基于SC89F5162多傳感數(shù)據(jù)融合的老人生理智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

 一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

當(dāng)前，人口老齡化已成為當(dāng)今世界的一個(gè)突出的社會(huì)問題。世界衛(wèi)生組織指出，在全世界190多個(gè)國(guó)家和地區(qū)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(shù)，占全球死亡人數(shù)的三分之一。各種心血管疾病在發(fā)病前都會(huì)有相應(yīng)的征兆，而通過觀測(cè)病人的生理參數(shù)數(shù)據(jù)是能夠發(fā)現(xiàn)這些征兆的，因此設(shè)計(jì)一種可以監(jiān)測(cè)主要生理參數(shù)并兼有報(bào)警功能的醫(yī)療儀器，將為預(yù)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(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備大多用于醫(yī)院監(jiān)護(hù)室、養(yǎng)老院等，可對(duì)病人或老年人的重要生理參數(shù)作實(shí)時(shí)、連續(xù)和長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)護(hù)，有些監(jiān)護(hù)設(shè)備還帶有一定的本地報(bào)警功能。但其在遠(yuǎn)程無(wú)線報(bào)警功能方面卻略顯匱乏，不支持手機(jī)短信報(bào)警功能.本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在擁有準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)功能的同時(shí)又有手機(jī)GPRS報(bào)警功能，可在日常家庭中使用，滿足老年人對(duì)此類儀器的需求。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

1、原理概述

該系統(tǒng)通過外部的火焰傳感器、加速度傳感器、心跳傳感器來獲取老人身邊是否存在火源，是否摔跤，心跳是否正常等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)一旦檢測(cè)到外部傳感器出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)的養(yǎng)老系統(tǒng)只能監(jiān)視老人在家的生活狀況無(wú)法獲取當(dāng)老人在外時(shí)的信息，而該系統(tǒng)集成有GPS模塊，使得人老一旦出現(xiàn)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(tǒng)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)只能檢測(cè)一項(xiàng)數(shù)據(jù)是否正常例如心跳，無(wú)法獲取多個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，而我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多傳感組網(wǎng)多數(shù)據(jù)的融合即可以把火焰?zhèn)鞲衅?、加速度傳感器、心跳傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)和GPS獲得的位置信息實(shí)現(xiàn)融合，一起發(fā)送出去。該設(shè)計(jì)輕便小巧，生產(chǎn)成本低廉、功能完善，完全可以滿足那些“子欲養(yǎng)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(hào)為SC89F5162的一款高速高效率8051兼容單片機(jī)。在同樣振蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051芯片它具有運(yùn)行更快速，性能更優(yōu)越的特性。SC89F5162保留了標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的大部分特性，這些特性包括內(nèi)置256字節(jié)RAM和2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)UART和外部中斷INT0 和INT1。此外，SC89F5162還集成外置1024字節(jié)RAM，可兼容8052芯片的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(Timer2)。該單片機(jī)還包括適合于程序和數(shù)據(jù)的 62K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器。SC89F5162不僅集成了如EUART，SPI等標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，此外還集成了具有內(nèi)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(dá)到高可靠性和低功耗， 內(nèi)建看門狗定時(shí)器，低電壓復(fù)位功能，低電壓檢測(cè)功能和振蕩器失效檢測(cè)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(cè)摔倒原理：人體加速度可看作一個(gè)三維矢量，用直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸來表示，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(hào)向量模SVM(MagnitudeofSignal Vector)的概念，式(1)：

　(1)

當(dāng)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(xiàn)為一個(gè)谷;在觸地的整個(gè)過程中，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(xiàn)為一個(gè)峰。跌倒信號(hào)時(shí)域體現(xiàn)明顯的SVM，在跌倒處有明顯沖擊，如下圖所示。對(duì)于這種情況，通過時(shí)域的閾值判斷可以很好地探測(cè)出跌倒的發(fā)生。

