陳迪榮，李文鈞

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化的快速發(fā)展，我國(guó)人口結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化，老齡化趨勢(shì)越來越明顯，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化發(fā)展的快速階段。同時(shí)，根據(jù)我國(guó)養(yǎng)老服務(wù)“十二五”計(jì)劃，要在“十二五”期間，我國(guó)要建立一個(gè)具有中國(guó)特色的社會(huì)養(yǎng)老服務(wù)體系。因此，社會(huì)養(yǎng)老將越來越受重視，而作為社會(huì)養(yǎng)老方式之一的養(yǎng)老院養(yǎng)老更是由于其專業(yè)化、人文化滿足了老年人對(duì)于生活照料、護(hù)理康復(fù)和精神關(guān)愛等方面的需求，受到了人們的熱捧。隨著養(yǎng)老院設(shè)施的日趨發(fā)展，老人生活質(zhì)量提高的同時(shí)也給老人帶來了許多的安全隱患。目前，市場(chǎng)上針對(duì)老人監(jiān)護(hù)的產(chǎn)品很少，養(yǎng)老院管理人員往往沒有一套合理的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在老人發(fā)生意外時(shí)，不能夠及時(shí)的對(duì)老人進(jìn)行救助，這將會(huì)帶來不可挽回的遺憾。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)與射頻無線通信技術(shù)方案可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設(shè)計(jì)。很好的解決了老人監(jiān)護(hù)防護(hù)的問題，方便了養(yǎng)老院管理人員的管理，保障了老人的安全。

1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

本電路系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源管理模塊、核心控制單元模塊、射頻無線通信收發(fā)模塊、加速度傳感器防摔倒模塊、GSM 通信模塊、GPS 人員定位模塊及輔助的控制電路。整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，該電路將被制作成腕帶或射頻卡佩戴在老人身上，老人在室內(nèi)的時(shí)候，所佩戴的腕帶或卡片通過與射頻無線通信模塊與讀卡器通信，而讀卡器可通過RS－485［1］與計(jì)算機(jī)通信，將信息通過計(jì)算機(jī)傳遞給相關(guān)的管理人員。在室外的時(shí)候，可通過核心控制單元模塊來開啟GSM 及GPS模塊，實(shí)現(xiàn)人員的定位。在輔助控制電路中可實(shí)現(xiàn)緊急呼叫的功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

整個(gè)系統(tǒng)中各模塊的電壓分配如圖2 所示。在本設(shè)計(jì)中，主要采用額定電壓為3.7 V 的鋰電池系統(tǒng)供電。其中，鋰電池通過外加濾波及退耦電容給GSM 模塊供電，另外，鋰電池的電壓通過AME8827－3.3 穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)化后，可產(chǎn)生3.3 V 的電壓分別給MSP430 單片機(jī)、加速度傳感器、射頻收發(fā)芯片及GPS 模塊供電。其電源管理模塊電路如圖3 所示。

圖2 各模塊電壓分配

圖3 電源管理模塊電路

2.2 核心控制模塊

本設(shè)計(jì)采用的核心控制器是德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的MSP430 149，MSP430 系列單片機(jī)是一種具有超低功耗Flash 型16 位RISC 指令集單片機(jī)［2］。選擇MSP430 149 單片機(jī)芯片是管腳豐富，兼容性好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，支持SPI 通信，最主要還是其超低的功耗。核心控制模塊主要由時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路、MSP430 149 單片機(jī)芯片及電阻、開關(guān)等組成。核心控制模塊主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的通信、采集、分析與處理。

2.3 射頻無線通信模塊

射頻無線通信模塊用到的主要芯片是NORDIC 公司生產(chǎn)的NRF24L01+這一工作在2.4 GHz 頻段的無線通信芯片，采用了GFSK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率可達(dá)到2 Mbit/s，有125 個(gè)可選工作通道，具有很短的頻道切換時(shí)間，可用于跳頻，工作電壓在1.9 V ～3.6 V［3］。該芯片具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為－6 dBm 時(shí)電流消耗為9 mA，在接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下小號(hào)的電流更低。在本設(shè)計(jì)中主要用MSP430 149 單片機(jī)SPI 口［4］與NRF24L01+芯片的通信。NRF24L01+芯片上的MISO、MOSI、SCK 分別與MSP430 149 單片機(jī)的P3.1、P3.2、P3.3 連接。NRF24L01+與MSP430 149 單片機(jī)連接的電路如圖4 所示。在系統(tǒng)上電工作時(shí)，MSP430 149 單片機(jī)通過SPI 口對(duì)NRF24L01+的狀態(tài)進(jìn)行配置，決定是發(fā)射模式還是接收模式。

射頻無線通信模塊中選擇的天線為RAINSUN公司2.4 GHz 陶瓷天線AN9520，由于射頻芯片的天線連接口的阻抗不是50 Ω，因此在射頻芯片天線連接口和天線之間要有匹配網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計(jì)中匹配網(wǎng)絡(luò)主要有四方面的作用:

(1)將輸出的射頻信號(hào)由平衡轉(zhuǎn)化為不平衡連接到天線，起到巴倫的作用;

