李政清，關曉磊

（1.三亞學院，海南三亞　570200；2.北京航天科工世紀衛(wèi)星科技有限公司，北京　100070）

基于北斗RDSS遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的設計

李政清1，關曉磊2

（1.三亞學院，海南三亞570200；2.北京航天科工世紀衛(wèi)星科技有限公司，北京100070）

近年來，隨著戶外運動的興起，經常發(fā)生探險旅游人員傷亡走失的事件，故急需一種能夠實時監(jiān)測人員行蹤和生命體征信息的遠程監(jiān)護系統(tǒng)；結合我國當前推廣的北斗短報文服務，設計了基于北斗RDSS遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，生命體征傳感器包含脈搏傳感器、血氧傳感器、皮溫傳感器和三軸加速度傳感器進行數(shù)據采集，可以對人員的脈率、皮溫、血氧飽和度以及體動系數(shù)進行綜合監(jiān)測；經測試，該系統(tǒng)能夠準確測試上述參數(shù)，達到設計要求。

北斗RDSS；STM32單片機；生命體征傳感器

0　引言

近年來，我國大力發(fā)展擁有自主知識產權的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。相比于國外技術，該系統(tǒng)除定位導航、精密授時功能外，還可通過星載通信中轉站，在用戶終端實時進行雙向短報文文字通信。系統(tǒng)包括空間衛(wèi)星、地面收發(fā)基站、用戶終端三部分（如圖1所示），基于上述優(yōu)點，本文利用北斗RDSS（radio determination satellite system無線電測定業(yè)務）設計遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1　北斗導航系統(tǒng)結構圖

1　系統(tǒng)結構及原理

該系統(tǒng)由生命體征傳感器、信號處理模塊、控制模塊、通信定位模塊構成，原理框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理框圖

生命體征傳感器包括脈搏傳感器、血氧傳感器、皮溫傳感器和三軸加速度傳感器。其中脈搏傳感器用于采集人體脈搏波信號，得到脈率數(shù)據；血氧傳感器用于采集人體血氧飽和度數(shù)據，監(jiān)測人體血液中的氧含量；皮溫傳感器用于采集人體皮膚溫度信號；三軸加速度傳感器用于測量人體的運動情況，得到體動系數(shù)。GPS用于獲得人員的位置信息。傳感器采集數(shù)據后，經過信號調理電路，模數(shù)轉換，采用STM32F107FV微處理器作為控制模塊。由于北斗RDSS是主動定位系統(tǒng)，在北斗二代中主要用于數(shù)據的傳輸，在這里，可以將傳感器采集的數(shù)據經過打包壓縮傳送至后端監(jiān)控主機，以電子地圖的形式顯示人員的位置、脈率、血氧、皮溫和體動系數(shù)，實時監(jiān)測人員生命體征。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1北斗RDSS模塊

RD120-2W北斗RDSS短報文通信板卡是基于北斗RDSS功能設計的收發(fā)一體化模塊，其接收載波頻率S波段（1.55～3.4 GHz），發(fā)射載波頻率為L波段（1～2 GHz）；工作溫度-40～+65℃，存儲溫度-40℃～+80℃，可承受最大峰值加速度為6 g，脈沖持續(xù)時間11 ms，兩次沖擊間隔時間大于60 ms的半正弦波脈沖，滿足大多數(shù)系統(tǒng)工作環(huán)境要求；首次捕獲時間≤2 s，失鎖再次捕獲時間≤1 s，通信、定位成功率≥98%，響應速度快；每條短報文容通信量最多為120個漢字［1］，可在50×70×10 mm的體積上實現(xiàn)北斗RDSS的基帶和射頻，通過藍牙模塊與手部或其他終端配套使用，其體積小、功耗低、可靠性高的特點，可廣泛應用于兼容北斗的衛(wèi)星導航、車輛導航、海洋漁業(yè)、手持終端、氣象探測等領域［2］。

