基于FPGA的老年人健康安全监测系统设计_陈平.pdf

医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023基于 FPGA 的老年人健康安全监测系统设计陈平1，吴国盛1，2*，陈晓宇3（1.青岛大学电子信息学院，山东青岛 266071；2.青岛若贝电子有限公司，山东青岛 266000；3.北京工商大学计算机学院，北京 100048）摘要目的：研制一种老年人健康安全监测系统，以实现实时监测老年人的身体健康与安全状态。方法：该系统基于现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）设计，由 FPGA 主控系统、心率血压血氧检测模块、体温检测模块、GPS 定位模块、跌倒检测模块以及 4G 物联网模块组成。其中，心率血压血氧检测模块选用 JFH141 芯片，体温检测模块选用 LM75A 传感器，GPS 定位模块选用 WIT-6M-001 卫星定位模块，跌倒检测模块选用 MPU6050模块，4G 物联网模块选用 Core-Air724 芯片。结果：该系统可实现心率、血氧、血压、体温监测，跌倒检测，GPS 定位及数据的物联网上传，便于远程监测老年人的身体状态，可为老年人提供更多的安全保障。结论：该系统可满足实时监测老年人健康与安全状态的需求，具有一定的实用价值。关键词FPGA；老年人健康；健康监测；安全监测；可穿戴设备中国图书资料分类号R318.6；TH772.2文献标志码A文章编号1003-8868（2023）01-0047-06DOI：10.19745/j.1003-8868.2023008Design of FPGA-based elderly health and safety monitoring systemCHEN Ping1,WU Guo-sheng1,2*,CHEN Xiao-yu3(1.College of Electronics and Information,Qingdao University,Qingdao 266071,Shandong Province,China;2.Robei LLC,Qingdao 266000,Shandong Province,China;3.School of Computer Science and Engineering,Beijing Technology andBusiness University,Beijing 100048,China)AbstractObjectiveTo develop a health and safety monitoring system for the elderly to supervise their physical health andsafety status at real time.MethodsA elderly health and safety monitoring system was designed based on field programmablegate array(FPGA),which was composed of a FPGA main controller and several modules for heart rate,blood pressure andoxygen saturation detection,temperature detection,GPS positioning,fall detection and 4G Internet of Things(IoT).Thesystem developed used a JFH141 chip for the module of heart rate,blood pressure and oxygen saturation detection,a LM75Asensor for the module of temperature detection,a WIT-6M-001 satellite positioning module for the module of GPS positioning,a MPU6050 module for the module of fall detection and a Core-Air724 chip for the module of 4G IoT.ResultsThe systemdeveloped realized monitoring of heart rate,blood pressure,oxygen saturation and body temperature,fall detection,GPSpositioning and data IoT uploading,which facilitated remote monitoring of elderly peoples physical status and ensured theirsafety.ConclusionThe system developed can be used for real-time monitoring of elderly health and safety,and thus isworthy promoting practically.Chinese Medical Equipment Journal，2023，44（1）：47-52Key wordsFPGA;elderly health;health monitoring;safety monitoring;wearable device0引言随着我国人口出生率的急剧下降，人口老龄化程度进一步加深，农村乡镇甚至是县城及部分城市都出现年轻人短缺、空巢老人激增的现象1-2，老年人养老难便成为一个亟须解决的问题。