基于SC89F5162多传感数据融合的老人生理智能监控预警系统设计

2014-03-21 19:59:09来源: 互联网
    一、项目设计背景及概述

  当前,人口老龄化已成为当今世界的一个突出的社会问题。世界卫生组织指出,在全世界190多个国家和地区中,有60 多个已进入老年型社会。老年人健康的最大威胁--心血管疾病引起的死亡人数,占全球死亡人数的三分之一。各种心血管疾病在发病前都会有相应的征兆,而通过观测病人的生理参数数据是能够发现这些征兆的,因此设计一种可以监测主要生理参数并兼有报警功能的医疗仪器,将为预防和治疗各种突发性疾病提供一种新的手段。目前,生理参数监测设备大多用于医院监护室、养老院等,可对病人或老年人的重要生理参数作实时、连续和长时间的监护,有些监护设备还带有一定的本地报警功能。但其在远程无线报警功能方面却略显匮乏,不支持手机短信报警功能.本监护系统在拥有准确的监测功能的同时又有手机GPRS报警功能,可在日常家庭中使用,满足老年人对此类仪器的需求。

  二、项目设计原理

  1、原理概述

  该系统通过外部的火焰传感器、加速度传感器、心跳传感器来获取老人身边是否存在火源,是否摔跤,心跳是否正常等数据,系统一旦检测到外部传感器出现异常,将利用外部的GPS、GSM/GPRS模块将老人的位置信息以及心跳等数据利用GSM/GPRS模块发送给他们的亲人。使得子女及时获取老人的信息。

  传统的养老系统只能监视老人在家的生活状况无法获取当老人在外时的信息,而该系统集成有GPS模块,使得人老一旦出现事故可以及时确定其位置并利用GSM/GPRS模块发送信息通知其家属。并且传统的养老监护系统只能检测一项数据是否正常例如心跳,无法获取多个检测数据,而我们设计的这个系统可以实现多传感组网多数据的融合即可以把火焰传感器、加速度传感器、心跳传感器测得的数据和GPS获得的位置信息实现融合,一起发送出去。该设计轻便小巧,生产成本低廉、功能完善,完全可以满足那些“子欲养而亲不在”的子女的心愿。

  2、硬件原理概述

  A、核心控制器:本课题采用深联华自主研发型号为SC89F5162的一款高速高效率8051兼容单片机。在同样振荡频率下,较之传统的8051芯片它具有运行更快速,性能更优越的特性。SC89F5162保留了标准8051芯片的大部分特性,这些特性包括内置256字节RAM和2个16位定时器/计数器,1个UART和外部中断INT0 和INT1。此外,SC89F5162还集成外置1024字节RAM,可兼容8052芯片的16位定时器/计数器(Timer2)。该单片机还包括适合于程序和数据的 62K字节Flash存储器。SC89F5162不仅集成了如EUART,SPI等标准通讯模块,此外还集成了具有内建比较功能的ADC,PWM定时器以及模拟比较器(CMP)等模块。为了达到高可靠性和低功耗, 内建看门狗定时器,低电压复位功能,低电压检测功能和振荡器失效检测功能。 此外 还提供了2种低功耗省电模式。

  B、加速度传感器测摔倒原理:人体加速度可看作一个三维矢量,用直角坐标系的三个轴来表示,其中令X轴表示前后方向,Y表示左右方向,Z表示竖直方向。这里首先引入加速度的信号向量模SVM(MagnitudeofSignal Vector)的概念,式(1):

                                                    公式 (1)

  当发生跌到时,在触地前,由于身体失重,其SVM在时域上表现为一个谷;在触地的整个过程中,由于地面等的冲击,人体的加速度必然发生较剧烈的突变,其SVM在时域上表现为一个峰。跌倒信号时域体现明显的SVM,在跌倒处有明显冲击,如下图所示。对于这种情况,通过时域的阈值判断可以很好地探测出跌倒的发生。

波形图

  C、火焰传感器原理:由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异,但总体来说,其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器。

