心率监测定位报警系统设计

侍孝一，高冲红，丛　韫，武欣婷，童茜雯

(南京工程学院，江苏 南京 211167)



心率监测定位报警系统设计

侍孝一，高冲红，丛韫，武欣婷，童茜雯

(南京工程学院，江苏 南京 211167)

摘要为实现一种低成本的心率监测定位报警系统，在掌握全球定位系统(Global Position System，GPS)、全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)和光电式心率监测传感器工作原理的基础上，进行了基于STC12C5A60S2单片机、瑞士u-blox公司的GPS模块、SIMCOM公司的SIM300通信模块和脉搏传感器的系统实验，实验结果表明，在脉搏传感器监测到佩戴者心率突变超出正常水平时，系统能及时地将佩戴者的实时地理位置信息发送到与之绑定的手机上，实现了对佩戴者身体突发意外时准确及时的定位。系统各部件协作完成了实时定位、心率监测以及信息发送报警的功能。

关键词心率监测；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

联合国最近发布了全球人口展望报告，数据显示，到2050年36.5%的中国人在60岁以上，50岁以上人口则占一半。当下我国人口老龄化趋势加重，对老人的关心一直是社会热点。如何在老人外出活动身体突发状况时，第一时间掌握老人此时位置信息，是最常关心的问题。文献[1-3]阐述了GPS在定位方面的灵活应用；文献[4-5]研究了使用GSM进行远程控制；文献[6]实现了基于52单片机与GSM的灌溉监测系统。在前人研究的基础上，本文将研究重点指向人体监测与定位，并且将单片机、GPS、GSM和传感器整合起来，组成一个各部分既能独立工作又能与其他部分良好协作的系统，不局限于单个模块的使用。

1系统设计方案

系统原理如图1所示[7-8]，系统上电后GPS模块将及时定位搜寻卫星，获取此时所在地理坐标，并随着佩戴者的移动不断更新位置信息，显示器显示初始化信息和脉搏信息以及地理坐标信息。脉搏传感器则随时监测佩戴者心率，一旦监测到心率突变，超出正常范围，控制器则将老人此时的位置信息通过GSM模块发送到与系统绑定的手机上，实现实时监测。

图1　系统原理

1.1硬件设计

从实现功能出发选择硬件模块，系统主要由：u-blox GPS 模块、GSM模块(SIM300)、脉搏传感器模块(Pulse Sensor)、主控模块芯片STC12C5A60S2和液晶显示器LCD12864五个模块组成。

1.1.1u-blox GPS 模块

此芯片由总部设在瑞士的U-blox[9]公司推出，输出的定位数据采用美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association,NMEA)制定的协议NMEA-0183，采用美国信息交换标准码(ASCII)的形式来传递GPS信息帧[10]，模块与外部设备通信采用通用异步收发传输器(UART)，因此可以将采集到的地理信息通过UART的方式传送到单片机。在系统中负责准确接收地理坐标，模块内部的百万数量级的捕获引擎使得首次定位的时间大幅缩短。

1.1.2GSM模块(SIM300)

SIM300[11]是中国晨讯科技集团推出的小体积即插即用通讯模块，配置简单易上手且工作稳定可靠，通过串口接收AT 指令(AT Instruction)完成配置。在系统中负责将接收到的地理信息以及一些说明信息发送到指定的手机上。该模块基本实现了2G通讯的所有功能，因此在系统中可以加入接/打电话的功能。

1.1.3脉搏传感器模块(Pulse Sensor)

Pulse Sensor[12]是一款即插即用的光电式心率传感器，有别于传统的心电信号提取以及测量血压时压力传感器监测到的波动来计算脉率，传统的提取心率信号的方式都会限制人体的活动，长时间使用会增加人体生理以及心理上的不舒适感，此款可穿戴式的脉搏传感器方法简单、佩戴方便并且可靠性高，在系统中负责监测人体脉搏是否超出正常范围。

1.1.4主控模块芯片STC12C5A60S2

该芯片是宏晶科技有限公司生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机[13]，除了低功耗之外，该芯片的最大特点就是双串口，能满足同时接收GPS模块的地理信息和发送AT指令控制SIM300模块，是系统的控制中心，调度各个模块有序稳定的执行。

