5f5b529fac65cc815c7eed9adb04d7364b"
//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC "$oc/devices/GPS1/sys/messages/down" //订阅
#define POST_TOPIC "$oc/devices/GPS1/sys/properties/report" //发布
这是封装的几个MQTT协议核心函数:
/*
函数功能: 登录服务器
函数返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
u8 i,j;
int ClientIDLen = strlen(ClientID);
int UsernameLen = strlen(Username);
int PasswordLen = strlen(Password);
int DataLen;
mqtt_txlen=0;
//可变报头+Payload 每个字段包含两个字节的长度标识
DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
//固定报头
//控制报文类型
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10; //MQTT Message Type CONNECT
//剩余长度(不包括固定头部)
do
{
u8 encodedByte = DataLen % 128;
DataLen = DataLen / 128;
// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
if ( DataLen > 0 )
encodedByte = encodedByte | 128;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
}while ( DataLen > 0 );
//可变报头
//协议名
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Protocol Name Length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // Protocol Name Length LSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M'; // ASCII Code for M
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q'; // ASCII Code for Q
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T
//协议级别
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // MQTT Protocol version = 4 对于 3.1.1 版协议，协议级别字段的值是 4(0x04)
//连接标志
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2; // conn flags
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Keep-alive Time Length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100; // Keep-alive Time Length LSB 100S心跳包 保活时间
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
mqtt_txlen += ClientIDLen;
if(UsernameLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen); //username length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen); //username length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
mqtt_txlen += UsernameLen;
}
if(PasswordLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen); //password length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen); //password length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
mqtt_txlen += PasswordLen;
}
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
return 1;
}
6.4 MPU6050.c代码
这是MPU6050陀螺仪的核心驱动代码，方便检测老人的姿态，判断是否摔倒。 因为文章发表的字数限制问题，无法贴出代码，代码后面整理了通过附件上传。
6.5 GPS.c代码
接收GPS数据之后进行解析，得到经纬度，方便上传到物联网云平台。
#include "gps.h"
/*
函数功能：从buf里面得到第cnt个逗号所在的位置
返 回 值：0~254,代表逗号所在位置的偏移.
255,代表不存在第cnt个逗号
*/
u8 GPS_GetCommaOffset(char *buf,u8 cnt)
{
char *p=buf;
while(cnt)
{
if(*buf=='*'||*buf<' '||*buf>'z')return 255;//遇到'*'或者非法字符,则不存在第cx个逗号
if(*buf==',')cnt--;
buf++;
}
return buf-p; //计算偏移量
}
/*
函数功能: 获取GPS经纬度数据值
函数参数:
double *Longitude :经度
double *latitude :纬度
返回值: 0表示定位成功,1表示定位失败
说明: 解析$GPRMC命令，得到经纬度
$GNRMC,023705.000,A,2842.4164,N,11549.5713,E,1.73,91.65,150319,,,A*41
转换公式示例:
经度： dddmm.mmmm 东经 11408.4790 114+(08.4790/60)=114.141317
纬度： ddmm.mmmm 北纬 2236.9453 22+(36.9453/60)= 22.615755
中科微返回的数据
$GNRMC,144435.000,A,2942.1201,N,10636.6466,E,1.50,64.42,190422,,,A*40
