心率監(jiān)測(cè)定位報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侍孝一，高沖紅，叢　韞，武欣婷，童茜雯

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

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心率監(jiān)測(cè)定位報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侍孝一，高沖紅，叢韞，武欣婷，童茜雯

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

摘要為實(shí)現(xiàn)一種低成本的心率監(jiān)測(cè)定位報(bào)警系統(tǒng)，在掌握全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM)和光電式心率監(jiān)測(cè)傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于STC12C5A60S2單片機(jī)、瑞士u-blox公司的GPS模塊、SIMCOM公司的SIM300通信模塊和脈搏傳感器的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在脈搏傳感器監(jiān)測(cè)到佩戴者心率突變超出正常水平時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)地將佩戴者的實(shí)時(shí)地理位置信息發(fā)送到與之綁定的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)佩戴者身體突發(fā)意外時(shí)準(zhǔn)確及時(shí)的定位。系統(tǒng)各部件協(xié)作完成了實(shí)時(shí)定位、心率監(jiān)測(cè)以及信息發(fā)送報(bào)警的功能。

關(guān)鍵詞心率監(jiān)測(cè)；定位；GPS；GSM；STC12C5A60S2

A Design of Heart Rate Monitoring,Positioning and Alarm System

SHI Xiao-yi,GAO Chong-hong,CONG Yun,WU Xin-ting,TONG Qian-wen

(NanjingInstituteofTechnology,NanjingJiangsu211167,China)

AbstractTo achieve a low cost of heart rate monitoring,positioning and alarm system,based on the knowledge of Global Position System (GPS),Global System for Mobile Communications (GSM),photoelectric heart rate monitor and their working principles,the experiment on the system comprising STC12C5A60S2 microcontroller,u-blox GPS module,SIM300 communication module and pulse sensor,etc.is carried out.The result shows that the controller will send the wearer’s location information to the mobile phone bound to it,reporting the wearer’s sudden accident accurately and timely,if the pulse sensor monitors the wearer’s heart rate mutations exceed normal level.The components of this system collaborate to realize the function of real-time positioning,heart rate monitoring,and sending alarm information,so it has a strong practical value.

Key wordsheart rate monitoring;positioning;GPS;GSM;STC12C5A60S2

0引言

聯(lián)合國(guó)最近發(fā)布了全球人口展望報(bào)告，數(shù)據(jù)顯示，到2050年36.5%的中國(guó)人在60歲以上，50歲以上人口則占一半。當(dāng)下我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)加重，對(duì)老人的關(guān)心一直是社會(huì)熱點(diǎn)。如何在老人外出活動(dòng)身體突發(fā)狀況時(shí)，第一時(shí)間掌握老人此時(shí)位置信息，是最常關(guān)心的問題。文獻(xiàn)[1-3]闡述了GPS在定位方面的靈活應(yīng)用；文獻(xiàn)[4-5]研究了使用GSM進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了基于52單片機(jī)與GSM的灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將研究重點(diǎn)指向人體監(jiān)測(cè)與定位，并且將單片機(jī)、GPS、GSM和傳感器整合起來(lái)，組成一個(gè)各部分既能獨(dú)立工作又能與其他部分良好協(xié)作的系統(tǒng)，不局限于單個(gè)模塊的使用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)原理如圖1所示[7-8]，系統(tǒng)上電后GPS模塊將及時(shí)定位搜尋衛(wèi)星，獲取此時(shí)所在地理坐標(biāo)，并隨著佩戴者的移動(dòng)不斷更新位置信息，顯示器顯示初始化信息和脈搏信息以及地理坐標(biāo)信息。脈搏傳感器則隨時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者心率，一旦監(jiān)測(cè)到心率突變，超出正常范圍，控制器則將老人此時(shí)的位置信息通過GSM模塊發(fā)送到與系統(tǒng)綁定的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1　系統(tǒng)原理

1.1硬件設(shè)計(jì)

