基于Arduino的遠(yuǎn)程定位生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 生理參數(shù)測(cè)量模塊

　　脈搏測(cè)量常用方法有：從心電信號(hào)中提取、通過血壓測(cè)量獲取、光電容積法。前兩種方法提取信號(hào)都會(huì)限制病人的活動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測(cè)量作為監(jiān)護(hù)測(cè)量中最普遍的方法之一，其具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)^[8]。本系統(tǒng)采用PulseSensor網(wǎng)站設(shè)計(jì)的開源脈搏傳感器。該傳感器帶有放大和消噪功能，測(cè)量時(shí)可直接戴在手指、或夾在耳朵上，供電電壓為3~5V，輸入信號(hào)為模擬量;實(shí)驗(yàn)利用開源的Arduino下位機(jī)程序和Processing上位機(jī)程序，可以方便的顯示脈搏波形，便于進(jìn)一步開發(fā);此外，該傳感器上外接一個(gè)LED，通過光強(qiáng)的變化顯示脈搏的快慢。該傳感器提供三個(gè)接線端，分別為電源、模擬信號(hào)輸入、地。如圖3所示，其硬件電路只需將信號(hào)線接ADC采集接口，接通電源和地，就可進(jìn)行采集，采用采集頻率為500Hz。

　　呼吸頻率測(cè)量模塊選取靈敏度高的熱電阻Pt1000傳感器進(jìn)行呼吸頻率信號(hào)的獲取，其原理是人體呼吸時(shí)，呼吸氣體之間會(huì)存在溫差，把熱敏電阻置于鼻孔出口處，其阻值將隨呼吸的周期形成呼吸波，一分鐘呼吸波的個(gè)數(shù)即為呼吸頻率值。行走狀態(tài)傳感模塊采用能提供三維加速度的集成傳感器ADXL345，其原理是當(dāng)人在行走和靜止時(shí)，垂直加速度為1g，前后左右加速度為0;當(dāng)人體在跌倒時(shí)大部分是前后或側(cè)向跌倒，將導(dǎo)致前后左右加速度短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化。一方面，Arduino提供了ADXLxx開源設(shè)計(jì);另一方面，具有串行SPI和I2C兩種通訊操作模式， ADXL345與Arduino之間采用I²C通信。ADXL345符合標(biāo)準(zhǔn)的I²C總線規(guī)范，支持逐個(gè)字節(jié)和連續(xù)字節(jié)讀取，其數(shù)據(jù)傳輸可以采用100kHz的標(biāo)準(zhǔn)模式或400kHz的快速模式。在快速模式下，采用連續(xù)讀取可以保證數(shù)據(jù)輸出的一致性，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此外，ADXL345可以依靠?jī)?nèi)部集成的一個(gè)FIFO存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，降低CPU的負(fù)荷以及整個(gè)系統(tǒng)的能耗^[9]。如圖3所示，設(shè)置ADXL345使用I²C通信方式，設(shè)置CS為高電平。

　　2.2 MXTOS2-200導(dǎo)航與GSM通信模塊

　　衛(wèi)星定位的基本思想是在一個(gè)三維坐標(biāo)系中，確定一個(gè)點(diǎn)A(X0，Y0，Z0)，可以通過其他三個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)三元二次方程組來求出此坐標(biāo)點(diǎn)，從而得到該位置的準(zhǔn)確定位。接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航最常見的用戶終端設(shè)備之一，其原理是通過接收可見衛(wèi)星的信號(hào)來獲取信息，并通過相應(yīng)算法處理得到當(dāng)前載體位置、速度、時(shí)間，以及衛(wèi)星狀況等信息，實(shí)現(xiàn)有效的導(dǎo)航定位功能^[10]。Arduino平臺(tái)提供了支持GPS庫函數(shù)以及GPS的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用北京時(shí)代民芯有限公司的具有GPS和BD-2雙模導(dǎo)航功能的MXTOS2-200接收機(jī)板卡可以很好的與其對(duì)接。此板卡是射頻前端、基帶處理、定位軟件、配套接口的高度集成，具有低功耗、小體積、高可靠、高性能等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn) GPS/ BD-2 單模、雙模靈活定位模式^[11]，有兩個(gè)串口支持4800~115200bps，默認(rèn)為串口0輸出。MXTOS2-200 從天線輸入到串行輸出的整個(gè)信號(hào)處理鏈包含在一個(gè)單獨(dú)的模塊當(dāng)中。其數(shù)值基帶主要包括AD采樣，信號(hào)捕捉，信號(hào)跟蹤和信號(hào)處理四個(gè)部分。GPS信號(hào)通過串口讀取，因此只需將信號(hào)線接CPU的RXD就可獲取GPS信號(hào)。

　　系統(tǒng)無線通信采用具有多種工作頻帶的GSM模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于GSM可以提供更高的數(shù)字語音質(zhì)量和替代呼叫的低成本的新選擇(短信);此外，Arduino平臺(tái)提供了支持GSM庫函數(shù)以及GSM的設(shè)計(jì)方案。新一代無線通信M10具有超低功耗和寬工作溫度范圍，為M2M應(yīng)用提供了完善的GSM/GPRS短信、數(shù)據(jù)傳輸及語音服務(wù)，是M2M理想解決方案，適用于車載、個(gè)人跟蹤、無線POS、智能計(jì)量、安防。M10可以工作在850/900/1800/1900MHz四頻段，具有正常、關(guān)機(jī)、最小功能、鬧鈴等四種模式，上下行最大傳輸速率可達(dá)到85.6kbps。本系統(tǒng)主要應(yīng)用GSM的短信功能，設(shè)計(jì)中接線只需將GSM_TX/GSM_RX/Modern_res連接到單片機(jī)串口相連(RXD/TXD)即可，如圖3所示。其中，GSM_TX/GSM_RX用于收發(fā)信息，Modern_res用于模式選擇。如果要使用語音功能，需在外圍配備喇叭和咪頭用于語音信號(hào)的輸出與輸入。在使用過程中，由于本設(shè)計(jì)只涉及到GSM發(fā)送短信息的功能，因此，只需將GSM_TX接單片機(jī)的RXD即可，Modern_res接入接口用于模式設(shè)置。