目前大部分老年人处于居家养老状态3，由于年纪较大的老年人往往存在行动不便以及记忆力下降的问题，经常出现独居老人因摔倒无人发现而离世、患有阿尔茨海默病的老人走丢的现象。近年来相关的健康监测系统研究主要集中于专业的心电信号监测4-5，而针对老年人普遍需求设计的监测系统功能单一，不能满足基本需求。如董静涵6研究的基于单片机的人体健康监测系统只实现了心率与血氧信息的监测，功能过于单一；朱洪浪等7研究的基于单片机的多功能健康检测系统在董静涵6研究的基础上增加了血压与体温的监测，虽然功能进一步丰富，但监测数据只能在设备上显示，不能远程传输；能明凯等8研究的老作者简介：陈平（1997），男，硕士研究生，研究方向为芯片设计与系统集成，E-mail：。通信作者：吴国盛，E-mail：陈平，吴国盛，陈晓宇.基于 FPGA 的老年人健康安全监测系统设计J.医疗卫生装备，2023，44（1）：47-52.Thesis论著Thesis论著 47 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023图1老年人健康安全监测系统总体框图FPGA 主控系统4G 物联网模块GPS 定位模块体温检测模块心率血压血氧检测模块跌倒检测模块年人健康检测系统在前人的基础上又增加了 LoRa的无线数据传输功能，虽然实现了监测数据的传输但限于 LoRa 技术的缺陷，数据只能传输 1520 km。故本文基于上述研究的不足，设计一种基于现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）的老年人健康安全监测系统。本系统的主要功能为通过老年人身上的健康监测、摔倒检测以及定位传感器将自身的健康数据等通过 4G 网络上传至云端平台，使监护人员或医疗社区及时了解老年人的身体状态信息，做出相应的救助。本文设计的系统相比专业的心电监测系统更能满足老年人日常需求，且价格便宜。1总体方案设计本系统采用模块化设计方法，使用 FPGA 实现对多个传感器数据的采集、分析、处理以及物联网的通信。本系统的总体框图如图 1 所示，主要包括 FPGA主控系统、心率血压血氧检测模块、GPS 定位模块、体温检测模块、跌倒检测模块以及 4G 物联网模块。FPGA 主控系统负责所有外围模块的工作流程控制、数据采集获取以及数据信号处理，所有采集到的信息先在 FPGA 主控系统中进行数据的滤波，之后统一封包传递给 4G 物联网模块，通过物联网将信息上传至云端平台，在计算机显示相关信息，实现对佩戴人的健康状态监测。FPGA 主控系统通过设计状态机的方法实现，控制流程图如图 2 所示。2系统设计2.1心率血压血氧检测模块心率血压血氧检测模块选用惊帆科技的 JFH141芯片。该芯片是一种多光谱的生理数据测量模块，一体化集成了红光、红外光、绿光三光源 LED，可用于测量血氧饱和度，并通过光电容积描记（photoplehysmography，PPG）法检测血压、心率的变化。该模块使用通用异步收发器（universal-asynchronous receiver/transmitter，UART）协议将采集到的血压、血氧、心率数据直接输出。如图 3 所示，心率血压血氧检测模块主要包括5 个子模块，各部分具体的工作流程如下：上电后 ctrl 控制模块通过uart_tx 数据发送模块将传感器控制命令发送至传感器，传感器收到开始指令开始采集数据，并将数据传回。uart_rx 数据接收模块获取回传数据并传递给 decode 数据解析模块进行译码解析，滤除冗余数据得到原始心率、血压、血氧信息。为进一步提高数据准确性，将各类原始数据分别经 mean_ filter滤波处理模块进行均值滤波处理，滤波结束将数据传出供数据处理系统使用，并反馈给 ctrl 控制模块完成信号，之后 ctrl 控制模块发出采集结束指令，一次采集流程结束。2.2体温检测模块体温检测模块采用 LM75A 数字温度传感器，这是一款数字接口的温度传感器，通过集成电路总线（inter-integrated circuit，IIC）协议进行通信。该模块的测量范围为-55125，精度达到 0.125，可满足测量人体体温的需求。该模块测得的温度信息直接以数字信号形式输出，便于数字系统获取。FPGA 主控系统与该模块的数据通信通过设计状态机完成，状态转移图如图 4 所示。状态机的状态转移过程模拟的是 IIC 协议通信流程，通过此协议向该模块内部的寄存器写入读取数据的命令，即可获取内部储存的温度数据。2.3GPS定位模块GPS 定位模块使用维特智能的 WIT-6M-001 卫星定位模块，其在 3.3 V 电压下连续运行的工作电流小于 25 mA，定位精度最高可达 2.5 m。该模块与图2FPGA主控系统控制流程图空闲状态数据采集检测到开始信号？数据处理数据有效？数据上传上传成功？否否否是是是图3心率血压血氧检测模块设计图JFH141 芯片uart_rx数据接收模块输入信号状态指示ctrl 控制模块命令7：0uart_tx数据发送模块完成信号输出信号原始数据decode数据解析模块mean_filter滤波处理模块均值数据31：0心率7：0血氧7：0高压7：0低压7：0完成信号陈平，吴国盛，陈晓宇.基于 FPGA 的老年人健康安全监测系统设计J.医疗卫生装备，2023，44（1）：47-52.Thesis论著 48 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023控制系统采用 UART 协议通信，输出 NMEA-0183格式的定位数据，每帧数据都以“$”作为帧头标识符、以回车和换行符作为帧尾标识符。为得到所需的经纬度数据，控制系统需要检测每帧数据的帧头、帧尾标识获取一帧完整的原始数据，并根据帧内指示信息处理数据，剔除无用信息，将有效定位数据保存并输出。2.4跌倒检测模块目前