可用于智能养老院系统终端的电路设计*

陈迪荣，李文钧

(杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018)

随着我国经济文化的快速发展，我国人口结构发生巨大的变化，老龄化趋势越来越明显，我国已经进入了老龄化发展的快速阶段。同时，根据我国养老服务“十二五”计划，要在“十二五”期间，我国要建立一个具有中国特色的社会养老服务体系。因此，社会养老将越来越受重视，而作为社会养老方式之一的养老院养老更是由于其专业化、人文化满足了老年人对于生活照料、护理康复和精神关爱等方面的需求，受到了人们的热捧。随着养老院设施的日趋发展，老人生活质量提高的同时也给老人带来了许多的安全隐患。目前，市场上针对老人监护的产品很少，养老院管理人员往往没有一套合理的智能监护系统，在老人发生意外时，不能够及时的对老人进行救助，这将会带来不可挽回的遗憾。

针对以上问题，本文提出了一种基于MSP430单片机与射频无线通信技术方案可用于智能养老院系统终端的电路设计。很好的解决了老人监护防护的问题，方便了养老院管理人员的管理，保障了老人的安全。

1 系统硬件总体架构

本电路系统采用模块化设计，包括电源管理模块、核心控制单元模块、射频无线通信收发模块、加速度传感器防摔倒模块、GSM 通信模块、GPS 人员定位模块及辅助的控制电路。整体框图如图1 所示。

图1 系统整体框图

在实际应用中，该电路将被制作成腕带或射频卡佩戴在老人身上，老人在室内的时候，所佩戴的腕带或卡片通过与射频无线通信模块与读卡器通信，而读卡器可通过RS－485［1］与计算机通信，将信息通过计算机传递给相关的管理人员。在室外的时候，可通过核心控制单元模块来开启GSM 及GPS模块，实现人员的定位。在辅助控制电路中可实现紧急呼叫的功能。

2 硬件电路设计

2.1 电源管理模块

整个系统中各模块的电压分配如图2 所示。在本设计中，主要采用额定电压为3.7 V 的锂电池系统供电。其中，锂电池通过外加滤波及退耦电容给GSM 模块供电，另外，锂电池的电压通过AME8827－3.3 稳压模块转化后，可产生3.3 V 的电压分别给MSP430 单片机、加速度传感器、射频收发芯片及GPS 模块供电。其电源管理模块电路如图3 所示。

图2 各模块电压分配

图3 电源管理模块电路

2.2 核心控制模块

本设计采用的核心控制器是德州仪器公司(TI)生产的MSP430 149，MSP430 系列单片机是一种具有超低功耗Flash 型16 位RISC 指令集单片机［2］。选择MSP430 149 单片机芯片是管脚丰富，兼容性好，驱动能力强，支持SPI 通信，最主要还是其超低的功耗。核心控制模块主要由时钟晶振电路、复位电路、MSP430 149 单片机芯片及电阻、开关等组成。核心控制模块主要实现了数据的通信、采集、分析与处理。

2.3 射频无线通信模块

射频无线通信模块用到的主要芯片是NORDIC 公司生产的NRF24L01+这一工作在2.4 GHz 频段的无线通信芯片，采用了GFSK 调制，数据传输数率可达到2 Mbit/s，有125 个可选工作通道，具有很短的频道切换时间，可用于跳频，工作电压在1.9 V ～3.6 V［3］。该芯片具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为－6 dBm 时电流消耗为9 mA，在接收模式时为12.3 mA，掉电模式和待机模式下小号的电流更低。在本设计中主要用MSP430 149 单片机SPI 口［4］与NRF24L01+芯片的通信。NRF24L01+芯片上的MISO、MOSI、SCK 分别与MSP430 149 单片机的P3.1、P3.2、P3.3 连接。NRF24L01+与MSP430 149 单片机连接的电路如图4 所示。在系统上电工作时，MSP430 149 单片机通过SPI 口对NRF24L01+的状态进行配置，决定是发射模式还是接收模式。

射频无线通信模块中选择的天线为RAINSUN公司2.4 GHz 陶瓷天线AN9520，由于射频芯片的天线连接口的阻抗不是50 Ω，因此在射频芯片天线连接口和天线之间要有匹配网络。在本设计中匹配网络主要有四方面的作用:

(1)将输出的射频信号由平衡转化为不平衡连接到天线，起到巴伦的作用;

(2)将射频信号的输出阻抗变换到50 Ω 与天线相连;

