基于SC89F5162多傳感數據融合的老人生理智能監控預警系統

一、項目設計背景及概述

當前，人口老齡化已成為當今世界的一個(gè)突出的社會(huì )問(wèn)題。世界衛生組織指出，在全世界190多個(gè)國家和地區中，有60 多個(gè)已進(jìn)入老年型社會(huì )。老年人健康的最大威脅--心血管疾病引起的死亡人數，占全球死亡人數的三分之一。各種心血管疾病在發(fā)病前都會(huì )有相應的征兆，而通過(guò)觀(guān)測病人的生理參數數據是能夠發(fā)現這些征兆的，因此設計一種可以監測主要生理參數并兼有報警功能的醫療儀器，將為預防和治療各種突發(fā)性疾病提供一種新的手段。目前，生理參數監測設備大多用于醫院監護室、養老院等，可對病人或老年人的重要生理參數作實(shí)時(shí)、連續和長(cháng)時(shí)間的監護，有些監護設備還帶有一定的本地報警功能。但其在遠程無(wú)線(xiàn)報警功能方面卻略顯匱乏，不支持手機短信報警功能.本監護系統在擁有準確的監測功能的同時(shí)又有手機GPRS報警功能，可在日常家庭中使用，滿(mǎn)足老年人對此類(lèi)儀器的需求。

二、項目設計原理

1、原理概述

該系統通過(guò)外部的火焰傳感器、加速度傳感器、心跳傳感器來(lái)獲取老人身邊是否存在火源，是否摔跤，心跳是否正常等數據，系統一旦檢測到外部傳感器出現異常，將利用外部的GPS、GSM/GPRS模塊將老人的位置信息以及心跳等數據利用GSM/GPRS模塊發(fā)送給他們的親人。使得子女及時(shí)獲取老人的信息。

傳統的養老系統只能監視老人在家的生活狀況無(wú)法獲取當老人在外時(shí)的信息，而該系統集成有GPS模塊，使得人老一旦出現事故可以及時(shí)確定其位置并利用GSM/GPRS模塊發(fā)送信息通知其家屬。并且傳統的養老監護系統只能檢測一項數據是否正常例如心跳，無(wú)法獲取多個(gè)檢測數據，而我們設計的這個(gè)系統可以實(shí)現多傳感組網(wǎng)多數據的融合即可以把火焰傳感器、加速度傳感器、心跳傳感器測得的數據和GPS獲得的位置信息實(shí)現融合，一起發(fā)送出去。該設計輕便小巧，生產(chǎn)成本低廉、功能完善，完全可以滿(mǎn)足那些“子欲養而親不在”的子女的心愿。

2、硬件原理概述

A、核心控制器：本課題采用深聯(lián)華自主研發(fā)型號為SC89F5162的一款高速高效率8051兼容單片機。在同樣振蕩頻率下，較之傳統的8051芯片它具有運行更快速，性能更優(yōu)越的特性。SC89F5162保留了標準8051芯片的大部分特性，這些特性包括內置256字節RAM和2個(gè)16位定時(shí)器/計數器，1個(gè)UART和外部中斷INT0 和INT1。此外，SC89F5162還集成外置1024字節RAM，可兼容8052芯片的16位定時(shí)器/計數器(Timer2)。該單片機還包括適合于程序和數據的 62K字節Flash存儲器。SC89F5162不僅集成了如EUART，SPI等標準通訊模塊，此外還集成了具有內建比較功能的ADC，PWM定時(shí)器以及模擬比較器(CMP)等模塊。為了達到高可靠性和低功耗， 內建看門(mén)狗定時(shí)器，低電壓復位功能，低電壓檢測功能和振蕩器失效檢測功能。 此外 還提供了2種低功耗省電模式。

B、加速度傳感器測摔倒原理：人體加速度可看作一個(gè)三維矢量，用直角坐標系的三個(gè)軸來(lái)表示，其中令X軸表示前后方向，Y表示左右方向，Z表示豎直方向。這里首先引入加速度的信號向量模SVM(MagnitudeofSignal Vector)的概念，式(1)：

　(1)

當發(fā)生跌到時(shí)，在觸地前，由于身體失重，其SVM在時(shí)域上表現為一個(gè)谷;在觸地的整個(gè)過(guò)程中，由于地面等的沖擊，人體的加速度必然發(fā)生較劇烈的突變，其SVM在時(shí)域上表現為一個(gè)峰。跌倒信號時(shí)域體現明顯的SVM，在跌倒處有明顯沖擊，如下圖所示。對于這種情況，通過(guò)時(shí)域的閾值判斷可以很好地探測出跌倒的發(fā)生。

C、火焰傳感器原理：由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質(zhì)以及無(wú)機物質(zhì)為主體的高溫固體微粒構成的?；鹧娴臒彷椛渚哂须x散光譜的氣體輻射和連續光譜的固體輻射。不同燃燒物的火焰輻射強度、波長(cháng)分布有所差異，但總體來(lái)說(shuō)，其對應火焰溫度的近紅外波長(cháng)域及紫外光域具有很大的輻射強度，根據這種特性可制成火焰傳感器。

