李國城，陳斌熙，李偉林，王 鳳，莫偉健

（中山大學(xué) 新華學(xué)院，廣東 廣州510520）

可穿戴式安全看護(hù)系統(tǒng)

李國城，陳斌熙，李偉林，王 鳳，莫偉健

（中山大學(xué) 新華學(xué)院，廣東 廣州510520）

針對(duì)兒童走丟、被拐的事件給家屬和社會(huì)帶來極大的危害，為降低此事件的發(fā)生，本文提出一種基于可穿戴式的看護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)和無線傳感技術(shù)，通過模塊化搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上傳。數(shù)據(jù)處理校驗(yàn)采用CRC16-CCITT算法，通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。該系統(tǒng)主控制器采用以ARM內(nèi)核的EFM32芯片，外部拓展有傳感器、GSM、WiFi，實(shí)現(xiàn)對(duì)生理參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)上傳。通過對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試，系統(tǒng)功耗低、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、穩(wěn)定運(yùn)行。

可穿戴式；嵌入式；無線網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)看護(hù)

現(xiàn)在的兒童設(shè)備幾乎不具備智能安全檢測(cè)以及看護(hù)等功能，時(shí)常發(fā)生兒童被拐或者走丟等事件。設(shè)計(jì)兒童看護(hù)系統(tǒng)，提高了對(duì)兒童的有效監(jiān)督［1］。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)各項(xiàng)生理參數(shù)并發(fā)送至終端顯示，通過監(jiān)控器和GPS等安全模塊的設(shè)計(jì)，能夠在發(fā)生事件發(fā)生情況下，地點(diǎn)、時(shí)間等信息第一時(shí)間給警方提供有效信息。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠使家長及時(shí)了解兒童的生理狀態(tài)，為家長提供更好的安全監(jiān)護(hù)，安全性大大提高，實(shí)現(xiàn)智能化。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

可穿戴式看護(hù)系統(tǒng)由生理數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)分析等組成，外部拓展部分還有定位監(jiān)控等。生理數(shù)據(jù)采集主要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏和心率等重要參數(shù)；數(shù)據(jù)上傳通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇K端服務(wù)器；上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出身體狀態(tài)信息。圖1所示為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。定位監(jiān)控采用GPS定位系統(tǒng)，每隔一段時(shí)間向服務(wù)器發(fā)送地理位置信息，能過獲取其活動(dòng)范圍，并可以在走丟的情況下能過第一時(shí)間獲得有效數(shù)據(jù)。選用GSM作為數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸橋梁，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回服務(wù)器，并可以在緊急情況下通過按鍵可以撥打白名單內(nèi)設(shè)置的電話號(hào)碼，實(shí)現(xiàn)語音通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

心率部分選用AD8232芯片，該芯片常用于集成信號(hào)調(diào)理，能夠采集運(yùn)動(dòng)物體的微軟生物電信號(hào)，結(jié)合嵌入式微控制器通過模式轉(zhuǎn)換使得微電信號(hào)輸出［2］。AD8232內(nèi)部集成放大器，在脈搏的每一次跳動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微軟的電信號(hào)，數(shù)據(jù)在放大器的處理之后，輸出至主控制器。AD8232擁有快速回復(fù)功能，可以實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)聯(lián)連接至測(cè)量對(duì)象的電極之后能夠盡快取得有效的測(cè)量值。其常用的電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 心率監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)圖

體溫變化的采集采用高精度數(shù)字方式傳輸?shù)腄S18B20傳感器，內(nèi)部集成RAM高速暫存器以及溫度寄存器，提高采集精度和分辨率，通過對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，能實(shí)現(xiàn)在93．75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化輸出精度高達(dá)9～12位［3］。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸選用GSM模塊來實(shí)現(xiàn)。電路設(shè)計(jì)使用BGS2-W芯片，這是Cinterion公司推出的全球最小四頻段的GPRS模塊，信號(hào)接收強(qiáng)、超低功耗；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)。GSM模塊與微控制器的數(shù)據(jù)交互是通過UART來實(shí)現(xiàn)的，通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。圖3為GSM模塊的電路設(shè)計(jì)。該模塊可以使用多種網(wǎng)絡(luò)上傳模式很數(shù)據(jù)上傳格式，本次設(shè)計(jì)選用TCP協(xié)議和PDU格式數(shù)據(jù)上傳［4］，將生理參數(shù)和GPS定位信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過GPRS服務(wù)傳輸至服務(wù)器終端，并通過軟件設(shè)計(jì)，在GSM模塊信號(hào)丟失或者掉線的情況下，先將離線數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至外部Flash存儲(chǔ)器中，等待網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，再發(fā)送離線數(shù)據(jù)至服務(wù)器，防止數(shù)據(jù)的丟失。