終端模塊與衛(wèi)星通信易受天氣等環(huán)境影響，在長報文傳輸過程中，其數(shù)據傳輸誤碼率高達6.73%［3］，因此有效的傳輸控制成為傳輸成功與否的關鍵，故采用將數(shù)據進行拆分的方法，形成單個數(shù)據包，傳輸成功率可達95.5%。拆分后，在單個數(shù)據包前加包頭，即數(shù)據的序列信息（類型和編號），當數(shù)據包發(fā)送完成后，發(fā)送端主動發(fā)送查詢信息，根據其平均傳輸延時為3.8 s［4］，設置延時控制，若在10 s內未收到響應信息，重復三次查詢，仍未收到響應，則判斷本次發(fā)送失敗，進入下輪發(fā)送。若收到響應，填寫包頭信息和發(fā)送序列，發(fā)給接收端。接收后，根據本次序列信息，與緩存中數(shù)據比對，若已正確接收，發(fā)送接收響應，并還原為原始數(shù)據包，若錯誤接收，則清空接收地址，等待下次接收。

2.2傳感與采集模塊

生命體征監(jiān)測系統(tǒng)由加速度計，陀螺儀，磁性傳感器，皮電，溫度等各種傳感器整合而成?？蓪崟r采集脈率、血氧、皮溫、身體姿勢、位移等多種身體特征參數(shù)。數(shù)據實時記錄，通過藍牙傳輸連接到職能終端上或存儲在內置的記憶卡中。

1）紅外脈搏傳感器，利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環(huán)產生的血液容積變化的敏感特性，檢測由于心臟的跳動，引起手指指尖的血容積發(fā)生相應的變化，經過信號放大、調理等電路處理。其輸出反應指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算出脈率。

2）心率傳感器，采用人體體表生物電檢測的方式檢測心臟搏動產生的心電信號，通過信號調理電路、A/D、數(shù)字信號處理、比較電路輸出同步于心臟搏動的脈沖信號。檢測部位有手心、手腕、手臂、胸部等。該傳感器有效解決了在動態(tài)情況下檢測心率有效性和準確性的問題。廣泛適合于運動健身器材、汽車駕駛員心率檢測、消防員等特殊人群的心率監(jiān)測等。

3）血氧傳感器，以非介入方式測量血液中的含氧量，它以完全飽和水平的百分比來衡量，即血氧飽和百分比（Sp O2）。該測量基于血液中血紅蛋白的光吸收特性，在可見光譜和近紅外光譜內，含氧血紅蛋白 （HbO2）與脫氧血紅蛋白（Hb）具有不同的吸收曲線。Hb吸收的紅光頻率的光線較多，紅外光（IR）頻率的光線較少。Hb O2則相反。紅光和紅外光LED盡可能相互靠近，通過人體中的單一組織位置透射光線。紅光和紅外光LED采用時間復用處理來透射光線，因此不會相互干擾。電路框圖如圖3所示。

圖3　血氧傳感器采集電路框圖

4）體溫傳感器，采用負濕度系數(shù)熱敏電阻為感溫元件，通過放大電路、AD采樣、USB通信等電路，將實時的體溫數(shù)據轉送到計算機。該傳感器可應用于基于PC的體溫采集系統(tǒng)，也可用于家庭日常的體溫測量。

5）三軸加速度傳感器，利用微型電容式三軸加速度傳感器MMA7260芯片，設計穩(wěn)定，防震能力強，可以用來對身體的姿態(tài)或者運動方向進行檢測。其采用信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，可在4個靈敏度（±1.5 g/2 g/4 g/6 g）中選擇，還帶有低通濾波并做0 G補償，功耗低，工作時電流為500μA，休眠模式下為3μA，是電池供電的無線數(shù)據采集的理想之選。

由于系統(tǒng)使用環(huán)境復雜，變化無常，要求器件穩(wěn)定性好，出于可靠性的考慮，主控芯片單片機配備一個低電壓檢測器，一個時鐘安全管理系統(tǒng)和兩個看門狗定時器支持對可靠性的高度要求，同時當系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，進入低功耗模式，可延長工作周期。

3　數(shù)據接口協(xié)議

生命體征傳感器模塊的對外接口采用藍牙無線傳輸，實現(xiàn)方式采用藍牙-串口方式，即生命體征傳感器與北斗模塊之間采用藍牙方式傳輸數(shù)據，在應用上則采用串口方式進行端口配置和數(shù)據傳輸。其中，藍牙傳輸中，生命體征傳感器的藍牙模塊以從設備形式存在，北斗終端藍牙模塊為主設備存在。