從實(shí)現(xiàn)功能出發(fā)選擇硬件模塊，系統(tǒng)主要由：u-blox GPS 模塊、GSM模塊(SIM300)、脈搏傳感器模塊(Pulse Sensor)、主控模塊芯片STC12C5A60S2和液晶顯示器LCD12864五個(gè)模塊組成。

1.1.1u-blox GPS 模塊

此芯片由總部設(shè)在瑞士的U-blox[9]公司推出，輸出的定位數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association,NMEA)制定的協(xié)議NMEA-0183，采用美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(ASCII)的形式來(lái)傳遞GPS信息幀[10]，模塊與外部設(shè)備通信采用通用異步收發(fā)傳輸器(UART)，因此可以將采集到的地理信息通過UART的方式傳送到單片機(jī)。在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)準(zhǔn)確接收地理坐標(biāo)，模塊內(nèi)部的百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的捕獲引擎使得首次定位的時(shí)間大幅縮短。

1.1.2GSM模塊(SIM300)

SIM300[11]是中國(guó)晨訊科技集團(tuán)推出的小體積即插即用通訊模塊，配置簡(jiǎn)單易上手且工作穩(wěn)定可靠，通過串口接收AT 指令(AT Instruction)完成配置。在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將接收到的地理信息以及一些說(shuō)明信息發(fā)送到指定的手機(jī)上。該模塊基本實(shí)現(xiàn)了2G通訊的所有功能，因此在系統(tǒng)中可以加入接/打電話的功能。

1.1.3脈搏傳感器模塊(Pulse Sensor)

Pulse Sensor[12]是一款即插即用的光電式心率傳感器，有別于傳統(tǒng)的心電信號(hào)提取以及測(cè)量血壓時(shí)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的波動(dòng)來(lái)計(jì)算脈率，傳統(tǒng)的提取心率信號(hào)的方式都會(huì)限制人體的活動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加人體生理以及心理上的不舒適感，此款可穿戴式的脈搏傳感器方法簡(jiǎn)單、佩戴方便并且可靠性高，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)人體脈搏是否超出正常范圍。

1.1.4主控模塊芯片STC12C5A60S2

該芯片是宏晶科技有限公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)[13]，除了低功耗之外，該芯片的最大特點(diǎn)就是雙串口，能滿足同時(shí)接收GPS模塊的地理信息和發(fā)送AT指令控制SIM300模塊，是系統(tǒng)的控制中心，調(diào)度各個(gè)模塊有序穩(wěn)定的執(zhí)行。

1.1.5液晶顯示器LCD12864

帶中文字庫(kù)的128×64點(diǎn)陣圖形液晶顯示器內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。且接口方式靈活、操作指令簡(jiǎn)單、低電壓低功耗也是該模塊的顯著特點(diǎn)。在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)展示系統(tǒng)初始化信息、脈搏信息和地理信息，以便使用者獲得更好的人機(jī)交互界面。

1.1.6系統(tǒng)電路原理

GPS信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)需要通過串口，且單片機(jī)也只能通過串口發(fā)送控制SIM300的AT指令，單片機(jī)STC12C5A60S2的最大特點(diǎn)就是有2個(gè)相互獨(dú)立的串口，因此可以很好地滿足實(shí)驗(yàn)的要求。系統(tǒng)電路連接時(shí)將串口1、串口2分別與GPS和SIM300的數(shù)據(jù)口相連，如圖2所示。

圖2　電路原理

1.2軟件設(shè)計(jì)

程序執(zhí)行流程依據(jù)系統(tǒng)目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)上電之后，GPS模塊、Pulse sensor模塊、LCD12864模塊和GSM模塊分別進(jìn)行初始化，脈搏傳感器一直監(jiān)視脈搏狀態(tài)，未超出正常范圍則正常顯示脈搏和地理信息。一旦脈率超出正常范圍，控制器則將此時(shí)地理信息通過GSM模塊發(fā)送到系統(tǒng)綁定的手機(jī)上。系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)清除，下次系統(tǒng)上電后繼續(xù)初始化，流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)工作流程