圖3 GSM網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)圖

2.3 位置監(jiān)控模塊

位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控采用基于u-blox-6定位引擎的MAX-6 GPS模塊，超小型封裝，內(nèi)置高性能有源天線、高增益底噪放大器和SAW濾波器，有效提高衛(wèi)星信號(hào)的接收，可通過IO口控制電源，是一款超低功耗的定位芯片［5］。u-blox-6模塊是通過異步收發(fā)器 （UART）串行接口與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，RXD1/ TXD1支持?jǐn)?shù)據(jù)率從4.8到115.2 kbit/s的信號(hào)輸出和輸入。其電路如圖4所示。通過軟件編程，將GPS接收到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有效的地理位置信息，設(shè)置GPS數(shù)據(jù)回傳時(shí)間間隔，并通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位監(jiān)控。

圖4 GPS電路設(shè)計(jì)

2.4 微控制器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是低功耗和實(shí)時(shí)性，要求合理的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中MCU采用的是全球最節(jié)能的EFM32微控制器，基于32-位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，同樣擁有同類處理器的全部硬件資源，但消耗的能量僅為其他同類8-bit，16-bit或32-bit微控制器的四分之一，擁有超低的運(yùn)行功耗、減少運(yùn)行時(shí)間、快速喚醒以及超低的待機(jī)功耗等特點(diǎn)，其各個(gè)外設(shè)能夠在低功耗模式下自主運(yùn)行，無需CPU干預(yù)。外設(shè)自主操作功能使得應(yīng)用在降低功耗的同時(shí)仍然可以執(zhí)行高級(jí)任務(wù)［6］。

3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為避免數(shù)據(jù)在發(fā)送過程中發(fā)生誤碼而直接傳輸?shù)椒?wù)器，在軟件設(shè)計(jì)中，通過循環(huán)冗余校驗(yàn)（CCITT CRC-16）算法編碼和解碼，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制［7］。利用CRC算法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯(cuò)的過程是在數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)傳送的K位二進(jìn)制碼，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的R位監(jiān)督碼，將將監(jiān)督碼放在發(fā)送數(shù)據(jù)后面構(gòu)成新的二進(jìn)制碼（K+R位）發(fā)送出去，再在服務(wù)器端根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行校驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。常用的算法規(guī)則理論上稱為“生成多項(xiàng)式”。將一個(gè)碼組表示為一個(gè)多項(xiàng)式，碼組中各碼元當(dāng)作多項(xiàng)式的系數(shù)，如10001100可表示為x7+x3+x2。設(shè)編碼前的原始數(shù)據(jù)多項(xiàng)式為M（a），M（a）的最高冪次加1等于W；生成多項(xiàng)式為Q（a），Q（a）的最高冪次等于x；CRC多項(xiàng)式為Y（a）；編碼后的帶CRC的數(shù)據(jù)多項(xiàng)式為F（x）。發(fā)送方編碼方法：將W（a）乘以ax，再除以Q（a），所得余即為Y（a）。用公式表示為R（a）=x a Q（a）+Y（a）接收方解碼方法：將F（a）除以M（a），如果余數(shù)為0，則說明傳輸中無錯(cuò)誤發(fā)生，否則說明傳輸有誤。代碼的實(shí)現(xiàn)如下：

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行功耗達(dá)到預(yù)計(jì)要求。能實(shí)時(shí)將采集到的生理參數(shù)傳輸?shù)椒?wù)器終端；GPS首次定位時(shí)間短，在冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)都能夠及時(shí)定位；GSM模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生掉線的情況下，在重新連接成功之后，離線數(shù)據(jù)可以回傳；GSM語音通話聲音正常，當(dāng)觸發(fā)撥打電話事件時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)撥打白名單中的電話。圖5所示為終端接收到心率動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)束語

文中提出并設(shè)計(jì)出低功耗可穿戴式監(jiān)控系統(tǒng)，以分模塊的電路設(shè)計(jì)，選用最低功耗的EFM32MCU、GSM網(wǎng)絡(luò)模塊、GPS定位模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)裙δ埽瑴?zhǔn)確采集各項(xiàng)生理參數(shù)和地理位置信息，提高了對(duì)兒童的智能化監(jiān)控。

［1］趙一權(quán)，于忠清.基于云架構(gòu)老人看護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.科技視界，2015（19）:138-140.

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W earable safety care system

LIGuo-cheng，CHEN Bin-xi，LIWei-lin，WANG Feng，MOWei-jian
（Xinhua College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510520，China）

For children lost，stolen events to the familiesand the society bring greatharm，in order to reduce the occurrence of this event，this paper presents a based on wearable care system design.The system uses embedded technology，wireless network and wireless sensor technology，through themodular construction，to achieve real-time data acquisition and upload. Data processing and verification using CRC16-CCITTalgorithm，through the TCPprotocol to send data to the server.Themain controller of the system uses the EFM32 chip of the ARM kernel，and the externalexpansion of the sensor，GSM，WiFi，and the physiological parameters of the collection and data upload.Through various tests of the system，the system power consumption is low，the data is transmitted in real time and stable operation.

wearable type；embedded；wireless network；real-time nursing

TN92

A

1674－6236（2016）20-0160-03

2015-10-28 稿件編號(hào)：201510204

李國城（1993—），男，廣東梅州人。研究方向：嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)控制。