1.1.5液晶显示器LCD12864

带中文字库的128×64点阵图形液晶显示器内部含有国标一级、二级简体中文字库，可构成全中文人机交互图形界面。且接口方式灵活、操作指令简单、低电压低功耗也是该模块的显著特点。在系统中负责展示系统初始化信息、脉搏信息和地理信息，以便使用者获得更好的人机交互界面。

1.1.6系统电路原理

GPS信号发送到单片机需要通过串口，且单片机也只能通过串口发送控制SIM300的AT指令，单片机STC12C5A60S2的最大特点就是有2个相互独立的串口，因此可以很好地满足实验的要求。系统电路连接时将串口1、串口2分别与GPS和SIM300的数据口相连，如图2所示。

图2　电路原理

1.2软件设计

程序执行流程依据系统目的进行设计，系统上电之后，GPS模块、Pulse sensor模块、LCD12864模块和GSM模块分别进行初始化，脉搏传感器一直监视脉搏状态，未超出正常范围则正常显示脉搏和地理信息。一旦脉率超出正常范围，控制器则将此时地理信息通过GSM模块发送到系统绑定的手机上。系统断电后数据清除，下次系统上电后继续初始化，流程图如图3所示。

图3　系统工作流程

因为接收GPS信号和配置GSM都需要通过串口，因此对串口的设置显得尤其重要。在系统设计时将串口1用于获取GPS模块的地理信息，将串口2留作发送AT指令控制SIM300模块。串口初始化的关键代码如下：

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;

∥装初值

TH1= 0xFD;

TL1= 0xFD;

∥允许串行口接收数据

REN= 1;

∥启动定时器1

TR1= 1;

∥打开全局中断控制

EA= 1;

∥打开串行口中断

ES= 1;

/*串口2的初始化,用于控制SIM300,

不倍速,工作在方式1,10位异步收发*/

AUXR &=0XF7;

∥串口2 S2REN=1允许接收

S2CON=0x50;

∥设置成12T工作模式

AUXR &= 0XFB;

∥独立波特率发生器初值

BRT=0xFD;

∥BRTR=1独立波特率发生器开始计数

AUXR |= 0x10;

}

2需要解决的问题和关键技术

2.1心率传感器的精确测量及误差降低

借助STC12C5A60S2的10位A/D转换器，在极短的时间内完成模拟信号到数字信号的转化，结合脉搏传感器的芯片手册，只需要一路信号的模/数转换，因此在程序设计的时候，初始化一个IO口(P1.0)作为脉搏信号的输入，关键代码如下：

voidADC_init(unsigned char channel)

{

∥使能PlusePin作为A/D输入

P1ASF=ADC_MASK<

∥清除前次A/D结果

ADC_RES=0;

∥清除前次A/D结果

ADC_RESL=0;

∥调整A/D结果

AUXR1 |= 0x04;

∥使能ADC开始转化

ADC_CONTR=channel|ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START;

}

unsignedintanalogRead(unsigned char channel)

{

unsignedint result;

∥清除A/D转化标志

ADC_CONTR &=!ADC_FLAG;

result=ADC_RES;

result=result<<8;

result+=ADC_RESL;

ADC_CONTR|=channel|ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START;

return result;

}

为直观显示佩带者在某段时间内脉搏波动情况，在调试脉搏传感器时采用结合上位机的方式，做出一段时间内心率值的走向图以及某一时刻的心率值，图形数据来进一步检验脉搏传感器是否正确反映本征数据。实验所得图形数据较好地完成了验证，如图4所示。

图4　上位机采集的实时脉搏信息

2.2GPS信号的准确提取

在官方给出的使用说明中存在7种地理信息的帧格式，而根据系统设计需要，仅需准确获取地理坐标以及当前时间。但是u-blox GPS模块在接收时是将7种数据帧全部接收下来的，因此，任务就是在这7种信号帧中提取出一段基本帧。一种简便的出发点就是根据帧格式自身的格式特点进行区分接收，再根据时间日期函数更新成北京时间。选取的关键代码如下：

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 3∥这是串口1的接收GPS数据接收

{

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;

}

而后对比4、6、13位的特征字筛选出想要的地理信息数据帧，判断语句如下：

∥确定是否收到“GPGGA”这一帧数据

if(Flag_GPS_OK==1 &&RX_Buffer[4]==′G′

&&RX_Buffer[6]==′,′ &&RX_Buffer[13]==′.′)

