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)測定位報警系統(tǒng)設(shè)計

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)

摘要為實現(xiàn)一種低成本的心率監(jiān)測定位報警系統(tǒng)，在掌握全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)、全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM)和光電式心率監(jiān)測傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于STC12C5A60S2單片機、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)實驗，實驗結(jié)果表明，在脈搏傳感器監(jiān)測到佩戴者心率突變超出正常水平時，系統(tǒng)能及時地將佩戴者的實時地理位置信息發(fā)送到與之綁定的手機上，實現(xiàn)了對佩戴者身體突發(fā)意外時準(zhǔn)確及時的定位。系統(tǒng)各部件協(xié)作完成了實時定位、心率監(jiān)測以及信息發(fā)送報警的功能。

關(guān)鍵詞心率監(jiān)測；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)合國最近發(fā)布了全球人口展望報告，數(shù)據(jù)顯示，到2050年36.5%的中國人在60歲以上，50歲以上人口則占一半。當(dāng)下我國人口老齡化趨勢加重，對老人的關(guān)心一直是社會熱點。如何在老人外出活動身體突發(fā)狀況時，第一時間掌握老人此時位置信息，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]實現(xiàn)了基于52單片機與GSM的灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將研究重點指向人體監(jiān)測與定位，并且將單片機、GPS、GSM和傳感器整合起來，組成一個各部分既能獨立工作又能與其他部分良好協(xié)作的系統(tǒng)，不局限于單個模塊的使用。

1系統(tǒng)設(shè)計方案

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

圖1　系統(tǒng)原理

1.1硬件設(shè)計

從實現(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)采用美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association,NMEA)制定的協(xié)議NMEA-0183，采用美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(ASCII)的形式來傳遞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。在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)準(zhǔn)確接收地理坐標(biāo)，模塊內(nèi)部的百萬數(shù)量級的捕獲引擎使得首次定位的時間大幅縮短。

1.1.2GSM模塊(SIM300)

SIM300[11]是中國晨訊科技集團推出的小體積即插即用通訊模塊，配置簡單易上手且工作穩(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明信息發(fā)送到指定的手機上。該模塊基本實現(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)的心電信號提取以及測量血壓時壓力傳感器監(jiān)測到的波動來計算脈率，傳統(tǒng)的提取心率信號的方式都會限制人體的活動，長時間使用會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單、佩戴方便并且可靠性高，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)監(jiān)測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)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機[13]，除了低功耗之外，該芯片的最大特點就是雙串口，能滿足同時接收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

帶中文字庫的128×64點陣圖形液晶顯示器內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。且接口方式靈活、操作指令簡單、低電壓低功耗也是該模塊的顯著特點。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交互界面。

1.1.6系統(tǒng)電路原理

GPS信號發(fā)送到單片機需要通過串口，且單片機也只能通過串口發(fā)送控制SIM300的AT指令，單片機STC12C5A60S2的最大特點就是有2個相互獨立的串口，因此可以很好地滿足實驗的要求。系統(tǒng)電路連接時將串口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

程序執(zhí)行流程依據(jù)系統(tǒng)目的進(jìn)行設(shè)計，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，控制器則將此時地理信息通過GSM模塊發(fā)送到系統(tǒng)綁定的手機上。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

因為接收GPS信號和配置GSM都需要通過串口，因此對串口的設(shè)置顯得尤其重要。在系統(tǒng)設(shè)計時將串口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;

∥啟動定時器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;

∥獨立波特率發(fā)生器初值

BRT=0xFD;

∥BRTR=1獨立波特率發(fā)生器開始計數(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量及誤差降低

借助STC12C5A60S2的10位A/D轉(zhuǎn)換器，在極短的時間內(nèi)完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，結(jié)合脈搏傳感器的芯片手冊，只需要一路信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，因此在程序設(shè)計的時候，初始化一個IO口(P1.0)作為脈搏信號的輸入，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間內(nèi)脈搏波動情況，在調(diào)試脈搏傳感器時采用結(jié)合上位機的方式，做出一段時間內(nèi)心率值的走向圖以及某一時刻的心率值，圖形數(shù)據(jù)來進(jìn)一步檢驗脈搏傳感器是否正確反映本征數(shù)據(jù)。實驗所得圖形數(shù)據(jù)較好地完成了驗證，如圖4所示。

圖4　上位機采集的實時脈搏信息

2.2GPS信號的準(zhǔn)確提取

在官方給出的使用說明中存在7種地理信息的幀格式，而根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，僅需準(zhǔn)確獲取地理坐標(biāo)以及當(dāng)前時間。但是u-blox GPS模塊在接收時是將7種數(shù)據(jù)幀全部接收下來的，因此，任務(wù)就是在這7種信號幀中提取出一段基本幀。一種簡便的出發(fā)點就是根據(jù)幀格式自身的格式特點進(jìn)行區(qū)分接收，再根據(jù)時間日期函數(shù)更新成北京時間。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)實驗所得，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，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監(jiān)測人體脈搏信息，在實驗初期采用上位機接收脈搏傳感器傳回的脈搏數(shù)據(jù)繪制成圖以供實驗觀察對比。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。模擬時降低寫入程序中的臨界告警值，實驗心率超出臨界值的情況，此時主控芯片STC12C5A60S2在監(jiān)測并確認(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)手機則接收到系統(tǒng)發(fā)來的短信，如圖8所示。實踐表明，以這個心率監(jiān)測定位系統(tǒng)為平臺，各個模塊實現(xiàn)了各自的功能又很好地配合了主控單片機的調(diào)配，協(xié)作完成了心率監(jiān)測報警任務(wù)，達(dá)到了實驗的目的。此后，根據(jù)地理位置信息，可第一時間到達(dá)佩戴者出事場所。

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)測信息

圖8　綁定手機接收到的信息

4結(jié)束語

隨著GPS的實用化、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，搭載于國產(chǎn)低功耗高性能主控芯片STC12C5A60S2之上，設(shè)計旨在完成當(dāng)被監(jiān)測者心率突變，體況極大可能變差情況下的及時報警、定位功能，并且實現(xiàn)了這一基本目標(biāo)。從這一點來看，系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣，不僅僅可以為戶外運動的老人所攜帶，例如某些大型野生動物園的管理者，?？嘤趯游镫y以準(zhǔn)確定位以及當(dāng)其體征突變時不能及時地趕往救治，有了這種類型的產(chǎn)品則可以更好地簡化動物園的管理，為相關(guān)實用領(lǐng)域提供便利。因此該設(shè)計是一個很有前景的實用模型，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，得到更廣泛的推廣，為生活、生產(chǎn)、工作和學(xué)習(xí)帶來便利。

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侍孝一男，(1992—)，無線通信專業(yè)。主要研究方向：無線通信。

高沖紅女，(1994—)，電力通信專業(yè)。主要研究方向：電力通信。

作者簡介

中圖分類號TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0009-04

基金項目：南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項目(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)測定位報警系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(4):9-12，55.