杜雅寧， 李國洪， 王喜斌

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300400； 2. 北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院， 河北 廊坊 065000)

0 引 言

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展， 北斗系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入全球組網(wǎng)階段， 在道路交通管理、 鐵路智能交通、 海運、 航空運輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用. 根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計， 心血管疾病已經(jīng)成為全球第一大死因[1]， 老年人更是心血管疾病易發(fā)人群. 但是隨著社會壓力與日俱增， 子女既要工作又要照顧父母， 經(jīng)常倍感分身乏術(shù)， 再者， 我國醫(yī)療服務(wù)資源有限， 許多病人因為不能及時就醫(yī)而病情惡化. 如何令子女兼顧拼搏事業(yè)與監(jiān)護(hù)父母， 成為新時代的一大挑戰(zhàn). 市面上常用于檢測生理指標(biāo)的設(shè)備體積龐大， 佩戴不方便， 不能應(yīng)用于日常實時監(jiān)護(hù)， 且造價昂貴. 基于開源軟件的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了各行各業(yè)以及一些模擬應(yīng)用中， 如玻璃熔窯模擬[2]中. 監(jiān)控系統(tǒng)不止應(yīng)用于安防領(lǐng)域， 在車載安全監(jiān)控系統(tǒng)[3]、 遠(yuǎn)程動態(tài)實時心電信號監(jiān)測系統(tǒng)[4]中也有所應(yīng)用. 基于STM32系列微處理器的應(yīng)用不限于電子開發(fā)， 在檢測領(lǐng)域也有所應(yīng)用， 如基于STM32的磁檢測系統(tǒng)和掃描檢測算法[5].

本文設(shè)計了一套基于北斗的遠(yuǎn)程老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng). 區(qū)別于市面上使用的GPS定位技術(shù)， 使用北斗模塊對老年人實時定位. 通過光電傳感器獲取老人心率及體溫， 安卓智能終端將獲取的健康數(shù)據(jù)及位置信息顯示在子女端app健康監(jiān)測界面， 當(dāng)老人心率、 體溫超出正常范圍， 可及時告知監(jiān)護(hù)人， 實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù). 通過此系統(tǒng)， 使得子女即使不在老人身邊， 也能及時了解他們的位置及健康情況.

1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由3部分組成： 分別為檢測定位終端、 系統(tǒng)服務(wù)器和監(jiān)護(hù)端軟件. 檢測定位終端由老人及有監(jiān)護(hù)需求的人員配備， 智能軟件終端由子女或其他監(jiān)護(hù)人使用. 系統(tǒng)整體框架如圖 1 所示.

圖 1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall frame of the system

檢測定位終端由北斗定位模塊、 生理參數(shù)檢測模塊、 移動通信模塊組成， 通過生理參數(shù)檢測模塊獲取生理參數(shù)， 北斗定位模塊獲取定位信息， 二者通過移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器， 具有生理參數(shù)檢測及定位功能.

系統(tǒng)服務(wù)器接收檢測定位終端發(fā)送來的生理參數(shù)及定位信息并處理、 存儲， 為監(jiān)護(hù)端提供生理數(shù)據(jù)及位置信息， 系統(tǒng)服務(wù)器里有根據(jù)需求做好的數(shù)據(jù)庫， 當(dāng)生理參數(shù)數(shù)據(jù)和定位信息根據(jù)地址發(fā)送到服務(wù)器后由數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù).

監(jiān)護(hù)端對檢測定位終端實施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)， 具有遠(yuǎn)程實時性. 通過有效的互聯(lián)網(wǎng)資源和合理的軟件構(gòu)架得以實現(xiàn). 本文對應(yīng)的自主研發(fā)的Android控制端APP[7]采用的是 C/S 構(gòu)架， 即客戶端 /服務(wù)器構(gòu)架， 當(dāng)客戶端發(fā)出請求后， 服務(wù)器要做出響應(yīng)并給出參數(shù)采集或定位功能回復(fù).

2 檢測定位終端

圖 2 檢測定位終端結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of detection and location terminal

檢測定位終端由5個功能模塊組成： 北斗定位模塊、 心率檢測模塊、 體溫檢測模塊、 通信模塊以及主控單元模塊. 檢測定位終端結(jié)構(gòu)如圖 2 所示.

