基于SC89F5162多傳感數據融合的老人生理智能監控預警系統

一、項目設計背景及概述

當前，人口老齡化已成為當今世界的一個突出的社會問題。世界衛生組織指出，在全世界190多個國家和地區中，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，占全球死亡人數的三分之一。各種心血管疾病在發病前都會有相應的征兆，而通過觀測病人的生理參數數據是能夠發現這些征兆的，因此設計一種可以監測主要生理參數并兼有報警功能的醫療儀器，將為預防和治療各種突發性疾病提供一種新的手段。目前，生理參數監測設備大多用于醫院監護室、養老院等，可對病人或老年人的重要生理參數作實時、連續和長時間的監護，有些監護設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.本監護系統在擁有準確的監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、項目設計原理

1、原理概述

該系統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，心跳是否正常等數據，系統一旦檢測到外部傳感器出現異常，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據利用GSM/GPRS模塊發送給他們的親人。使得子女及時獲取老人的信息。

傳統的養老系統只能監視老人在家的生活狀況無法獲取當老人在外時的信息，而該系統集成有GPS模塊，使得人老一旦出現事故可以及時確定其位置并利用GSM/GPRS模塊發送信息通知其家屬。并且傳統的養老監護系統只能檢測一項數據是否正常例如心跳，無法獲取多個檢測數據，而我們設計的這個系統可以實現多傳感組網多數據的融合即可以把火焰傳感器、加速度傳感器、心跳傳感器測得的數據和GPS獲得的位置信息實現融合，一起發送出去。該設計輕便小巧，生產成本低廉、功能完善，完全可以滿足那些“子欲養而親不在”的子女的心愿。

2、硬件原理概述

A、核心控制器：本課題采用深聯華自主研發型號為SC89F5162的一款高速高效率8051兼容單片機。在同樣振蕩頻率下，較之傳統的8051芯片它具有運行更快速，性能更優越的特性。SC89F5162保留了標準8051芯片的大部分特性，這些特性包括內置256字節RAM和2個16位定時器/計數器，1個UART和外部中斷INT0 和INT1。此外，SC89F5162還集成外置1024字節RAM，可兼容8052芯片的16位定時器/計數器(Timer2)。該單片機還包括適合于程序和數據的 62K字節Flash存儲器。SC89F5162不僅集成了如EUART，SPI等標準通訊模塊，此外還集成了具有內建比較功能的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， 內建看門狗定時器，低電壓復位功能，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)

當發生跌到時，在觸地前，由于身體失重，其SVM在時域上表現為一個谷;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生較劇烈的突變，其SVM在時域上表現為一個峰。跌倒信號時域體現明顯的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生。

C、火焰傳感器原理：由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質以及無機物質為主體的高溫固體微粒構成的。火焰的熱輻射具有離散光譜的氣體輻射和連續光譜的固體輻射。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，根據這種特性可制成火焰傳感器。

本課題采用的是火焰傳感器模塊，此模塊已經嵌入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GPS(Global Positioning System)是美國新一代衛星導航系統，可為用戶提供一種全球性、全天候、連續的衛星無線電導航系統，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的任意幾顆衛星播發的導航信息，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接收數據保存)。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產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生相應的變化信號。經過信號放大、調理等電路處理。輸出反應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，其性能穩定，外觀精巧，性價比高，能滿足多種設計需求。SIM900A采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，尤其適用于緊湊型產品設計。

3、軟件設計原理

本課題的軟件設計分為2部分，一、單片機程序設計：基于子系統功能而設計的單片機驅動程序的開發環境為Keil4，開發語言用C語言。單片機的驅動程序用到了SC89F5162的S輸入/輸出(I/O)準雙向模式、增強型通用異步收發器(EUART)和模/數轉換器(ADC)等特色功能。

增強型通用異步收發器(EUART)設計原理：EUART首先將接收到的并行數據轉換成串行數據來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是5~8個數據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發現開始位時它就知道數據準備發送，并嘗試與發送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數據位后面加上奇偶位。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束位，對進來的字節進行奇偶校驗，并將數據字節從串行轉換成并行。UART也產生額外的信號來指示發送和接收的狀態。例如，如果產生一個奇偶錯誤，UART就置位奇偶標志。由此原理合理的配置EUART的相關寄存器和設置參數。

模/數轉換器(ADC)軟件設計原理：SC89F5162包含一個單端型、 10位逐次逼近型模數轉換器(ADC)。ADC內建的基準電壓VREF直接和VDD相連，用戶也可以選擇VREF端口輸入基準電壓。8個ADC通道都可以獨立輸入模擬信號，但是每次轉換只能使用一個通道。GO/DONE信號控制開始轉換，提示轉換結束。當轉換完成時，更新ADC數據寄存器與此同時，設置ADCON寄存器中的ADCIF位，并且產生一個中斷(如果允許ADC中斷)。ADC模塊整合數字比較功能可以比較ADC中的模擬輸入的值與數字值。如果允許數字比較功能(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)，只有當相應的模擬輸入的數字值大于或等于寄存器中的比較值(ADDH/L)時，才會產生ADC中斷。當GO/DONE置1時，數字比較功能會持續工作，直到GO/DONE清0。這一點與模數轉換工作方式不同。帶數字比較功能的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的相關寄存器和設置參數。

三、項目設計框圖

1、硬件設計框圖

2、軟件設計框圖

系統總體程序設計流程圖：

基于GPS芯片的位置獲取子系統程序流程圖：

GSM/GPRS通信子系統程序流程圖：

四、測試結果

本系統的測試分為總系統測試和子系統測試，詳見測試視頻。網址為：http://pan.baidu.com/s/1i30t1e1。