C、火焰?zhèn)鞲衅髟恚河筛鞣N燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳?xì)湮镔|(zhì)以及無(wú)機(jī)物質(zhì)為主體的高溫固體微粒構(gòu)成的。火焰的熱輻射具有離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射。不同燃燒物的火焰輻射強(qiáng)度、波長(zhǎng)分布有所差異，但總體來說，其對(duì)應(yīng)火焰溫度的近紅外波長(zhǎng)域及紫外光域具有很大的輻射強(qiáng)度，根據(jù)這種特性可制成火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

本課題采用的是火焰?zhèn)鞲衅髂K，此模塊已經(jīng)嵌入LM393比較器，模塊可以直接輸出電平信號(hào)(5V或0V)，方便模塊與單片機(jī)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(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為用戶提供一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，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(jī)通過接收其視線內(nèi)的任意幾顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)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(hào)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，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(shù)據(jù)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(zhǎng)紅外線對(duì)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(cè)由于心臟的跳動(dòng)，引起手指指尖的血容積發(fā)生相應(yīng)的變化信號(hào)。經(jīng)過信號(hào)放大、調(diào)理等電路處理。輸出反應(yīng)指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號(hào)。該紅外脈搏傳感器主要用于臨床上脈率的測(cè)量、監(jiān)測(cè)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(guó)市場(chǎng)，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，能滿足多種設(shè)計(jì)需求。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)。

3、軟件設(shè)計(jì)原理

本課題的軟件設(shè)計(jì)分為2部分，一、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)：基于子系統(tǒng)功能而設(shè)計(jì)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)環(huán)境為Keil4，開發(fā)語(yǔ)言用C語(yǔ)言。單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序用到了SC89F5162的S輸入/輸出(I/O)準(zhǔn)雙向模式、增強(qiáng)型通用異步收發(fā)器(EUART)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等特色功能。

增強(qiáng)型通用異步收發(fā)器(EUART)設(shè)計(jì)原理：EUART首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸。消息幀從一個(gè)低位起始位開始，后面是5~8個(gè)數(shù)據(jù)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(xiàn)開始位時(shí)它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯(cuò)誤校驗(yàn)。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對(duì)進(jìn)來的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號(hào)來指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個(gè)奇偶錯(cuò)誤，UART就置位奇偶標(biāo)志。由此原理合理的配置EUART的相關(guān)寄存器和設(shè)置參數(shù)。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)軟件設(shè)計(jì)原理：SC89F5162包含一個(gè)單端型、 10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC內(nèi)建的基準(zhǔn)電壓VREF直接和VDD相連，用戶也可以選擇VREF端口輸入基準(zhǔn)電壓。8個(gè)ADC通道都可以獨(dú)立輸入模擬信號(hào)，但是每次轉(zhuǎn)換只能使用一個(gè)通道。GO/DONE信號(hào)控制開始轉(zhuǎn)換，提示轉(zhuǎn)換結(jié)束。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，更新ADC數(shù)據(jù)寄存器與此同時(shí)，設(shè)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(shù)字比較功能可以比較ADC中的模擬輸入的值與數(shù)字值。如果允許數(shù)字比較功能(在ADCON寄存器中的EC位置1)，并且ADC模塊使能 (在ADCON寄存器中的ADON位置1)，只有當(dāng)相應(yīng)的模擬輸入的數(shù)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(dāng)GO/DONE置1時(shí)，數(shù)字比較功能會(huì)持續(xù)工作，直到GO/DONE清0。這一點(diǎn)與模數(shù)轉(zhuǎn)換工作方式不同。帶數(shù)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(shè)置參數(shù)。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖

1、硬件設(shè)計(jì)框圖

2、軟件設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)流程圖：

基于GPS芯片的位置獲取子系統(tǒng)程序流程圖：

GSM/GPRS通信子系統(tǒng)程序流程圖：

四、測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)的測(cè)試分為總系統(tǒng)測(cè)試和子系統(tǒng)測(cè)試，詳見測(cè)試視頻。網(wǎng)址為：http://pan.baidu.com/s/1i30t1e1。