心率檢測模塊獲取心率信號波形， 通過主控單元的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并計算心率值， 然后將心率值保存到數(shù)據(jù)寄存器， 體溫采集模塊輸出為數(shù)字量， 通過主控芯片的IIC進(jìn)行接收并存儲， 北斗定位模塊主要實現(xiàn)定位信息的采集， 北斗模塊獲取當(dāng)前地理位置、 時間等信息并將其傳送給主控單元(STM32處理器)， 經(jīng)過分析處理后， 借助于GPRS網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)形式將以上信息發(fā)送到服務(wù)器. 主控單元主程序流程如圖 3 所示.

圖 3 主控單元主流程圖Fig.3 The flow chart of main control unit

2.1 心率采集模塊

市面上應(yīng)用最廣的心率檢測方式為心動電流測量和光電透射測量， 經(jīng)過分析比較幾種心率采集模塊， 心動電流測量法需要多點監(jiān)測， 佩戴復(fù)雜， 難以適用于正常生活中的實時檢測， 本設(shè)計采用綠光光電透射測量， 使用AM2520貼片LED發(fā)光二極管作為綠光光源， 環(huán)境光傳感器GA1A1S202WP作為接收綠光的光電傳感器. 傳感器獲得光電信號， 經(jīng)過濾波、 功率放大得到需要的心率波形,通過波形處理并結(jié)合心率算法得到心率值. 心率檢測模塊硬件電路如圖 4 所示.

圖 4 心率檢測模塊電路圖Fig.4 The circuit design of heart rate detection

GA1A1S202WP環(huán)境光傳感器在正常工作狀態(tài)下， 輸出電流約為30 μA， 使用電阻R35將小電流轉(zhuǎn)化為便于處理的電壓信號. 為減少光電測量法的誤差， 如易受到其他臨近電路引起的電壓影響和噪聲， 需要通過低通濾波器進(jìn)行濾波， 低通濾波器由C41,C42,C43,R34組成， 其臨界頻率約為1.37 kHz， 即1.4 kHz 以上頻率的波形不能通過， 可濾除電路中絕大部分的紋波， 同時減少輸出波形毛刺. 濾波后需要通過MCP6001低功率運算放大器進(jìn)行電壓放大. 通過分壓電阻R36,R37， 輸出電壓為電源電壓的 1/2， 便于傳感器的調(diào)試使用. GAOUT接入到STM32的PA1， 利用其內(nèi)部ADC功能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換， 通過動態(tài)電壓比較算法獲得采樣值， 計算出當(dāng)前心率值.

2.2 體溫采集模塊

圖 5 體溫檢測模塊電路圖Fig.5 The circuit design of body temperature detection

溫度傳感器包括數(shù)字溫度傳感器、 紅外溫度傳感器等. 系統(tǒng)主控芯片STM32f103內(nèi)部自帶的數(shù)字溫度傳感器為DS18B20， 測量范圍為-55 ℃～+125 ℃， 但是DS18B20在體溫測量的一般溫度環(huán)境下有±0.5 ℃的測量精度， 正常體溫在37.5 ℃左右浮動不大， 而體溫要求精準(zhǔn)， 對于0.5 ℃的誤差可能導(dǎo)致體溫正常與異常判斷出錯， 因此 0.5 ℃ 的誤差相對來說太大. 紅外溫度傳感器原理是在不直接接觸待測物體的情況下， 依據(jù)紅外線的輻射所產(chǎn)生電壓獲得溫度值. MLX90615是用于非接觸式人體紅外溫度測量傳感器. 檢測系統(tǒng)檢測人體體溫采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器 MLX90615， 用于非接觸式人體紅外溫度測量傳感器. 對紅外線靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP(專用信號處理電路)被集成在同一個TO-46密封罐封裝里[2]. 由于集成了低噪聲放大器， 16 b ADC和強大的DSP單元， 使得高度集成和高精度的溫度計得以實現(xiàn)[7]， 讀數(shù)精度為0.02 ℃. 體溫檢測模塊硬件電路如圖 5 所示.