3.1藍牙串口傳輸速率

命令字及申請數(shù)據模式為19 200Baud；連續(xù)數(shù)據模式為57 600Baud；申請數(shù)據模式下的數(shù)據率為38 B/s；連續(xù)數(shù)據模式下的數(shù)據率為28×20=560 B

3.2北斗短報文

一組數(shù)據包大小為120×14 bits=1 680 bits=210 B；傳輸速率（秒卡）為1數(shù)據包/s。

生命體征傳感器采集數(shù)據后，通過串口將數(shù)據送入藍牙模塊，然后通過藍牙無線輻射出去。根據接收命令的不同，發(fā)送數(shù)據分為單次數(shù)據和連續(xù)數(shù)據［5］。

1）單次數(shù)據：

單次數(shù)據即接收到“申請一組數(shù)據”命令后，發(fā)送一幀傳感器數(shù)據，其內容包括脈搏頻率值、血氧飽和度、海拔高度、皮膚溫度和體動系數(shù)。

表1　單次發(fā)送數(shù)據內容

2）連續(xù)數(shù)據

當需要進行連續(xù)的體征監(jiān)測時，輸入“連續(xù)采集數(shù)據”命令，傳感器輸出數(shù)據格式如下。

表2　連續(xù)發(fā)送數(shù)據內容

4　測試結果及結論

經測試，單次采集測試結果如圖4～7所示

圖4　脈搏頻率值

圖5　血氧飽和度及皮膚溫度數(shù)值

連續(xù)采集數(shù)據時，采集結果如圖8所示

圖6　體動系數(shù)值

圖7　海拔高度值

圖8　連續(xù)采集數(shù)據

從上述測試結果可以看出，該系統(tǒng)能夠準確獲得生命體征各項參數(shù)，各項參數(shù)均達到設計精度要求，結合北斗RDSS服務，能夠滿足對于生命體征的遠程監(jiān)測目的。但是，鑒于目前我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)網逐步建立完善中，北斗衛(wèi)星導航定位精度在10～100 m范圍內，因此本系統(tǒng)在設計中結合GPS模塊提高系統(tǒng)定位精度，充分發(fā)揮二者優(yōu)點，使設計實用性大大提高，滿足不同需求。

［1］沈華飛.北斗衛(wèi)星一代短報文通信技術及應用［J］. 電子制造，2014，（23）

［2］李春華，藍天，楊健，等.“北斗”短報文通信系統(tǒng)在防洪減災中的應用［J］.中國防汛抗旱，2014，24（2）：79-80.

［3］成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”導航系統(tǒng)的長報文通信協(xié)議［J］. 海洋技術，2008，27 （1）：26-28

［4］谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報文通信信道性能測試與統(tǒng)計分析 ［J］.氣象科技，2015，43 （3）：458 46.

［5］李大志，陳金春，管子銘，等.北斗短報文通信應用接口設計［A］.第二屆中國衛(wèi)星導航學術年會CSNC2011［C］.

Design of Remote Vital Signs Monitoring System Based on Beidou RDSS

Li Zhengqing1，Guan Xiaolei2
（1.San Ya College，Sanya570200，China；2.Beijing Aerospace Science and Industry，Century Satellite Technology Corporation Ltd，Beijing100070，China）

In recent years，with the development of outdoor sports，the events of the casualties always happen.Thus，it is badly in need of a remote monitoring system that can monitor the information of the personnel and vital signs in real time.In this paper，it designs the remote vital signs monitoring system based on Beidou RDSS with the Beidou short message service prompted in current.The monitoring system takes STM32 single-chip as the control core and the vital signs sensor includes the pulse sensor，blood oxygen sensor，skin temperature sensor and three-axis acceleration sensor to collect the data，which can monitor the pulse，skin temperature，oxyhemoglobin saturation and body dynamic coefficient synthetically.The test has proven that the system can accurately test the parameters above，which can meet the design requirements.

Beidou RDSS；STM32SCM；vital signs sensor

1671-4598（2016）05-0039-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.012

TP98

A

2015-11-01；

2015-12-15。

三亞學院科研項目（XYQN14-06）。

李政清（1986-），男，山西晉中人，碩士，主要從事測控技術與儀器方向的研究。