本課題采用的是火焰傳感器模塊，此模塊已經(jīng)嵌入LM393比較器，模塊可以直接輸出電平信號(5V或0V)，方便模塊與單片機IO口直接相連。下圖即為用示波器顯示的輸出波形。

D、GPS模塊：全球定位系統GPS(Global Positioning System)是美國新一代衛星導航系統，可為用戶(hù)提供一種全球性、全天候、連續的衛星無(wú)線(xiàn)電導航系統，可提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息。GPS接收機通過(guò)接收其視線(xiàn)內的任意幾顆衛星播發(fā)的導航信息，換算出自身的位置和時(shí)間信息。

本課題采用的是型號為ATK-NEO-6M-V12的一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線(xiàn)，并自帶可充電后備電池(以支持溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時(shí)左右的GPS接收數據保存)。下圖顯示了本模塊和U-center軟件之間的通信，以得到定位信息。

E、脈搏傳感器：外脈搏傳感器利用了特定波長(cháng)紅外線(xiàn)對血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化的敏感的特性，檢測由于心臟的跳動(dòng)，引起手指指尖的血容積發(fā)生相應的變化信號。經(jīng)過(guò)信號放大、調理等電路處理。輸出反應指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號。該紅外脈搏傳感器主要用于臨床上脈率的測量、監測和脈搏波的病理分析。

F、GSM/GPRS通信模塊：本課題采用SIMCom推出新款緊湊型產(chǎn)品SIM900A. 它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，SIM900A僅適用于中國市場(chǎng)，其性能穩定，外觀(guān)精巧，性?xún)r(jià)比高，能滿(mǎn)足多種設計需求。SIM900A采用工業(yè)標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現語(yǔ)音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設計。

3、軟件設計原理

本課題的軟件設計分為2部分，一、單片機程序設計：基于子系統功能而設計的單片機驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil4，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言用C語(yǔ)言。單片機的驅動(dòng)程序用到了SC89F5162的S輸入/輸出(I/O)準雙向模式、增強型通用異步收發(fā)器(EUART)和模/數轉換器(ADC)等特色功能。

增強型通用異步收發(fā)器(EUART)設計原理：EUART首先將接收到的并行數據轉換成串行數據來(lái)傳輸。消息幀從一個(gè)低位起始位開(kāi)始，后面是5~8個(gè)數據位，一個(gè)可用的奇偶位和一個(gè)或幾個(gè)高位停止位。接收器發(fā)現開(kāi)始位時(shí)它就知道數據準備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時(shí)鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數據位后面加上奇偶位。奇偶位可用來(lái)幫助錯誤校驗。在接收過(guò)程中，UART從消息幀中去掉起始位和結束位，對進(jìn)來(lái)的字節進(jìn)行奇偶校驗，并將數據字節從串行轉換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號來(lái)指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個(gè)奇偶錯誤，UART就置位奇偶標志。由此原理合理的配置EUART的相關(guān)寄存器和設置參數。

模/數轉換器(ADC)軟件設計原理：SC89F5162包含一個(gè)單端型、 10位逐次逼近型模數轉換器(ADC)。ADC內建的基準電壓VREF直接和VDD相連，用戶(hù)也可以選擇VREF端口輸入基準電壓。8個(gè)ADC通道都可以獨立輸入模擬信號，但是每次轉換只能使用一個(gè)通道。GO/DONE信號控制開(kāi)始轉換，提示轉換結束。當轉換完成時(shí)，更新ADC數據寄存器與此同時(shí)，設置ADCON寄存器中的ADCIF位，并且產(chǎn)生一個(gè)中斷(如果允許ADC中斷)。ADC模塊整合數字比較功能可以比較ADC中的模擬輸入的值與數字值。如果允許數字比較功能(在A(yíng)DCON寄存器中的EC位置1)，并且ADC模塊使能 (在A(yíng)DCON寄存器中的ADON位置1)，只有當相應的模擬輸入的數字值大于或等于寄存器中的比較值(ADDH/L)時(shí)，才會(huì )產(chǎn)生ADC中斷。當GO/DONE置1時(shí)，數字比較功能會(huì )持續工作，直到GO/DONE清0。這一點(diǎn)與模數轉換工作方式不同。帶數字比較功能的ADC模塊能在Idle模式下工作，并且ADC中斷能夠喚醒Idle模式。但是，在Power-Down模式下，ADC模塊被禁止。由此原理合理的配置ADC的相關(guān)寄存器和設置參數。

三、項目設計框圖

1、硬件設計框圖

2、軟件設計框圖

系統總體程序設計流程圖：

基于GPS芯片的位置獲取子系統程序流程圖：

GSM/GPRS通信子系統程序流程圖：

四、測試結果

本系統的測試分為總系統測試和子系統測試，詳見(jiàn)測試視頻。網(wǎng)址為：http://pan.baidu.com/s/1i30t1e1。