便携式智能远程监护系统设计_马艳娥.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering91随着社会不断发展以及科学技术不断进步，人们越来越注重自己的身体健康。在日常医疗、预防疾病等各方面都需要进行监护。目前我们常见到的有呼吸道疾病、心血管病等慢性传染病。传统医学模式下通常采用的是机械式或半电子化设备进行监护，然而这些仪器价格昂贵、体积庞大且无法持久性地工作。医学器械的性能也在不断提高，不但可以监测到人体生理参数，而且还能实时监测环境因素变化。在医院中，医护人员如果不能够及时发现病人出现疾病，会导致医护人员耽误工作且病人也不能得到及时治疗，这时就需要借助设备来帮助监护。但是传统的监护系统存在着效率低、成本高且只能检测部分数据却无法进行分析等缺点，所以便携式智能远程监护系统的实现，成为近些年来研究人员所追求的目标之一。1 便携式智能远程监护系统的硬件设计便携式智能远程监护系统其总体设计模块总共有十部分，STM32 是该系统的核心，按键模块可以对传感器进行阈值设定，也可以备份监护人的手机号码，按下按键可以发送强制报警短信。将整个模块通电后，两个传感器模块以及 GPS 定位模块会将采集到的数据传递给主控模块，然后通过显示屏进行显示，同时通过 Wi-Fi模块将数据传递给监护者手机 APP，当检测到数据不在阈值范围时，显示屏以及手机 APP 显示当前数据，并且短信报警模块会立刻发出报警短信，蜂鸣器也进行报警。系统设计结构框图如图 1 所示。1.1 单片机最小系统单片机最小系统的包括了主控模块、电源模块、复位电路以及晶振电路等。主控模块采用 STM32f103c8t6型号的单片机作为主控芯片，其工作时需要的电压为2V-3.6V，它是一个以 ARM 为核心的 32 位微控制器，具有 64KB 的 Flash 内存，因其采用的是哈佛结构，所以处理数据的速度很快，在其处于低功耗的情况下，唤醒它的时间能够达到微秒级别。电源模块的供电范围为 3.6V 到 15V。在室内时，可采用 5V 的 USB圆孔接口的电源线或者 USB梯形便携式智能远程监护系统设计马艳娥郝美妮成慧翔（晋中信息学院 山西省晋中市 030800）摘要：本文针对人体健康状况得有效监测问题进行深入研究，提出了便携式智能远程监护系统设计。本系统主要通过体温监测模块、心率血氧监测模块以及 GPS 远程定位模块对监护对象的生理参数和位置信息进行采集与存储，再通过主控制模块对所获取的数据进行处理，并将其传输至显示器，当监测的生理参数不在阈值范围内时，系统便会进行蜂鸣器报警，同时短信报警模块会将报警信息发送到监护人的手机上，或者按下相应按键，强制发送报警短信，监护人也可随时通过手机 APP 查看信息，实现对监护对象的安全监护。关键词：GPS 远程定位；STM32；定位技术；系统设计基金项目：1.2021 年度山西省高等教育“1331 工程”提质增效建设计划项目“智能专用车辆产业学院”（山西省1331 工程资助）；2.2021 年度山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下现代产业学院建设的探索与实践”（J2021930）；3.2022 年度山西省高等学校教学改革创新项目“工程认证背景下应用型本科电气专业人才培养模式改革研究”（J20221446）。图 1：系统设计结构框图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering92接口的电源线对系统进行供电；在户外时，为了便于携带，可以使用四节 4.8V 的蓄电池JST 插接电源线进行供电。本系统采用 ASM1117-3V3 芯片作为电源稳压电路的核心部件，它是一种可以将电源电压转换为可以使本系统正常工作在 3.3V 的 LDO。