2.3 北斗定位模塊

比起其他的導(dǎo)航系統(tǒng)， 北斗的短報文通信服務(wù)具有較大的優(yōu)勢， 從而可以使中心控制系統(tǒng)與用戶終端之間能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[8]. 北斗定位模塊由北斗天線和北斗信息接收模塊組成. 北斗信息接收模塊使用有源天線接收. 北斗定位模塊采用和芯星通UM220-III模塊， 具有北斗/GPS雙系統(tǒng)高性能定位功能， 功耗低， 適用于本設(shè)計. 主控芯片通過串口中斷的方式接收北斗定位模塊串口輸出的數(shù)據(jù)， 為&GNRMC語句， 是在 NMEA0183 協(xié)議的基礎(chǔ)上擴展的語句. 主控芯片判斷定位數(shù)據(jù)格式是否符合要求， 當(dāng)符合格式規(guī)范再給數(shù)據(jù)添加用戶標(biāo)識， 繼續(xù)下一步處理.

2.4 通信模塊

通信模塊應(yīng)用GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸. GPRS具有傳輸速率高、 資源利用率高、 接入時間短、 永遠(yuǎn)在線、 支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議、 收費合理等技術(shù)優(yōu)勢. 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小， GPRS的傳輸速率已經(jīng)足夠滿足系統(tǒng)需求. 常用的通信模塊一般分為內(nèi)帶 TCP/IP 協(xié)議棧和不帶有 TCP/IP 協(xié)議棧兩類. 本文通信模塊采用的是帶有 TCP/IP 協(xié)議棧的M35 4頻通信模塊， 其體積小， 功耗低， 可以提供本設(shè)計要求的數(shù)據(jù)傳輸和短消息、 語音通話等功能. 由主控模塊的輸入輸出串口與M35的TXD， RXD引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸. 主控單元通過AT指令對M35進(jìn)行初始化， 并通過TCP/IP協(xié)議與系統(tǒng)服務(wù)器建立連接并傳輸數(shù)據(jù).

3 系統(tǒng)服務(wù)器

生理信息監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[9]服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)處理和存儲， 其中使用到ms sql server數(shù)據(jù)庫. 數(shù)據(jù)處理包括對定位數(shù)據(jù)的取舍處理， 只保存本設(shè)計用到的數(shù)據(jù). 下位機系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中保存， 其中定位信息和心率、 體溫數(shù)據(jù)以表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中. SIM卡號相當(dāng)于每一個記錄對應(yīng)的ID， 用于區(qū)分不同監(jiān)測對象. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫測試用表如表 1 所示.

表 1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫測試用表

4 監(jiān)護(hù)端軟件

圖 6 監(jiān)護(hù)端APP功能框圖Fig.6 The APP function framework for monitor terminal

安卓智能終端可以是安卓智能手機也可以是手持平板等智能設(shè)備， 用戶首先登錄定位軟件， 輸入正確的 SIM卡號和密碼才能登錄系統(tǒng)， 之后會進(jìn)入功能菜單選擇， 用戶可以根據(jù)需求選擇， 然后進(jìn)入界面去使用相應(yīng)功能. 手機定位軟件 UI設(shè)計框圖， 即監(jiān)護(hù)端APP功能框圖如圖 6 所示. 安卓手機終端上的檢測定位監(jiān)護(hù)軟件是基于Java語言編寫的， Java語言用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能程序化、 界面化顯示， 從而為用戶提供可以操作的各種各樣的應(yīng)用功能. 常用的APP設(shè)計軟件包括eclipse, Android Studio及AppCan等， 選用eclipse作為IDE(開發(fā)工具)對APP進(jìn)行設(shè)計開發(fā). 編譯環(huán)境eclipse需要在最低版本要求的JDK安裝成功的環(huán)境下進(jìn)行安裝運行. 電子地圖調(diào)用百度地圖SDK， 百度地圖提供的Android定位SDK是為Android移動端應(yīng)用提供的一套簡單易用的LBS定位服務(wù)接口[10]. 定位界面如圖 7 所示.

通過訪問Webservice指定的URL訪問數(shù)據(jù)庫， 與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互需要定義 json 對象， 將用戶名和密碼放入定義的 jsonParams中， jsonParams作為參數(shù)用于后續(xù)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)請求去判斷用戶名和密碼是否與數(shù)據(jù)庫中的一致， 如果一致則登錄成功， 跳轉(zhuǎn)到主界面， 否則通過Toast提示錯誤信息.

