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、項目設(shè)計背景及概述

當(dāng)前，人口老齡化已成為當(dāng)今世界的一個突出的社會問題。世界衛(wèi)生組織指出，在全世界190多個國家和地區(qū)中，有60 多個已進入老年型社會。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)病前都會有相應(yīng)的征兆，而通過觀測病人的生理參數(shù)數(shù)據(jù)是能夠發(fā)現(xiàn)這些征兆的，因此設(shè)計一種可以監(jiān)測主要生理參數(shù)并兼有報警功能的醫(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)測設(shè)備大多用于醫(yī)院監(jiān)護室、養(yǎng)老院等，可對病人或老年人的重要生理參數(shù)作實時、連續(xù)和長時間的監(jiān)護，有些監(jiān)護設(shè)備還帶有一定的本地報警功能。但其在遠程無線報警功能方面卻略顯匱乏，不支持手機短信報警功能.本監(jiān)護系統(tǒng)在擁有準(zhǔn)確的監(jiān)測功能的同時又有手機GPRS報警功能，可在日常家庭中使用，滿足老年人對此類儀器的需求。

二、項目設(shè)計原理

1、原理概述

該系統(tǒng)通過外部的火焰?zhèn)鞲衅?、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法獲取當(dāng)老人在外時的信息，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)護系統(tǒng)只能檢測一項數(shù)據(jù)是否正常例如心跳，無法獲取多個檢測數(shù)據(jù)，而我們設(shè)計的這個系統(tǒng)可以實現(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、心跳傳感器測得的數(shù)據(jù)和GPS獲得的位置信息實現(xiàn)融合，一起發(fā)送出去。該設(shè)計輕便小巧，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(tǒng)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(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16位定時器/計數(shù)器，1個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位定時器/計數(shù)器(Timer2)。該單片機還包括適合于程序和數(shù)據(jù)的 62K字節(jié)Flash存儲器。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(nèi)建看門狗定時器，低電壓復(fù)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三維矢量，用直角坐標(biāo)系的三個軸來表示，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向量模SVM(MagnitudeofSignal Vector)的概念，式(1)：

　(1)

當(dāng)發(fā)生跌到時，在觸地前，由于身體失重，其SVM在時域上表現(xiàn)為一個谷;在觸地的整個過程中，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在時域上表現(xiàn)為一個峰。跌倒信號時域體現(xiàn)明顯的SVM，在跌倒處有明顯沖擊，如下圖所示。對于這種情況，通過時域的閾值判斷可以很好地探測出跌倒的發(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、碳氫物質(zhì)以及無機物質(zhì)為主體的高溫固體微粒構(gòu)成的?；鹧娴臒彷椛渚哂须x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度、波長分布有所差異，但總體來說，其對應(yīng)火焰溫度的近紅外波長域及紫外光域具有很大的輻射強度，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(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(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國新一代衛(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)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供實時的三維位置、三維速度和高精度的時間信息。GPS接收機通過接收其視線內(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，模塊自帶高性能無源陶瓷天線，并自帶可充電后備電池(以支持溫啟動或熱啟動，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時左右的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紅外線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，引起手指指尖的血容積發(fā)生相應(yīng)的變化信號。經(jīng)過信號放大、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。該紅外脈搏傳感器主要用于臨床上脈率的測量、監(jiān)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，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高，能滿足多種設(shè)計需求。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、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。

3、軟件設(shè)計原理

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

增強型通用異步收發(fā)器(EUART)設(shè)計原理：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。消息幀從一個低位起始位開始，后面是5~8個數(shù)據(jù)位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時鐘頻率同步。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誤校驗。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對進來的字節(jié)進行奇偶校驗，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號來指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個奇偶錯誤，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)計原理：SC89F5162包含一個單端型、 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ADC通道都可以獨立輸入模擬信號，但是每次轉(zhuǎn)換只能使用一個通道。GO/DONE信號控制開始轉(zhuǎn)換，提示轉(zhuǎn)換結(jié)束。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時，更新ADC數(shù)據(jù)寄存器與此同時，設(shè)置ADCON寄存器中的ADCIF位，并且產(chǎn)生一個中斷(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，才會產(chǎn)生ADC中斷。當(dāng)GO/DONE置1時，數(shù)字比較功能會持續(xù)工作，直到GO/DONE清0。這一點與模數(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、項目設(shè)計框圖

1、硬件設(shè)計框圖

2、軟件設(shè)計框圖

系統(tǒng)總體程序設(shè)計流程圖：

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、測試結(jié)果

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