  本课题采用的是火焰传感器模块,此模块已经嵌入LM393比较器,模块可以直接输出电平信号(5V或0V),方便模块与单片机IO口直接相连。下图即为用示波器显示的输出波形。

波形

  D、GPS模块:全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国新一代卫星导航系统,可为用户提供一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统,可提供实时的三维位置、三维速度和高精度的时间信息。GPS接收机通过接收其视线内的任意几颗卫星播发的导航信息,换算出自身的位置和时间信息。

  本课题采用的是型号为ATK-NEO-6M-V12的一款高性能GPS定位模块。该模块采用U-BLOX NEO-6M模组,模块自带高性能无源陶瓷天线,并自带可充电后备电池(以支持温启动或热启动,后备电池在主电源断电后,可以维持半小时左右的GPS接收数据保存)。下图显示了本模块和U-center软件之间的通信,以得到定位信息。

GPS

  E、脉搏传感器:外脉搏传感器利用了特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感的特性,检测由于心脏的跳动,引起手指指尖的血容积发生相应的变化信号。经过信号放大、调理等电路处理。输出反应指尖血容积变化的完整的脉搏波电压信号。该红外脉搏传感器主要用于临床上脉率的测量、监测和脉搏波的病理分析。

  F、GSM/GPRS通信模块:本课题采用SIMCom推出新款紧凑型产品SIM900A. 它属于双频GSM/GPRS模块,完全采用SMT封装形式,SIM900A仅适用于中国市场,其性能稳定,外观精巧,性价比高,能满足多种设计需求。SIM900A采用工业标准接口,工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz,可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外,SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm,尤其适用于紧凑型产品设计。

  3、软件设计原理

  本课题的软件设计分为2部分,一、单片机程序设计:基于子系统功能而设计的单片机驱动程序的开发环境为Keil4,开发语言用C语言。单片机的驱动程序用到了SC89F5162的S输入/输出(I/O)准双向模式、增强型通用异步收发器(EUART)和模/数转换器(ADC)等特色功能。

  增强型通用异步收发器(EUART)设计原理:EUART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开始,后面是5~8个数据位,一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送,并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶,UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中,UART从消息帧中去掉起始位和结束位,对进来的字节进行奇偶校验,并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如,如果产生一个奇偶错误,UART就置位奇偶标志。由此原理合理的配置EUART的相关寄存器和设置参数。

  模/数转换器(ADC)软件设计原理:SC89F5162包含一个单端型、 10位逐次逼近型模数转换器(ADC)。ADC内建的基准电压VREF直接和VDD相连,用户也可以选择VREF端口输入基准电压。8个ADC通道都可以独立输入模拟信号,但是每次转换只能使用一个通道。GO/DONE信号控制开始转换,提示转换结束。当转换完成时,更新ADC数据寄存器与此同时,设置ADCON寄存器中的ADCIF位,并且产生一个中断(如果允许ADC中断)。ADC模块整合数字比较功能可以比较ADC中的模拟输入的值与数字值。如果允许数字比较功能(在ADCON寄存器中的EC位置1),并且ADC模块使能 (在ADCON寄存器中的ADON位置1),只有当相应的模拟输入的数字值大于或等于寄存器中的比较值(ADDH/L)时,才会产生ADC中断。当GO/DONE置1时,数字比较功能会持续工作,直到GO/DONE清0。这一点与模数转换工作方式不同。带数字比较功能的ADC模块能在Idle模式下工作,并且ADC中断能够唤醒Idle模式。但是,在Power-Down模式下,ADC模块被禁止。由此原理合理的配置ADC的相关寄存器和设置参数。

  三、项目设计框图

  1、硬件设计框图

硬件设计框图

  2、软件设计框图

  系统总体程序设计流程图:

软件设计框图

  基于GPS芯片的位置获取子系统程序流程图:

GPS芯片

  GSM/GPRS通信子系统程序流程图:

通信系统流程图

  四、测试结果

  本系统的测试分为总系统测试和子系统测试,详见测试视频。网址为:http://pan.baidu.com/s/1i30t1e1。

关键字:传感  数据  融合

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/0321/article_4583.html
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