基于TTGOT-Watch的防丢智能设备系统设计

基于TTGO T-Watch的防丢智能设备系统设计
发布时间：2021-05-10T07:28:47.943Z 来源：《中国科技人才》2021年第7期作者：何委静1 陈延寿1 曾绍庚123* 欧雄豪1 吴奕翰1
[导读] 产品设计包括穿戴式设备“儿童防丢失手环”和与其关联APP“手环监管应用”两部分。

“儿童防丢失手环”可对穿戴者的体温、心率和位置变化进行实时监测并保存到“手环监管应用”。

1. 岭南师范学院信息工程学院广东湛江 524048
2. 广东省特殊儿童发展与教育重点实验室广东湛江 524048
3. 广东高等学校数字化学习工程技术开发中心广东湛江 524048
摘要：关注儿童成长、保护儿童安全是每个家庭的责任与义务,同样也是全社会的责任与义务。

在关注儿童成长过程中,防止儿童走失、走失儿童及时被找回可谓基础环节。

因此，设计一款全面有效的，能够实时监测儿童各项数据的儿童防丢失手环显得尤为重要。

本文设计的“儿童防丢失手环”及其关联APP“手环监管应用”基于Arduino–ESP32的TTGO T-Watch开发，应用温度传感器、脉搏传感器、“GPS+北斗“双模定位模块和蓝牙通信模块进行一体化开发。

“儿童防丢失手环”可对穿戴者的体温、心率和位置变化进行实时监测并保存到“手环监管应用”。

实验表明，“手环监管应用”可实时查看儿童的体温、心率，穿戴者的当前手环佩戴情况，当前位置信息以及查询其历史出行轨迹。

引言：产品设计包括穿戴式设备“儿童防丢失手环”和与其关联APP“手环监管应用”两部分。

“儿童防丢失手环”可对穿戴者的体温、心率和位置变化进行实时监测并保存到“手环监管应用”。

“手环监管应用”可实时查看儿童的体温、心率，穿戴者的当前手环佩戴情况，当前位置信息以及查询其历史出行轨迹。

监管人可以在“手环监管应用”上通过设定报警距离限制儿童的活动范围区域，当儿童超过该设定活动范围区域时，APP将向监管人提示儿童丢失的报警信息。

图1
1.产品设计总案：
1.1系统功能设计：
该“儿童防丢失手环”基于Arduino–ESP32的TTGO T-Watch开发，应用温度传感器、脉搏传感器、“GPS+北斗“双模定位模块和蓝牙通信模块进行一体化开发。

手环采集的携带者体温、心率、位置信息数据将通过MQTT通信协议在服务器与Android之间进行发布和订阅。

系统功能设计如图所示：
1.2硬件模块设计
1.2.1蓝牙测距模块：手环与手机成功建立蓝牙连接后，监管人可在手机APP上设定手机与手环之间的检测距离。

HC-05蓝牙传输模块可用于短距离的交互通信,其结构简单、成本较低、操作性强,可广泛应用于无线通信领域。

当儿童携带手环超过此检测距离时，APP自动触
发儿童丢失报警以提示监管人的儿童已丢失，同时儿童携带手环会触发蜂鸣器报警声响，借此告知监管人儿童的所在地。

蓝牙测距模块工作流程如图所示：
1.2.2体温、心率检测模块：手环与手机成功建立基于MQTT协议的网络通信后，手环将自动初始化体温、心率传感器，并通过重传机制判断数据传输是否正常，若不正常则进行差错检测。

在数据传输确保正常后，体温传感器检测手环携带者的体温数据，若超过37.5°则会触发APP的体温异常报警；脉搏传感器检测手环携带者的心率数据，若心率
小于60/分钟或大于100/分钟，APP将触发心率异常报警。

体温、心率检测模块工作流程如图所示：
图2
图3 图4
1.2.3GPS定位模块：手环使用超宽带定位技术。

超宽带技术(UWB ,Ultra Wide Band)是一种新型的、与传统通信技术有着极大差异的无线通信技术，解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,具有对信道衰落不敏感﹑系统复杂度低等优点。

超宽带定位在早期被用来应用在近距离高速数据传输近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。

目前超宽带定位中最常用的方法是到达时间差( TDOA),即通过测量信号到达监测站的时间,可以确定信号源的距离。

利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心距离为半径作圆),通过三边测量算法就能确定信号的位置。

手环与手机成功建立基于MQTT协议的网络通信后，通过GPS定位模块与北斗卫星建立的通信通道，获得手环携带者当前的地理位置（经纬度、海拔高度）。

手环携带者所在地理位置信息通过MQTT协议将数据上报至手机APP，借助地图引擎服务在APP地图上显示当前手环携带者的具体坐标位置，并以一定时间周期记录手环携带者的历史运动轨迹。

GPS模块工作流程如图所示：
1.2.4外形设计
图6：手表外形设计图
1.3 软件设计
1.3.1在软件设计方面，本文采用网页和手机app两种控制方式，网页方面主要采用HTML5，CSS，JavaScript，PHP语言进行开发，app 方面主要采用java进行开发。

通过MQTT通信协议在服务器实现对穿戴者的体温、心率和位置变化进行实时监测，在网页和手机app上显示，同时，用户对网页或手机app输入的指令也能实时传送至手表终端，实现对手表的远程控制。

结语
本文是给予TTGO-watch开源硬件平台设计的一款“儿童放丢失”智能手环，目的是为用户的健康和人身安全提供全周期和全方位的服务，本款
智能手表通过相关传感器，对用户的提问、血压、心率、血氧饱和度、心电等进行数据采集，经5G NB-IoT模块将信息传输到用户终端，同时运用北斗/GPS双模定位系统精确定位，LoRa模块实现TOF测距，我们还将通过样品参数评估与多维度数据分析，对项目进行迭代开发，有利于项目进程的推进。

双模定位系统与5G NB-IoT结合可提高传输数据速度，提高定位精确度，增强抗干扰能力，LoRa模块可实现无网测距，将于平常愈来愈网络测距的方法显然安全性更高。

参考文献：
[1]孙振,徐昌庆.一种NB-IoT高精度定位技术.信息技术.2020(11)
[2]Yuanyuan Liao,Liao Yuanyuan,Liu Shuxian.Research on Key Technologies of Smart Logistics Dynamic Positioning Based on NB-IOT.2020(08)
[3]刘朋.LoRa通信技术在差分GPS中的应用研究.电信技术.2018(10).
[4]幸进,李梦婕,方勇,朱轶群.LoRa通信技术的研究与应用[J]. 设备管理与维修. 2018(01)
[作者简介] 何委静（2000?），女，广东茂名。

本科在读，主要从事物联网技术研究。

曾绍庚（1981—）为通讯作者，男，湖南醴陵人。

硕士研究生，主要从事计算机应用和物联网技术研究。

基金资助：2020年广东省省级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：S202010579022。

2021年广东省科技创新战略专项资金（大学生科技创新培育）立项项目，项目编号：pdjh2021a0302。