基于A(yíng)rduino的遠程定位生理參數監測系統設計

　　2.1 生理參數測量模塊

　　脈搏測量常用方法有：從心電信號中提取、通過(guò)血壓測量獲取、光電容積法。前兩種方法提取信號都會(huì )限制病人的活動(dòng)，如果長(cháng)時(shí)間使用會(huì )增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測量作為監護測量中最普遍的方法之一，其具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)^[8]。本系統采用PulseSensor網(wǎng)站設計的開(kāi)源脈搏傳感器。該傳感器帶有放大和消噪功能，測量時(shí)可直接戴在手指、或夾在耳朵上，供電電壓為3~5V，輸入信號為模擬量;實(shí)驗利用開(kāi)源的Arduino下位機程序和Processing上位機程序，可以方便的顯示脈搏波形，便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā);此外，該傳感器上外接一個(gè)LED，通過(guò)光強的變化顯示脈搏的快慢。該傳感器提供三個(gè)接線(xiàn)端，分別為電源、模擬信號輸入、地。如圖3所示，其硬件電路只需將信號線(xiàn)接ADC采集接口，接通電源和地，就可進(jìn)行采集，采用采集頻率為500Hz。

　　呼吸頻率測量模塊選取靈敏度高的熱電阻Pt1000傳感器進(jìn)行呼吸頻率信號的獲取，其原理是人體呼吸時(shí)，呼吸氣體之間會(huì )存在溫差，把熱敏電阻置于鼻孔出口處，其阻值將隨呼吸的周期形成呼吸波，一分鐘呼吸波的個(gè)數即為呼吸頻率值。行走狀態(tài)傳感模塊采用能提供三維加速度的集成傳感器ADXL345，其原理是當人在行走和靜止時(shí)，垂直加速度為1g，前后左右加速度為0;當人體在跌倒時(shí)大部分是前后或側向跌倒，將導致前后左右加速度短時(shí)間內發(fā)生巨大變化。一方面，Arduino提供了ADXLxx開(kāi)源設計;另一方面，具有串行SPI和I2C兩種通訊操作模式， ADXL345與Arduino之間采用I²C通信。ADXL345符合標準的I²C總線(xiàn)規范，支持逐個(gè)字節和連續字節讀取，其數據傳輸可以采用100kHz的標準模式或400kHz的快速模式。在快速模式下，采用連續讀取可以保證數據輸出的一致性，從而提高系統的準確性。此外，ADXL345可以依靠?jì)炔考傻囊粋€(gè)FIFO存儲器管理系統，對輸出數據進(jìn)行緩沖處理，降低CPU的負荷以及整個(gè)系統的能耗^[9]。如圖3所示，設置ADXL345使用I²C通信方式，設置CS為高電平。

　　2.2 MXTOS2-200導航與GSM通信模塊

　　衛星定位的基本思想是在一個(gè)三維坐標系中，確定一個(gè)點(diǎn)A(X0，Y0，Z0)，可以通過(guò)其他三個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)三元二次方程組來(lái)求出此坐標點(diǎn)，從而得到該位置的準確定位。接收機是實(shí)現衛星導航最常見(jiàn)的用戶(hù)終端設備之一，其原理是通過(guò)接收可見(jiàn)衛星的信號來(lái)獲取信息，并通過(guò)相應算法處理得到當前載體位置、速度、時(shí)間，以及衛星狀況等信息，實(shí)現有效的導航定位功能^[10]。Arduino平臺提供了支持GPS庫函數以及GPS的設計方案，系統采用北京時(shí)代民芯有限公司的具有GPS和BD-2雙模導航功能的MXTOS2-200接收機板卡可以很好的與其對接。此板卡是射頻前端、基帶處理、定位軟件、配套接口的高度集成，具有低功耗、小體積、高可靠、高性能等特點(diǎn)，可實(shí)現 GPS/ BD-2 單模、雙模靈活定位模式^[11]，有兩個(gè)串口支持4800~115200bps，默認為串口0輸出。MXTOS2-200 從天線(xiàn)輸入到串行輸出的整個(gè)信號處理鏈包含在一個(gè)單獨的模塊當中。其數值基帶主要包括AD采樣，信號捕捉，信號跟蹤和信號處理四個(gè)部分。GPS信號通過(guò)串口讀取，因此只需將信號線(xiàn)接CPU的RXD就可獲取GPS信號。

　　系統無(wú)線(xiàn)通信采用具有多種工作頻帶的GSM模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于GSM可以提供更高的數字語(yǔ)音質(zhì)量和替代呼叫的低成本的新選擇(短信);此外，Arduino平臺提供了支持GSM庫函數以及GSM的設計方案。新一代無(wú)線(xiàn)通信M10具有超低功耗和寬工作溫度范圍，為M2M應用提供了完善的GSM/GPRS短信、數據傳輸及語(yǔ)音服務(wù)，是M2M理想解決方案，適用于車(chē)載、個(gè)人跟蹤、無(wú)線(xiàn)POS、智能計量、安防。M10可以工作在850/900/1800/1900MHz四頻段，具有正常、關(guān)機、最小功能、鬧鈴等四種模式，上下行最大傳輸速率可達到85.6kbps。本系統主要應用GSM的短信功能，設計中接線(xiàn)只需將GSM_TX/GSM_RX/Modern_res連接到單片機串口相連(RXD/TXD)即可，如圖3所示。其中，GSM_TX/GSM_RX用于收發(fā)信息，Modern_res用于模式選擇。如果要使用語(yǔ)音功能，需在外圍配備喇叭和咪頭用于語(yǔ)音信號的輸出與輸入。在使用過(guò)程中，由于本設計只涉及到GSM發(fā)送短信息的功能，因此，只需將GSM_TX接單片機的RXD即可，Modern_res接入接口用于模式設置。