因?yàn)榻邮誈PS信號(hào)和配置GSM都需要通過串口，因此對(duì)串口的設(shè)置顯得尤其重要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將串口1用于獲取GPS模塊的地理信息，將串口2留作發(fā)送AT指令控制SIM300模塊。串口初始化的關(guān)鍵代碼如下：

voidUart_Init()

{

/*T1方式2，用于接收GPS信息,

不倍速，方式1,8位UART */

TMOD = 0x20;

SCON = 0X50;

PCON = 0x00;

∥裝初值

TH1= 0xFD;

TL1= 0xFD;

∥允許串行口接收數(shù)據(jù)

REN= 1;

∥啟動(dòng)定時(shí)器1

TR1= 1;

∥打開全局中斷控制

EA= 1;

∥打開串行口中斷

ES= 1;

/*串口2的初始化,用于控制SIM300,

不倍速,工作在方式1,10位異步收發(fā)*/

AUXR &=0XF7;

∥串口2 S2REN=1允許接收

S2CON=0x50;

∥設(shè)置成12T工作模式

AUXR &= 0XFB;

∥獨(dú)立波特率發(fā)生器初值

BRT=0xFD;

∥BRTR=1獨(dú)立波特率發(fā)生器開始計(jì)數(shù)

AUXR |= 0x10;

}

2需要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)

2.1心率傳感器的精確測(cè)量及誤差降低

借助STC12C5A60S2的10位A/D轉(zhuǎn)換器，在極短的時(shí)間內(nèi)完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，結(jié)合脈搏傳感器的芯片手冊(cè)，只需要一路信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，因此在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，初始化一個(gè)IO口(P1.0)作為脈搏信號(hào)的輸入，關(guān)鍵代碼如下：

voidADC_init(unsigned char channel)

{

∥使能PlusePin作為A/D輸入

P1ASF=ADC_MASK<

∥清除前次A/D結(jié)果

ADC_RES=0;

∥清除前次A/D結(jié)果

ADC_RESL=0;

∥調(diào)整A/D結(jié)果

AUXR1 |= 0x04;

∥使能ADC開始轉(zhuǎn)化

ADC_CONTR=channel|ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START;

}

unsignedintanalogRead(unsigned char channel)

{

unsignedint result;

∥清除A/D轉(zhuǎn)化標(biāo)志

ADC_CONTR &=!ADC_FLAG;

result=ADC_RES;

result=result<<8;

result+=ADC_RESL;

ADC_CONTR|=channel|ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START;

return result;

}

為直觀顯示佩帶者在某段時(shí)間內(nèi)脈搏波動(dòng)情況，在調(diào)試脈搏傳感器時(shí)采用結(jié)合上位機(jī)的方式，做出一段時(shí)間內(nèi)心率值的走向圖以及某一時(shí)刻的心率值，圖形數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)脈搏傳感器是否正確反映本征數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所得圖形數(shù)據(jù)較好地完成了驗(yàn)證，如圖4所示。

圖4　上位機(jī)采集的實(shí)時(shí)脈搏信息

2.2GPS信號(hào)的準(zhǔn)確提取

在官方給出的使用說(shuō)明中存在7種地理信息的幀格式，而根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，僅需準(zhǔn)確獲取地理坐標(biāo)以及當(dāng)前時(shí)間。但是u-blox GPS模塊在接收時(shí)是將7種數(shù)據(jù)幀全部接收下來(lái)的，因此，任務(wù)就是在這7種信號(hào)幀中提取出一段基本幀。一種簡(jiǎn)便的出發(fā)點(diǎn)就是根據(jù)幀格式自身的格式特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分接收，再根據(jù)時(shí)間日期函數(shù)更新成北京時(shí)間。選取的關(guān)鍵代碼如下：

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 3∥這是串口1的接收GPS數(shù)據(jù)接收

{

unsigned char temp=0;

ES=0;

temp=SBUF;

RI=0;

if(temp==′$′)

{

RX_Count=0;

Flag_GPS_OK=0;

