封志杰　劉若男　賀忠清

（西華大學(xué)，四川成都　610039）

生命黑匣子*

封志杰劉若男賀忠清

（西華大學(xué)，四川成都610039）

近年來(lái)，可穿戴和便攜式設(shè)備受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。其豐富的功能和人性化的設(shè)計(jì)，增添了人們?nèi)粘Ｉ畹男迈r感和科技感，也帶來(lái)了不少便捷。本項(xiàng)目是基于單片機(jī)的可穿戴個(gè)人生命體征檢測(cè)及定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“生命黑匣子”。主要用于檢測(cè)個(gè)人的脈搏、體溫等生命體征和GPS定位，并通過(guò)GSM模塊與外界形成聯(lián)系。

可穿戴單片機(jī)GPSGSM

目前，老人小孩等社會(huì)的弱勢(shì)群體，以及從事戶外高危工作的人群，他們的安全問(wèn)題受到了人們的重點(diǎn)關(guān)注。但由于時(shí)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(wú)法實(shí)時(shí)得到監(jiān)控。因此考慮到了這些因素，我們?cè)O(shè)計(jì)出了“生命黑匣子”，旨在幫助人們有效地解決這些問(wèn)題。

本項(xiàng)目研究的目的是開(kāi)發(fā)出一套可穿戴的生命體征檢測(cè)和定位系統(tǒng)，即“生命黑匣子”。它分為兩個(gè)部分，腕佩式的生命體征檢測(cè)部分和黑匣子信息處理部分，其中戴在手腕的檢測(cè)部分外形如同手表，用于檢測(cè)穿戴者的體溫、脈搏、警報(bào)信號(hào)和GPS坐標(biāo)信號(hào)，并將這些信號(hào)無(wú)線傳送給黑匣子信息處理部分；此處的黑匣子是一個(gè)便攜式的信息處理中心，其功能是處理腕表發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，同時(shí)也能進(jìn)行實(shí)時(shí)錄音，并通過(guò)GSM模塊將這些信息發(fā)送給外界。

1　總體框架設(shè)計(jì)

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(cè)手環(huán)和黑匣子信息處理中心，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

表1　

1.2實(shí)物展示生命體征檢測(cè)手環(huán)集成了MCU、脈搏檢測(cè)模塊、體溫測(cè)量模塊、按鍵報(bào)警模塊、GPS定位模塊以及無(wú)線通訊模塊。其中體溫測(cè)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(yǔ)音錄放模塊以及用于和手環(huán)通訊的無(wú)線通訊模塊，如圖3。

2　腕佩式信號(hào)采集部分

（1）主控芯片的選擇?？紤]到檢測(cè)手環(huán)的續(xù)航性，本項(xiàng)目采用了TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430作為主控芯片。其主要功能就是處理檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)打包無(wú)線發(fā)給黑匣子。MSP430作為一款低電壓超低功耗的單片機(jī)，在智能穿戴設(shè)備中得

3　黑匣子信號(hào)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(wù)，同時(shí)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(yǔ)音錄放平臺(tái)搭建。本項(xiàng)目采用ISD1700芯片進(jìn)行語(yǔ)音錄放，當(dāng)用戶按下黑匣子上的錄音按鍵或者手環(huán)端按下報(bào)警按鍵，該模塊就會(huì)自動(dòng)錄音，錄音信息存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部，并可以通過(guò)揚(yáng)聲器播放。（3）GSM短信模塊介紹。GSM在本項(xiàng)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(dāng)手環(huán)端按下報(bào)警按鍵，GSM模塊就會(huì)將手環(huán)穿戴者的體溫、脈搏、GPS坐標(biāo)以及時(shí)間日期任何手機(jī)信息打包通過(guò)短信方式發(fā)給指定號(hào)碼。于此同時(shí)，如果其他人想了解手環(huán)穿戴者的情況，號(hào)碼都可以發(fā)送短信“CXMSG”給GSM模塊，黑匣子MCU可以自動(dòng)提取發(fā)短信的號(hào)碼，在判斷短信內(nèi)容“CXMSG”正確后，將穿戴者信息返回給該號(hào)碼。測(cè)試效果如（圖4）所示。（4）液晶顯示平臺(tái)搭建。本項(xiàng)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(wú)線發(fā)給黑匣子的數(shù)據(jù)，以及黑匣子的運(yùn)行狀態(tài)。

4　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1測(cè)試條件

（1）測(cè)試時(shí)間：2015年6月24日；（2）測(cè)試地點(diǎn)：西華大學(xué)；（3）測(cè)試環(huán)境溫度：24℃。

4.2測(cè)量工具

（1）電子溫度計(jì)（測(cè)量實(shí)際體表溫度）；（2）秒表（測(cè)量實(shí)際脈搏）；（3）谷歌電子地圖（測(cè)量實(shí)際GPS）。

4.3測(cè)試數(shù)據(jù)（表1）

5　結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目即“生命黑匣子”，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)試，完成了實(shí)物制作，實(shí)現(xiàn)了脈搏體溫GPS坐標(biāo)的便攜式測(cè)量，并通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)穿戴者的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。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(duì)老人、小孩以及從事戶外高危工作人群的安全隱患問(wèn)題，有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］張平川，張勃.單片機(jī)原理與技術(shù)項(xiàng)目化教程.哈爾濱工程大學(xué)出版社，2014.04.

［2］羅志昌，張松，楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用.科學(xué)出版社，2006.

［3］張勤，李家權(quán).GPS測(cè)量原理及應(yīng)用.科學(xué)出版社，2005.

［4］薛鵬騫，梁秀榮.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)使用教程.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.02.

［5］王守三.PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)、技巧和工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.01.

［6］潘祖善.濾波技術(shù).上海交通大學(xué)出版社，1997.

［7］胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.1.

2014年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410623002）。到了廣泛的應(yīng)用。并且它還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，高速的運(yùn)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，因此我們選用MSP430作為檢測(cè)手環(huán)的主控芯片。（2）脈搏測(cè)量平臺(tái)搭建。光電反射式脈搏檢測(cè)模塊利用特定頻率的綠光穿透皮膚而檢測(cè)血液的流動(dòng)情況，當(dāng)心臟跳動(dòng)一次使血管內(nèi)血液濃度改變時(shí)，紅外光穿透皮膚的強(qiáng)度也會(huì)變化，反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)精密運(yùn)放放大整形和濾波，通過(guò)特殊的算法進(jìn)行處理從而獲取人體當(dāng)時(shí)的心率。本項(xiàng)目采用NJL5303R作為檢測(cè)傳感器。（3）體溫測(cè)量模塊介紹。本項(xiàng)目采用LM75A芯片作為溫度傳感器。LM75A是一個(gè)高速I(mǎi)2C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(hào)，并可實(shí)現(xiàn)0.125℃的精度。MCU可以通過(guò)I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過(guò)I2C對(duì)4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行操作，以設(shè)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(shí)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(tái)搭建。本項(xiàng)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(guò)NRF24L01無(wú)線發(fā)給黑匣子。NRF24L01在無(wú)遮擋物的情況下可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。