复位电路通过电阻与电容串联，开关与电容并联，电容接地，实现对单片机的复位。在给复位电路通电的瞬间，电容 C12 进行充电，NRST 为低电平，此时，系统自动进行复位，电源经过电阻 R7 持续对电容进行充电，直到电容 C12 充满，NRST 为高电平，电路恢复工作状态，自动复位结束。晶振电路的设计一共有两个。一个给单片机提供主时钟，通过内部的 PLL 倍频电路将 8MHz 扩大 9 倍，从而实现高速晶振，另一个给单片机内部的 RTC 提供时钟，使用 32.768KHz 的晶振。两个晶振电路中，晶振两端并联的两个电容可以协助晶振进行起振，稳定或改变晶振振动频率。电源指示灯电路通过并联两组串联的 LED 灯和电阻实现。两个电阻的作用都是给 LED 灯进行分压，从而对灯泡起到保护作用。1.2 GPS定位模块设计本设计采用GY-6M型号的芯片作为GPS定位模块，其主要功能是对经纬度采集，通过 TTL 与 MCU 串口进行数据传送，数据发送形式为 ASCII 码。通过 STM32单片机的串行接口，可以接收到来自该模块的经纬度。1.3 传感器模块设计体温监测模块采用的型号是 DS18B20，这是一种普通的数字测温仪，它以数字信号的形式输出，它的体积虽然小，但抗干扰性好，准确度高。因为它使用的是一根口线进行通讯，因此它与单片机之间相连的管脚只有2 脚一个。在没有外部电源的情况下，数据的读取、写入以及温度的变换都能够从数据线路中获取到电源。心率、血氧饱和度监测模块采用的是 MAX30102芯片。使用 I2C 进行串行通信，采用 PPG 技术，通过手指接触传感器对监护对象的心率血氧进行监测。其利图 2：系统的整体原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering93用一个发出红光 LED 灯和一个发出红外光的 LED 灯，对手指接触到传感器后反射的光线进行采集，再用 PD管将所获得的光信号转化为电子信号，再经过A/D变换，将其转化为数字信号，并将其存储起来，然后将其输入I2C 总线，可以减少了资源的消耗。1.4 独立按键模块设计本设计的四个独立按键，总共有 3 个功能。第一个功能用于调节体温、心率和血氧的阈值范围，第二个功能用于设置监护人的手机号码，第三个功能是按下 key3键后强制发送一条报警短信。1.5 Wi-Fi无线通信模块设计本设计中 Wi-Fi 无线通信模块采用型号为 ESP8266的芯片来实现数据的通信。该芯片能很容易地与其他电子装置进行连接，并且能很好地应用于其它元件，同时自带的缓冲区对系统的性能改善以及内存使用的降低帮助很大。1.6 GSM短信报警模块设计GSM 短信报警模块采用 4G 的 SIM800C 型号作为的主控芯片。该模块在本设计中用于发送报警短信。GSM 短信报警模块连接单片机的串口 1(TXD：PA9，RXD：PA10)接收 TTL 电平，以实现数据传输。1.7 OLED显示屏模块设计OLED 显示屏可以直接通过控制通电从而轻松控制每个子像素的颜色配比，最终混合出想要的颜色。因此可以显示各种颜色的数字，字母，汉字以及图片。本设计使用 SSD1306 型号的 OLED 显示屏显示蓝色字体，并对系统相关数据进行显示。1.8 蜂鸣器报警模块设计本设计使用的是由 NPN 型三极管作为驱动的 5V 有源蜂鸣器，直流电压不能使其工作，外部需要 2-3K 的脉冲信号，通过蜂鸣器的电流只有 30 毫安。将蜂鸣器BELL 的短引脚接 VCC，由于三级管 Q1 的 1 脚已经接地，为低电平，所以三级管 Q1 的 2 脚起一个开关的作用，如果与三极管 Q1 的 2 脚连接的 PB0 引脚提供高电平，相当于开关闭合，电流便会从 3 脚经过 2 脚流向 1脚，蜂鸣器 BELL 所在的电路通电，进行鸣叫报警；如果三级管 Q1 的 2 脚为低电平，相当于开关打开，蜂鸣器 BELL 上没有电流，就不会进行报警。