(3)在发射模式下，可以抑制谐波低于规定的水平;

(4)在接收模式下，抑制本振信号的泄漏。

整个电路中PCB 设计很重要，一个好的PCB布局布线对射频性能有很大的影响。这里PCB 的布局布线的好坏将直接影响通信的距离和功能的实现，在本设计中，严格遵守射频PCB 板布局布线的规律与要求，元件布局紧凑，避免使用长的走线，去耦电容和元件的电源、地尽可能的靠近NRF24L01+芯片，同时要在PCB 板周围打上过孔，将多余的高频信号引入地中。

2.4 加速度传感器防摔倒模块

在设计中，防摔倒报警模块所用的加速度传感器是ADI 公司的ADXL345，这是一款小而薄的超低功耗3 轴加速度传感器，分辨率高，测量范围可达±16 gn，工作电压为2 V ～3.6 V［5］。通过采用SPI 数字通信，进行4 线配置与MSP430 149 单片机连接。ADXL345 芯片上的SCLK、SDIO、SDO、CS 分别与单片机P1 口的P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 4 相连。ADXL345 与单片机连接的电路如图5 所示。当老人摔倒时，ADXL345 与单片机通信，单片机通过射频收发芯片与读卡器通信［6］，读卡器将老人摔倒的信息传到计算机，管理人员便能及时采取救助措施。

图4 NRF24L01+与MSP430 149 单片机连接的电路

图5 ADXL345 电路图

2.5 GSM 通信与GPS 人员定位模块

随着GSM 移动通信网络的普及，GSM 通信模块和手机一样是非常重要的移动通信终端设备，应用十分的广泛。全球定位移动系统GPS 是美国开发的全球卫星定位系统，具有精度高、全球覆盖、方便灵活等优点［7］。为了缩小终端的体积，减小功耗，在本文设计中所采用的GSM 模块是SIMCOM 公司的SIM900，是一款低功耗的四频GSM/GPRS 模块工作电压为3.2 V ～4.8 VV，SIM900 性能稳定，采用SMT 封装，其体积很小，尺寸大小为24 mm×24 mm×3 mm［8］，非常适用于本设计中，而且性价比较高。采用的GPS 模块是U－BLOX 公司的LEA－5S。LEA－5S 外形紧凑，体积小，具有多种接口，方便使用，其工作电压为2.7 V ～3.6 V，正常工作电流为20 mA。

在本设计中，MSP430 149 单片机通过GPS 采集定位的信息，LEA－5S 模块的TX 接口与单片机的然后通过GSM 模块将定位信息发送到服务中心，来实现老人的监护与定位。GSM 模块如图6 所示。GPS 模块如图7 所示。

图6 GSM 模块电路图

图7 GPS 模块电路图

3 结束语

本文介绍了一种可用于智能养老院系统终端的电路设计方案。在实际应用中，所需的各项功能已通过模块化电路设计实现。该电路制成腕带或射频卡后体积小、携带方便，室内时识别距离为0 ～100 m，老人佩戴在身上后，房间和走廊上的读卡器能够准确读到腕带上的信息，并且读卡器能够及时将信息反馈给控制台的计算机通过软件显示出来。另外，我们开车将佩戴腕带的人员送到室外绕城实验，能够实现人员的精确定位，同时本设计产品还具有低功耗、安全可靠等优点。本设计的实现，满足了养老院管理人员的需求，为老人的安全提供了保障。同时，弥补了我国市场上针对老人监护产品的少的缺点，为相关研究人员提供了很好的参考。

［1］ 韩世进，张乐年.基于RS－485 的多路数据采集系统［J］.现代电子技术，2003，11:14－16.

［2］ 沈建华.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:1－11.

［3］ 刘志平，赵国良.基于nRF24L01 的近距离无线数据传输［J］.应用科技，2008，3:55－58.

［4］ 高章飞，朱善安. 基于MSP430 和nRF905 的多点无线通讯模块［J］.电子器件，2006，1:26－30.

［5］ Analog Devices，Inc.Digital Accelerometer ADXL345［EB/OL］.

［6］ 王冲，施玉霞，陆熊. 基于加速度传感器的无线人体动作测量设备［J］.单片机与嵌入式应用系统，2011，8:45－51.

［7］ 王超，肖亚苏，王化祥.基于GPS 和GSM 的车辆监控调度系统［J］.仪器仪表学报，2006，6:550－551.

［8］ SIMCOM，SIM900A 硬件设计手册［S］［EB/OL］.