使用ESP32 + HaaS Python打造运动心率检测系统云上实时守护运动健康

Posted 2022-04-18 HaaS技术社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了使用ESP32 + HaaS Python打造运动心率检测系统云上实时守护运动健康相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

当今社会，人们经常通过跑步等运动方式来健身。适量的运动可以提高免疫力，促进身心健康。然而，无论是跑步，还是其他的健身运动，如果运动过量就会对身体造成损害，甚至导致休克、猝死等严重后果。

心率是判断运动是否过量的重要指标，心率检测系统使用方便的设备，可以实时检测心率，动态的在网页上显示心率值和心电图，共运动者参考，并在心率过快（超过设定的阀值）时通过报警提醒运动者注意防护。

本课程介绍如何打造一个心率检测系统。

心率是人每分钟心跳的次数，一般人在安静的情况下为 60～100次每分钟。运动情况下人的心跳会加速，此时称为运动心率，一般为100～150次每分钟，如果超过150次/分钟，人会出现胸闷，心悸情况需要停下休息。

一般人运动时心率的控制可参考以下公式：

（220─现在年龄）×0.8=最大运动心率
（220─现在年龄）×0.6=最小运动心率

为了检测心率之，本场景的示意图如下图所示，场景设计的行为如下：

通过心率传感器测量心率的大小
当心率在控制范围内时绿灯按照心率值闪烁
当心率低于最小运动心率时蓝灯按照心率值闪烁
当心率高于最大运动心率时红灯按照心率值闪烁并打开蜂鸣器发出警报

准备

本案例需要如下硬件：

ESP32一台
MK002508心率传感器一个
RGB三色LED灯一个
Micro-USB数据线一条
蜂鸣器一个
杜邦线若干

硬件连线图

硬件连线图如下图所示：

物联网平台开发

开通公共实例

对于第一次使用物联网平台的读者，需要开通实例以使用物联网平台的功能。这里可以使用免费的公共实例进行开发。

在物联网平台中，左上角选择“华东2-上海”，点击“公共实例”，即可开通。

开通物联网平台功能之后，需要完成下面的4个步骤完成云端设备的设定：

创建云端产品
创建产品属性（物模型）
创建云端设备（获取三元组）
多设备场景联动设定

创建云端产品

点击上图中的“公共实例”，即可进入控制台进行产品创建。然后，点击创建产品按钮，如下图所示。

在新建产品设定页面按照下图所示，设定“产品名称”，选择所属的“自定义品类”，节点类型选择“直连设备”，联网方式选择“Wi-Fi”，数据格式选择“ICA标准数据格式”，检验类型和认证方式选择默认设定即可。还可以根据开发者自己的需求在“产品描述”页面添加针对此产品的描述。

选择之后，点击“确认”按钮，即可完成产品创建。返回“产品”页面之后可以看到产品类表中会出现刚刚创建的“心率检测装置”的产品，如下图所示。

创建产品属性（物模型）

点击上图中的“查看”按钮，即可看到产品信息，Topic列表，功能定义，数据解析等跟产品相关功能的设定。点开“功能定义”标签页，可以看到设备物模型定义。

标识符是设备端上报设备属性状态的消息中需要使用的标识符,并且只有在设备上报的属性内容符合“数据定义”中的数据取值范围的时候才会被物联网平台记录,否则会被物联网平台认定为非法属性而过滤掉。

本节我们选择创建自定义物模型的方式来创建此系统需要的物模型信息，点击上图中的”编辑草稿“按钮。然后按照下图的步骤，选择添加自定义功能。

然后按照下图分别选择“心率大小”和“蜂鸣器”属性添加。

心率大小

蜂鸣器

产品及其物模型创建完成后，此时点击“发布”按钮，按照系统提示一步一步进行下去就可以将刚刚创建的物模型属性发布到产品中.

创建云端设备（获取三元组）

在产品列表页面中，点击“管理设备”，就会进到设备管理页面。

在“设备”页面点击“添加设备”按钮，如下图所示。

在“添加设备”页面中设定“deviceName”，这里开发者可以自己填入自己想设定的设备名称，也可以不填任何内容让系统自动生成设备名称，如下图所示。

设备添加完成后，点击“查看”按钮，就可以看到此设备端详细信息了。

设备信息中有两个信息需要和设备端开发相匹配：

三元组
物模型属性信息

获取设备三元组

如上图所示，点击“查看”按钮，就可以看到设备的三元组信息，三元组是物联网设备端和物联网云端设备相关联的唯一标识符，在设备端连接云端的时候会使用三元组信息和云端进行鉴权，鉴权通过之后云端会认为设备已激活并上线。

查看设备属性信息

设备详情信息页中的“物模型数据”标签页中可以看到设备的所有属性信息、设备时间上报情况及设备服务调用情况，如下图所示。待物联网设备按照设备属性对应的标识符上报设备属性的时候，本图片中的“心率大小”属性值就会显示设备最新的属性信息。