(2)將射頻信號(hào)的輸出阻抗變換到50 Ω 與天線相連;

(3)在發(fā)射模式下，可以抑制諧波低于規(guī)定的水平;

(4)在接收模式下，抑制本振信號(hào)的泄漏。

整個(gè)電路中PCB 設(shè)計(jì)很重要，一個(gè)好的PCB布局布線對(duì)射頻性能有很大的影響。這里PCB 的布局布線的好壞將直接影響通信的距離和功能的實(shí)現(xiàn)，在本設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格遵守射頻PCB 板布局布線的規(guī)律與要求，元件布局緊湊，避免使用長(zhǎng)的走線，去耦電容和元件的電源、地盡可能的靠近NRF24L01+芯片，同時(shí)要在PCB 板周圍打上過孔，將多余的高頻信號(hào)引入地中。

2.4 加速度傳感器防摔倒模塊

在設(shè)計(jì)中，防摔倒報(bào)警模塊所用的加速度傳感器是ADI 公司的ADXL345，這是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度傳感器，分辨率高，測(cè)量范圍可達(dá)±16 gn，工作電壓為2 V ～3.6 V［5］。通過采用SPI 數(shù)字通信，進(jìn)行4 線配置與MSP430 149 單片機(jī)連接。ADXL345 芯片上的SCLK、SDIO、SDO、CS 分別與單片機(jī)P1 口的P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 4 相連。ADXL345 與單片機(jī)連接的電路如圖5 所示。當(dāng)老人摔倒時(shí)，ADXL345 與單片機(jī)通信，單片機(jī)通過射頻收發(fā)芯片與讀卡器通信［6］，讀卡器將老人摔倒的信息傳到計(jì)算機(jī)，管理人員便能及時(shí)采取救助措施。

圖4 NRF24L01+與MSP430 149 單片機(jī)連接的電路

圖5 ADXL345 電路圖

2.5 GSM 通信與GPS 人員定位模塊

隨著GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的普及，GSM 通信模塊和手機(jī)一樣是非常重要的移動(dòng)通信終端設(shè)備，應(yīng)用十分的廣泛。全球定位移動(dòng)系統(tǒng)GPS 是美國(guó)開發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有精度高、全球覆蓋、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)［7］。為了縮小終端的體積，減小功耗，在本文設(shè)計(jì)中所采用的GSM 模塊是SIMCOM 公司的SIM900，是一款低功耗的四頻GSM/GPRS 模塊工作電壓為3.2 V ～4.8 VV，SIM900 性能穩(wěn)定，采用SMT 封裝，其體積很小，尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm［8］，非常適用于本設(shè)計(jì)中，而且性價(jià)比較高。采用的GPS 模塊是U－BLOX 公司的LEA－5S。LEA－5S 外形緊湊，體積小，具有多種接口，方便使用，其工作電壓為2.7 V ～3.6 V，正常工作電流為20 mA。

在本設(shè)計(jì)中，MSP430 149 單片機(jī)通過GPS 采集定位的信息，LEA－5S 模塊的TX 接口與單片機(jī)的然后通過GSM 模塊將定位信息發(fā)送到服務(wù)中心，來實(shí)現(xiàn)老人的監(jiān)護(hù)與定位。GSM 模塊如圖6 所示。GPS 模塊如圖7 所示。

圖6 GSM 模塊電路圖

圖7 GPS 模塊電路圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際應(yīng)用中，所需的各項(xiàng)功能已通過模塊化電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該電路制成腕帶或射頻卡后體積小、攜帶方便，室內(nèi)時(shí)識(shí)別距離為0 ～100 m，老人佩戴在身上后，房間和走廊上的讀卡器能夠準(zhǔn)確讀到腕帶上的信息，并且讀卡器能夠及時(shí)將信息反饋給控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)通過軟件顯示出來。另外，我們開車將佩戴腕帶的人員送到室外繞城實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)人員的精確定位，同時(shí)本設(shè)計(jì)產(chǎn)品還具有低功耗、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，滿足了養(yǎng)老院管理人員的需求，為老人的安全提供了保障。同時(shí)，彌補(bǔ)了我國(guó)市場(chǎng)上針對(duì)老人監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的少的缺點(diǎn)，為相關(guān)研究人員提供了很好的參考。

［1］ 韓世進(jìn)，張樂年.基于RS－485 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，11:14－16.

［2］ 沈建華.MSP430 系列16 位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:1－11.

［3］ 劉志平，趙國(guó)良.基于nRF24L01 的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］.應(yīng)用科技，2008，3:55－58.

［4］ 高章飛，朱善安. 基于MSP430 和nRF905 的多點(diǎn)無線通訊模塊［J］.電子器件，2006，1:26－30.

［5］ Analog Devices，Inc.Digital Accelerometer ADXL345［EB/OL］.

［6］ 王沖，施玉霞，陸熊. 基于加速度傳感器的無線人體動(dòng)作測(cè)量設(shè)備［J］.單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，2011，8:45－51.

［7］ 王超，肖亞蘇，王化祥.基于GPS 和GSM 的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，6:550－551.

［8］ SIMCOM，SIM900A 硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］［EB/OL］.