圖 7 定位界面Fig.7 The positioning interface

圖 8 實時監(jiān)測界面Fig.8 The real time monitoring interface

主頁面即功能菜單選擇頁面， 通過findViewById()與相應(yīng)功能控件相對應(yīng)， setOnClickListener用于監(jiān)聽事件， 當(dāng)有點擊按鈕事件發(fā)生時， 通過Intent跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的子界面. 在實時定位功能界面， 使用OverlayOptions類對從數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)信息在地圖上的坐標(biāo)點進(jìn)行標(biāo)注. 實時檢測UI設(shè)計采用列表的形式進(jìn)行直觀的數(shù)據(jù)顯示， 通過手動布局， 并由String字符串將數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)位置. 如點擊檢測按鈕， 顯示實時遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)， 實時監(jiān)測界面如圖 8 所示.

歷史查詢界面主要是對過去某段時間的心率、 體溫或位置數(shù)據(jù)進(jìn)行還原， 涉及到時間的設(shè)置， 當(dāng)程序中監(jiān)聽到時間設(shè)置事件時， 會拋出時間選擇框來讓用戶進(jìn)行時間范圍的選擇. 時間設(shè)置完成后， 當(dāng)監(jiān)聽到查詢按鈕時， 會啟動子線程， 子線程完成對數(shù)據(jù)的解析和分揀以后交給Hander對象， Hander對象作為隊列型的處理對象， 通過Runnable接口更新UI.

圖 9 心率波形Fig.9 The HR waveform

5 結(jié)果及結(jié)論

硬件測試平臺為STM32F103ZET開發(fā)板， 通過串口PA1接收心率波形， 在接收端通過示波器觀察心率波形如圖 9 所示. 通過I2C接口讀取體溫檢測結(jié)果， 根據(jù)體溫補償?shù)玫襟w溫檢測值.

為驗證設(shè)計的合理性， 挑選出年齡在65歲以上的50位老年人作為測試樣本， 每次每人采集1 min， 進(jìn)行多次采集， 結(jié)果與符合國家標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測儀數(shù)據(jù)對比， 挑選其中代表樣本10組， 對心率、 體溫的多組監(jiān)測值與醫(yī)療設(shè)備測量結(jié)果對比如表 2， 表 3 所示.

表 2 心率監(jiān)測值與醫(yī)療設(shè)備測量結(jié)果對比

表 3 體溫監(jiān)測值與醫(yī)療設(shè)備測量結(jié)果對比

測量得到的心率、 體溫數(shù)據(jù)與醫(yī)療設(shè)備測量結(jié)果進(jìn)行對比， 兩者心率測量結(jié)果誤差在±2 time/min范圍內(nèi)， 體溫測量結(jié)果誤差為在±0.1 ℃范圍內(nèi)， 由于人體單位時間內(nèi)的體征差異， 誤差在合理的波動范圍. 測量對象為老年人， 體溫較低屬于正常現(xiàn)象.

實驗測得， 當(dāng)心率超出50～120 tim/min的范圍或體溫波動超出0.5 ℃時， APP健康中心顯示界面的數(shù)據(jù)呈紅色. 實驗證明： 本設(shè)計的結(jié)果保證了對老年人健康參數(shù)心率和體溫監(jiān)測的精準(zhǔn)度， 同時可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù).

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下， 科技更新?lián)Q代的速度越來越快， 電子技術(shù)與人們生活的聯(lián)系愈加緊密， 人人入網(wǎng)， 人人連接的時代已經(jīng)到來， 智慧城市的實現(xiàn)指日可待. 老年人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、 無線傳輸技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 將監(jiān)護(hù)人最關(guān)心的老年人身體狀態(tài)實時檢測并實時顯示， 同時將具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用于智慧城市建設(shè)[11]， 提供精準(zhǔn)安全的定位服務(wù)， 使得監(jiān)護(hù)人端可以得到可靠的位置信息. 通過測試， 可以得到被監(jiān)護(hù)人的心率、 體溫等數(shù)據(jù)， 并可以在生理參數(shù)出現(xiàn)異常時遠(yuǎn)程報警. 系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)， 遠(yuǎn)程報警的功能， 為智慧養(yǎng)老系統(tǒng)提供了可行性參考， 具有一定的實用性.

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