创建产品和设备的过程是按照面向对象的思想进行设计的，其中创建产品可以看成是新建一个类，其中的物模型则是类的对象，创建设备则是进行类的实例化。

云端物模型

在此产品的物模型中有1个bool类型的属性，命名为"蜂鸣器"，代表是否打开蜂鸣器。

多设备场景联动设定

控制逻辑有两种实现方式：

使用物联网平台的规则引擎功能
使用IoT Studio的业务逻辑功能

本节接下来就开始介绍使用物联网平台的规则引擎来完成此控制逻辑的设定。

按照下图所示的步骤创建场景联动的规则：

点击“创建规则”之后，填入场景规则名称，这里我们先创建第一个“心率过快开蜂鸣器”的规则。

规则创建完成后，等待几秒钟系统会自动跳转到规则编辑页面，这里需要配置如下两步完整一整条规则的创建：

设置“触发器”为心率检测系统的“心率大小"属性高于150时触发此规则的执行，如下图所示

设置“执行动作"为控制设备打开”蜂鸣器“属性

点击保存之后”心率过快开蜂鸣器“的场景联动规则就创建好了。

创建完规则之后，在”场景联动“页面中点击规则后面的启动按钮，则设定的规则就会运行起来。

设备端开发

开发环境

在进行下一步之前请确保ESP32开发环境已经搭建完毕。详情请参考esp32开发环境的说明。

创建解决方案

点击下图中的"快速开始"按键(

)会弹出HaaS Studio的欢迎页面，请点击“创建项目”按钮。

在随后弹框中，设定好项目名称（“heartrate_detector”）及工作区路径之后，硬件类型选择nodemcu32s，点击“立即创建”，创建一个Python轻应用的解决方案。

下载设备端代码并解压，将解压后的所有脚本覆盖heartrate_detector工程目录下的原有文件。其中main.py脚本的内容如下图所示：

然后对main.py里边的内容后需要完成以下三处代码修改。

Python脚本的详细说明请参考脚本内嵌的文字版注释

修改路由器名称及密码 修改heartrate_detector工程里main.py中wifiSsid和wifiPassword的值为读者实际要连接的路由器的名称及密码（请注意名称和密码都需要放在""符号中间）。

# Wi-Fi SSID和Password设置
wifiSsid = "请填写您的路由器名称"
wifiPassword = "请填写您的路由器密码"

修改完成之后get_wifi_status函数中的wlan.connect(wifiSsid, wifiPassword)语句就会连接读者自己设定的路由器。

修改设备端三元组

修改heartrate_detector工程里main.py中productKey、deviceName和deviceSecret的值为读者创建的物联网设备的三元组信息，如下图所示：

# 三元组信息
productKey = "产品密钥"
deviceName = "设备名称"
deviceSecret = "设备密钥"

修改设备端上报心率大小所用标识符

heartrate_detector工程里main.py中下面的代码实现的是上传心率大小到云端的功能。其中HeartRate便是心率大小上报时所用的标识符。

# 上传心率到物联网平台
def upload_heartbeat():
    global device, heartbeatdev
    while True:
        # 生成上报到物联网平台的属性值
        value = getBPM()
        prop = ujson.dumps(
            'HeartRate': value
            )
        print('uploading data: ', prop)
        # 上传心率值到物联网平台
        upload_data = 'params': prop
        device.postProps(upload_data)
        utime.sleep(2)

确保这个标识符和物联网产品的物模型中属性标识符是一样的，如下图所示：

下面是本节添加的重点代码段落讲解：

新增一个变量用来控制蜂鸣器对应的GPIO

# 蜂鸣器控制变量
buzzeron =0

新增函数处理云端信息并控制GPIO的接口

# 设置props 事件接收函数（当云平台向设备下发属性时）
def on_props(request):
    global buzzeron
    payload = ujson.loads(request['params'])
    # 获取dict状态字段
    if "Buzzer" in payload.keys():
        buzzeron = payload["Buzzer"]
        if(buzzeron):
            print("打开蜂鸣器")
    buzzerobj.write(buzzeron)      # 控制蜂蜜器
    # 要将更改后的状态同步上报到云平台
    prop = ujson.dumps(
        'Buzzer': buzzeron,
    )
    upload_data = 'params': prop
    # 上报蜂鸣器属性到云端
    device.postProps(upload_data)

运行结果

推送此脚本到ESP32之后，运行此脚本，ESP32串口会周期性的打印如下日志。其中：

“物联网平台连接成功” 代表成功连接到物联网平台
"uploading data:"之后跟着的为设备端向云端发布的心率大小属性信息，其中HeartRate后面的数值为心率大小，单位：BPM。
设备端解析到云端送下来的控制指令包含“"Buzzer":1”之后会打印"打开蜂鸣器"并打开蜂鸣器

==== python file check /data/pyamp/main.py ====
 ==== python execute from /data/pyamp/main.py ====
voice inited!
led inited!
buzzer inited!
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
wifi_connected: False
('192.168.43.45', '255.255.255.0', '192.168.43.1', '192.168.43.1')
establish tcp connection with server(host='gv4cuThyf0j.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com', port=[443])
sleep for 1 s
sleep for 1 s
tcp_connect: can only connect from state CLOSED
success to establish tcp, fd=54
sleep for 1 s
物联网平台连接成功
sleep for 2s
sleep for 2s before start heartbeatsensor
heartbeat inited!
uploading data:  "HeartRate": 0
uploading data:  "HeartRate": 108.1081
uploading data:  "HeartRate": 108.2056
uploading data:  "HeartRate": 113.0476
uploading data:  "HeartRate": 133.6303
uploading data:  "HeartRate": 167.364
打开蜂鸣器
uploading data:  "HeartRate": 159.7869
打开蜂鸣器
uploading data:  "HeartRate": 96.19239
uploading data:  "HeartRate": 94.71192
uploading data:  "HeartRate": 95.27591
uploading data:  "HeartRate": 94.45101
uploading data:  "HeartRate": 94.48819
uploading data:  "HeartRate": 94.78673
uploading data:  "HeartRate": 94.63722
uploading data:  "HeartRate": 95.42744

传感器默认返回心率230左右，将手指轻按在心率传感器上后，可测出实际心率。

开发板实际效果如下：