}

RX_Buffer[RX_Count++]=temp;

if(RX_Count>=59)

{

RX_Count=59;

Flag_GPS_OK=1;

}

ES=1;

}

而后對(duì)比4、6、13位的特征字篩選出想要的地理信息數(shù)據(jù)幀，判斷語(yǔ)句如下：

∥確定是否收到“GPGGA”這一幀數(shù)據(jù)

if(Flag_GPS_OK==1 &&RX_Buffer[4]==′G′

&&RX_Buffer[6]==′,′ &&RX_Buffer[13]==′.′)

3系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，顯示界面如圖5所示。此后u-blox GPS模塊快速地搜索衛(wèi)星信號(hào)，捕捉衛(wèi)星信息。在上電后的平均5 s內(nèi)完成首次成功定位，之后液晶顯示器可顯示的地理信息如圖6所示。Pulse Sensor脈搏傳感器則可隨時(shí)監(jiān)測(cè)人體脈搏信息，在實(shí)驗(yàn)初期采用上位機(jī)接收脈搏傳感器傳回的脈搏數(shù)據(jù)繪制成圖以供實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)比。系統(tǒng)工作中則將脈搏信息在LCD12864顯示器上顯示出，如圖7所示。模擬時(shí)降低寫入程序中的臨界告警值，實(shí)驗(yàn)心率超出臨界值的情況，此時(shí)主控芯片STC12C5A60S2在監(jiān)測(cè)并確認(rèn)脈搏超出后立即調(diào)用SIM300模塊完成位置信息的發(fā)送，目標(biāo)手機(jī)則接收到系統(tǒng)發(fā)來(lái)的短信，如圖8所示。實(shí)踐表明，以這個(gè)心率監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)為平臺(tái)，各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了各自的功能又很好地配合了主控單片機(jī)的調(diào)配，協(xié)作完成了心率監(jiān)測(cè)報(bào)警任務(wù)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。此后，根據(jù)地理位置信息，可第一時(shí)間到達(dá)佩戴者出事場(chǎng)所。

圖5　系統(tǒng)初始化界面

圖6　顯示接收的GPS信息

圖7　脈搏監(jiān)測(cè)信息

圖8　綁定手機(jī)接收到的信息

4結(jié)束語(yǔ)

隨著GPS的實(shí)用化、民用化，結(jié)合成熟的GSM應(yīng)用，外加一款便攜可穿戴的脈搏傳感器，搭載于國(guó)產(chǎn)低功耗高性能主控芯片STC12C5A60S2之上，設(shè)計(jì)旨在完成當(dāng)被監(jiān)測(cè)者心率突變，體況極大可能變差情況下的及時(shí)報(bào)警、定位功能，并且實(shí)現(xiàn)了這一基本目標(biāo)。從這一點(diǎn)來(lái)看，系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣，不僅僅可以為戶外運(yùn)動(dòng)的老人所攜帶，例如某些大型野生動(dòng)物園的管理者，?？嘤趯?duì)動(dòng)物難以準(zhǔn)確定位以及當(dāng)其體征突變時(shí)不能及時(shí)地趕往救治，有了這種類型的產(chǎn)品則可以更好地簡(jiǎn)化動(dòng)物園的管理，為相關(guān)實(shí)用領(lǐng)域提供便利。因此該設(shè)計(jì)是一個(gè)很有前景的實(shí)用模型，值得繼續(xù)開發(fā)研究并豐富其功能，以期獲得更好的使用體驗(yàn)，得到更廣泛的推廣，為生活、生產(chǎn)、工作和學(xué)習(xí)帶來(lái)便利。

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侍孝一男，(1992—)，無(wú)線通信專業(yè)。主要研究方向：無(wú)線通信。

高沖紅女，(1994—)，電力通信專業(yè)。主要研究方向：電力通信。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)04-0009-04

基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(N20150618)。

收稿日期：2016-01-13

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.03

引用格式：侍孝一，高沖紅，叢韞，等.心率監(jiān)測(cè)定位報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(4):9-12，55.