*/
u8 GPS_GPRMC_Decoding(u8 *gps_buffer,double *Longitude,double *latitude)
{
u8 Offset;
u32 int_data;
double s_Longitude,s_latitude;
char *p;
/*1. 确定下定位是否成功*/
p=strstr((char*)gps_buffer,"$GNRMC");
if(!p)return 1;
Offset=GPS_GetCommaOffset(p,2);
if(Offset==255)return 2;
if(*(p+Offset)!='A')return 3; //定位不准确
/*2. 得到纬度*/
Offset=GPS_GetCommaOffset(p,3);
if(Offset==255)return 4;
sscanf(p+Offset,"%lf",&s_latitude);
s_latitude=s_latitude/100;
int_data=s_latitude;//得到纬度整数部分
s_latitude=s_latitude-int_data;//得到纬度小数部分
s_latitude=(s_latitude)*100;
*latitude=int_data+(s_latitude/60.0); //得到转换后的值
/*3. 得到经度*/
Offset=GPS_GetCommaOffset(p,5);
if(Offset==255)return 5;
sscanf(p+Offset,"%lf",&s_Longitude);
s_Longitude=s_Longitude/100;
int_data=s_Longitude;//得到经度整数部分
s_Longitude=s_Longitude-int_data; //得到经度小数部分
s_Longitude=s_Longitude*100;
*Longitude=int_data+(s_Longitude/60.0);
return 0;
}
7. 上位机APP开发
为了方便查看地图位置，轨迹等信息，当前采用QT编写了一个配套的上位机，通过华为云IOT的应用侧开发接口，获取设备的影子数据，然后再调用百度地图进行显示目标位置。
接下来就介绍上位机软件的开发流程。
7.1 安装Qt开发环境
Qt是个跨平台的C++开发框架，一份代码支持在不同系统平台编译运行。支持Android、IOS、Windows、Linux等平台。
目前我使用的开发环境是：QT 5.12.6 ,其他版本也可以的。
QT5.12.6的下载地址：https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/
打开下载链接后选择下面的版本进行下载：
qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details
软件安装时断网安装，否则会提示输入账户。安装的时候，第一个复选框里勾选一个mingw 32编译器即可，其他的不管默认就行，直接点击下一步继续安装。
如果只是在windows下开发，最简单的安装就只选择 MinGW编译器即可，其他的编译器不用勾选。
7.2 应用侧开发接口文档
帮助文档地址: 数据上报_设备接入 IoTDA_用户指南_消息通信_华为云
当前我这个应用主要是读取设备上传的GPS数据即可，要得到数据有两种方式：
【1】读取设备影子数据，也就是获取设备上传到服务器之后的历史数据（非实时数据）就是设备最后一次传上来的数据，获取影子数据，不需要关心设备是否在线都可以获取。
我这里GPS获取是获取的影子设备数据，也就是得到设备最后一次上传的数据。
地址：查询设备影子数据_设备接入 IoTDA_API参考_应用侧API参考_设备影子_华为云
【2】（查询设备属性）读取实时数据，如果需要设备立即发布当前的数据上来，可以发送同步指令给设备，设备端需要编写解析指令的代码，收到指令后设备根据格式回应数据回来。这种同步实时数据需要设备保持在线才可以响应指令。 具体的使用场景可以根据自己需求设计。
通过查询属性的接口，可以主动请求获取设备详细属性。
文档地址：查询设备属性_设备接入 IoTDA_API参考_应用侧API参考_设备属性_华为云
7.3 创建IAM账户
这一步很重要，在开发上位机时，需要调用应用侧的一些接口，这些接口都需要带上token登录密匙。而token登录密匙的生成需要IAM账户才获取。
地址：https://console.huaweicloud.com/iam/?region=cn-north-4#/iam/users
7.4 实现代码
下面贴出请求接口的核心代码。
/*
功能: 获取token
*/
void Widget::GetToken()
{
//表示获取token
function_select=3;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
.arg(SERVER_ID);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));
//构造请求
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);
//发送请求
manager->post(request, text.toUtf8());
}
//获取影子设备数据
void Widget::on_pushButton_addr_clicked()
{
//表示影子设备数据获取
function_select=0;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iotda.%1.myhuaweicloud.com/v5/iot/%2/devices/%3/shadow")
.arg(SERVER_ID)
.arg(PROJECT_ID)
.arg(Device_id);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json"));
//设置token
request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);
//构造请求
url.setUrl(requestUrl);
request.setUrl(url);
//发送请求
manager->get(request);
}
主要贴出2个比较重要的函数，一个获取token，一个查询设备影子数据。
8. 华为云IOT微认证(3折微认证活动月)
目前华为云IoT开启了3折微认证活动月，华为云微认证提供一站式在线学习、实验与考试，零基础也可学习前沿技术知识，快速上手实战开发，获得场景化的技能提升！
即日起，报名活动即可参与抽奖，认证即送礼品，成团更送价值好礼！不仅带你考取权威证书，0基础入门物联网开发，还可带走华为手环、耳机等豪华礼品！
【活动时间】2022年5月17日-2022年6月17日
活动报名: IoT物联网3折微认证活动_开发者-华为云