系统的整体原理图如图 2 所示。2 便携式智能远程监护系统的软件设计2.1 主控模块程序设计便携式智能远程监护系统是一个功能十分卓越的系统，主控模块作为整个系统的控制枢纽，控制着每个模块之间的正常运作，是整个系统的核心，起着非常重要的作用。在软件设计中主要包括八个方面：将延迟时间以及每个模块的串口初始化；设置延迟时间；判断模块是否存在；数据的采集、存储、读取、显示（包括传感器模块以及定位模块）；无线通信；阈值判断；短信以及蜂鸣器报警；复位。其程序流程图如图 3 所示。2.2 Wi-Fi无线通信模块程序设计Wi-Fi 模块主要负责将数据传送到手机 APP 上。对系统初始化后，配置其工作模式为 STA，紧接着设置Wi-Fi 的名称和密码，然后通过给 Wi-Fi 模块连接路由器以实现网络连接，接下来设置连接模式为单路连接，之后对模块的 IP 地址以及端口进行设置，最后进行数据传输，将主控模块传入 Wi-Fi 无线通信模块的信息发送给手机 APP。2.3 GSM短信报警模块程序设计GSM 短信报警模块主要通过 AT 指令实现短信报警，在使用短信报警模块前，需要先将 SIM 卡插进模块图 3：主控模块程序流程图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering94的卡槽，将卡插入卡槽后红色灯慢闪，代表已经注册到网络。在本设计中需要发送中文短信，因此在在编写该模块的程序前，必须把监护人的手机号码和即将发送的报警短信的内容转换为 Unicode 码。3 便携式智能远程监护系统功能测试便携式智能远程监护系统主要包含九个模块，每个模块之间既相互独立又相互依存，硬件的完整性关系到整个软件系统能否正常运转，因此首先对整个系统进行软硬件进行测试。便携式智监能远程护系统实物如图 4所示。独立按键可以设置体温，心率和血氧的阈值上下限，也可以按下按键强制发送报警短信，同时蜂鸣器鸣叫报警，从而实现对监护对象的保护，还可以编辑短信接收者的个数及其对应的手机号码。心率与血氧阈值范围设置结果如图 5(a)所示，体温阈值设置结果 5(b)所示。短信报警的号码显示如图 6(a)所示，短信报警内容如图6(b)所示。由测试结果可知，独立按键的功能可以全部实现，蜂鸣器在强制发送报警短信时可以正常报警，OLED 显示屏也可以正常显示。4 结论通过对便携式智能远程监护系统的软硬件设计，能够实现对监护对象体温、心率、血氧的采集，并进行显示和报警，监护人也可以通过手机 APP 获取监护对象的实时监测信息，数据异常可进行自动报警和强制报警。参考文献1 崔昆峰,庞宇.便捷式多功能心电监护系统的设计与实现 J.生命科学仪器,2021,19(5):33-40.2 张宁,付炜平,孟荣等.室内空间定位方法研究综述 J.科学技术与工程,2022,22(3):882-892.3 潘运平.便携式智能心电实时监测系统设计与实现J.武汉理工大学学报,2021,43(8):64-71.4 屈海朋,王清珍,王斌.基于 STM32 便携式心电监护装置的设计 J.工业控制计算机.2022,35(2):94-95.5 孙丘伟,余臻.基于 GSM 的短信报警收发平台设计J.福州大学学报（自然科学版）,2019,36(8):92-92.6 孙瑞杰.基于 Wi-Fi 通信的便携式七导联心电监护系统设计 D.北京邮电大学,2017,12.作者简介马艳娥（1985-），女，山西省大同市人。硕士学位，副教授。研究方向为电子、通信与自动控制技术。郝美妮（2000-），女，山西省太原市人。学士学位。研究方向为通信工程。成慧翔（1985-），女，山西省太原市人。硕士学位，讲师。研究方向为智能控制。图 4：便携式智监能远程护系统实物图(a)心率与血氧阈值设置结果图(a)短信报警号码设置结果图(b)体温阈值设置结果图(b)强制短信报警内容显示结果图 5：独立按键阈值设置结果