生命黑匣子

封志杰　劉若男　賀忠清

【摘 要】近年來，可穿戴和便攜式設備受到了社會各界的廣泛關(guān)注。其豐富的功能和人性化的設計，增添了人們?nèi)粘Ｉ畹男迈r感和科技感，也帶來了不少便捷。本項目是基于單片機的可穿戴個人生命體征檢測及定位系統(tǒng)，簡稱“生命黑匣子”。主要用于檢測個人的脈搏、體溫等生命體征和GPS定位，并通過GSM模塊與外界形成聯(lián)系。

【關(guān)鍵詞】可穿戴 單片機 GPS GSM

目前，老人小孩等社會的弱勢群體，以及從事戶外高危工作的人群，他們的安全問題受到了人們的重點關(guān)注。但由于時間和距離等各方面原因，他們的體溫、脈搏、地理位置等信息無法實時得到監(jiān)控。因此考慮到了這些因素，我們設計出了“生命黑匣子”，旨在幫助人們有效地解決這些問題。

本項目研究的目的是開發(fā)出一套可穿戴的生命體征檢測和定位系統(tǒng)，即“生命黑匣子”。它分為兩個部分，腕佩式的生命體征檢測部分和黑匣子信息處理部分，其中戴在手腕的檢測部分外形如同手表，用于檢測穿戴者的體溫、脈搏、警報信號和GPS坐標信號，并將這些信號無線傳送給黑匣子信息處理部分；此處的黑匣子是一個便攜式的信息處理中心，其功能是處理腕表發(fā)送過來的信息，同時也能進行實時錄音，并通過GSM模塊將這些信息發(fā)送給外界。

1 總體框架設計

1.1“生命黑匣子”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

“生命黑匣子”系統(tǒng)包含兩部分：分別是生命體征檢測手環(huán)和黑匣子信息處理中心，系統(tǒng)框圖如圖1。

1.2 實物展示

生命體征檢測手環(huán)集成了MCU、脈搏檢測模塊、體溫測量模塊、按鍵報警模塊、GPS定位模塊以及無線通訊模塊。其中體溫測量芯片和脈搏傳感器在手環(huán)內(nèi)側(cè)，其余模塊在手環(huán)在外側(cè)，如圖2。黑匣子信息處理中心包含了MCU、GSM短信模塊、液晶顯示模塊、語音錄放模塊以及用于和手環(huán)通訊的無線通訊模塊，如圖3。

2 腕佩式信號采集部分

（1）主控芯片的選擇。考慮到檢測手環(huán)的續(xù)航性，本項目采用了TI公司的超低功耗單片機MSP430作為主控芯片。其主要功能就是處理檢測模塊采集的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)打包無線發(fā)給黑匣子。MSP430作為一款低電壓超低功耗的單片機，在智能穿戴設備中得到了廣泛的應用。并且它還擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，高速的運算能力，有16位RISC架構(gòu)，125ns指令周期。此外它還有豐富的功能模塊，在低功耗的前提下完全能夠滿足對檢測數(shù)據(jù)的處理，因此我們選用MSP430作為檢測手環(huán)的主控芯片。（2）脈搏測量平臺搭建。光電反射式脈搏檢測模塊利用特定頻率的綠光穿透皮膚而檢測血液的流動情況，當心臟跳動一次使血管內(nèi)血液濃度改變時，紅外光穿透皮膚的強度也會變化，反射回來的信號經(jīng)過精密運放放大整形和濾波，通過特殊的算法進行處理從而獲取人體當時的心率。本項目采用NJL5303R作為檢測傳感器。（3）體溫測量模塊介紹。本項目采用LM75A芯片作為溫度傳感器。LM75A是一個高速I2C接口的溫度傳感器，可以在-55℃～+125℃的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并可實現(xiàn)0.125℃的精度。MCU可以通過I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過I2C對4個數(shù)據(jù)寄存器進行操作，以設置成不同的工作模式。（4）GPS定位模塊介紹。考慮到手環(huán)的集成性和穩(wěn)定性，我們選用Ublox NEO-6M GPS模塊，該模塊采集時間日期以及GPS定位信息后，再把這些信息傳送給MSP430處理。（5）NRF24L01通訊平臺搭建。本項目采用NRF24L01作為手環(huán)和黑匣子的通訊橋梁，手環(huán)MCU打包數(shù)據(jù)后通過NRF24L01無線發(fā)給黑匣子。NRF24L01在無遮擋物的情況下可以實現(xiàn)超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。

3 黑匣子信號處理部分

（1）MCU的選擇。黑匣子部分M由于CU需要處理較多任務，同時也要兼顧低功耗性能，所以我們同樣采用MSP430作為黑匣子的MCU。（2）語音錄放平臺搭建。本項目采用ISD1700芯片進行語音錄放，當用戶按下黑匣子上的錄音按鍵或者手環(huán)端按下報警按鍵，該模塊就會自動錄音，錄音信息存儲在芯片內(nèi)部，并可以通過揚聲器播放。（3）GSM短信模塊介紹。GSM在本項目中扮演著黑匣子和外界信息交換的中間角色，該模塊需要插入一張電話卡用作收發(fā)短信。當手環(huán)端按下報警按鍵，GSM模塊就會將手環(huán)穿戴者的體溫、脈搏、GPS坐標以及時間日期任何手機信息打包通過短信方式發(fā)給指定號碼。于此同時，如果其他人想了解手環(huán)穿戴者的情況，號碼都可以發(fā)送短信“CXMSG”給GSM模塊，黑匣子MCU可以自動提取發(fā)短信的號碼，在判斷短信內(nèi)容“CXMSG”正確后，將穿戴者信息返回給該號碼。測試效果如（圖4）所示。（4）液晶顯示平臺搭建。本項目中的液晶顯示模塊采用的是NOKIA5110液晶模塊，將其模塊集成在黑匣子中，主要作用于顯示手環(huán)無線發(fā)給黑匣子的數(shù)據(jù)，以及黑匣子的運行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 測試條件

（1）測試時間：2015年6月24日；（2）測試地點：西華大學；（3）測試環(huán)境溫度：24℃。

4.2測量工具

（1）電子溫度計（測量實際體表溫度）；（2）秒表（測量實際脈搏）；（3）谷歌電子地圖（測量實際GPS）。

4.3測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本項目即“生命黑匣子”，經(jīng)過設計和調(diào)試，完成了實物制作，實現(xiàn)了脈搏體溫GPS坐標的便攜式測量，并通過GSM模塊實現(xiàn)了對穿戴者的實時遠距離監(jiān)測。只需要發(fā)一條短信就能了解穿戴者的生命體征和地理位置，從而判斷其是否安全。能有效解決對老人、小孩以及從事戶外高危工作人群的安全隱患問題，有較高的實用價值。

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