3系统应用结果分析

根据实验所得，系统上电后先进行初始化，显示界面如图5所示。此后u-blox GPS模块快速地搜索卫星信号，捕捉卫星信息。在上电后的平均5 s内完成首次成功定位，之后液晶显示器可显示的地理信息如图6所示。Pulse Sensor脉搏传感器则可随时监测人体脉搏信息，在实验初期采用上位机接收脉搏传感器传回的脉搏数据绘制成图以供实验观察对比。系统工作中则将脉搏信息在LCD12864显示器上显示出，如图7所示。模拟时降低写入程序中的临界告警值，实验心率超出临界值的情况，此时主控芯片STC12C5A60S2在监测并确认脉搏超出后立即调用SIM300模块完成位置信息的发送，目标手机则接收到系统发来的短信，如图8所示。实践表明，以这个心率监测定位系统为平台，各个模块实现了各自的功能又很好地配合了主控单片机的调配，协作完成了心率监测报警任务，达到了实验的目的。此后，根据地理位置信息，可第一时间到达佩戴者出事场所。

图5　系统初始化界面

图6　显示接收的GPS信息

图7　脉搏监测信息

图8　绑定手机接收到的信息

4结束语

随着GPS的实用化、民用化，结合成熟的GSM应用，外加一款便携可穿戴的脉搏传感器，搭载于国产低功耗高性能主控芯片STC12C5A60S2之上，设计旨在完成当被监测者心率突变，体况极大可能变差情况下的及时报警、定位功能，并且实现了这一基本目标。从这一点来看，系统的应用范围很广，不仅仅可以为户外运动的老人所携带，例如某些大型野生动物园的管理者，常苦于对动物难以准确定位以及当其体征突变时不能及时地赶往救治，有了这种类型的产品则可以更好地简化动物园的管理，为相关实用领域提供便利。因此该设计是一个很有前景的实用模型，值得继续开发研究并丰富其功能，以期获得更好的使用体验，得到更广泛的推广，为生活、生产、工作和学习带来便利。

参考文献

[1]张樨.基于DSP/GPS/GSM/GIS的移动目标定位与监控系统设计研究[D].太原:中北大学,2007.

[2]王丽欣.基于GPS/GSM的车辆定位跟踪系统设计与实现[D].沈阳:沈阳工业大学,2013.

[3]白瑛.基于GSM网络的GPS导航系统研究[D].北京:中国科学院研究生院(电子学研究所),2006.

[4]徐之健,史伟民,彭来湖,等.基于GSM短消息的滚动式广告机远程通信控制系统[J].机电工程,2011(3):357-359.

[5]赵亭.基于GSM的智能空调控制系统设计[J].计算机测量与控制,2015(7):2 427-2 428.

[6]郁晓庆,张增林.基于STC89C52和GSM的灌溉远程监控系统[J].节水灌溉,2011(4):55-57.

[7]郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门提高开发拓展全攻略[M].北京:电子工业出版社,2009.

[8]张毅刚.单片机原理及接口技术(C51编程)[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[9]王丽秋.基于u-blox高灵敏精确定位系统[J].微计算机信息,2010(17):167-168.

[10]龙尚科技.智能手机集成u-blox公司定位技术[J].电子技术应用,2013(11):9.

[11]姚鹏修,章平,单春艳,等.SIM300和nRF24LE1的多通道无线数据采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013(7):47-50.

[12]ZHANG Ai-hua,MAO Yun-juan .Pulse Shape Study Based on Pulse Image Sensor[C]∥Proceedings of the Third International Symposium on Test Automation & Instrumentation (Vol.3).中国仪器仪表学会(CIS),2010:4.

[13]崔国丽,车喜龙.基于STC12C5A60S2与AD620的小信号采集系统[J].电子设计程,2012(11):112-114.

侍孝一男，(1992—)，无线通信专业。主要研究方向：无线通信。

高冲红女，(1994—)，电力通信专业。主要研究方向：电力通信。

作者简介

中图分类号TP277

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0009-04

基金项目：南京工程学院大学生科技创新基金资助项目(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，高冲红，丛韫，等.心率监测定位报警系统设计[J].无线电工程,2016,46(4):9-12，55.