摘   要： 設(shè)計(jì)了一種基于GPS的移動(dòng)式生命體征遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過體溫、血壓、脈搏傳感器采集生命體征，并將采集到的信號(hào)經(jīng)過處理后傳送到微處理器中，微處理器在收到指令后將信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，如果體征信號(hào)異常則通過GPS定位被檢測(cè)人的位置，并且發(fā)出救助信號(hào)。該系統(tǒng)的檢測(cè)裝置方便攜帶，攜帶者可隨身了解自己的身體情況，并可手動(dòng)緊急求救報(bào)警。監(jiān)控中心能對(duì)各種體征異常狀況實(shí)施快速響應(yīng)，根據(jù)不同情況對(duì)被監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)救助指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞： 生命體征信號(hào)； 傳感器； 微處理器

    目前有很多專業(yè)必須長(zhǎng)期工作在危險(xiǎn)情況下，很容易遇到危險(xiǎn),比如消防員、礦工、深海潛水員等?？紤]到這些人員的流動(dòng)性和脆弱性，有必要對(duì)這些人員在工作時(shí)的生命狀況進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置會(huì)安裝很多阻礙這種情況發(fā)生的元器件,導(dǎo)致可穿戴裝置變得笨重[1]。先進(jìn)的生物傳感器[2-3]對(duì)生命體征監(jiān)測(cè)，在極端環(huán)境的珠穆朗瑪峰也能運(yùn)行良好，但它缺乏跟蹤能力；袖章式可穿戴的生命體征監(jiān)測(cè)[4]已被應(yīng)用于對(duì)正常受試者和慢性阻塞性肺疾病課題的研究中，該設(shè)備通過間接測(cè)熱法能對(duì)受測(cè)者的身體運(yùn)動(dòng)和能源消耗進(jìn)行有效的估計(jì)， 但是必須運(yùn)用具體算法來提高估計(jì)的準(zhǔn)確性;可穿戴智能背心[5]是一種可穿戴的監(jiān)測(cè)裝置，通過腰部的生物傳感器來采集信號(hào),但其體積較大，不便于被監(jiān)測(cè)人員的運(yùn)動(dòng)；雖然也有腕式[4]生命監(jiān)測(cè)裝置，但是由于它只能檢測(cè)某個(gè)固定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的被監(jiān)測(cè)人員的生命體征，并且要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此應(yīng)用范圍受到了極大的限制。
    總的來說，以上這些設(shè)備儀器的體積大，重量大，不方便個(gè)人隨身攜帶，無法對(duì)在野外作業(yè)和旅游等移動(dòng)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)被監(jiān)測(cè)的移動(dòng)人員發(fā)生意外情況時(shí)無法報(bào)警和定位，也無法進(jìn)行實(shí)時(shí)救助指導(dǎo)。本文提出一種基于GPS/GPRS的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)工作人員的生命體征信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    基于GPS的遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)控系統(tǒng)主要由生命體征采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元3部分組成，圖1給出了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。生命體征采集單元通過體溫、血壓、脈搏傳感器檢測(cè)人體生命信號(hào),并將采集到的模擬信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元在信號(hào)處理模塊中對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行去噪、放大等預(yù)處理；再通過A/D轉(zhuǎn)換得到生命體征的數(shù)字信號(hào)，在微處理器中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行收集。當(dāng)收集到滿足預(yù)定量的數(shù)據(jù)或者接收到GSM/GPRS信號(hào)要求發(fā)送生命信號(hào)時(shí)，將這些信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控單元；與此同時(shí)，可以將生命體征信號(hào)顯示在顯示器上，讓佩戴人員了解自己的身體狀況。監(jiān)控中心將接收到的生命體征信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并實(shí)時(shí)監(jiān)控被監(jiān)測(cè)人員的體征狀況。一旦看到生命信號(hào)有異?；虮槐O(jiān)測(cè)人員發(fā)出急救信號(hào)，則監(jiān)控中心向裝置發(fā)送位置定位指令；裝置接收到指令后開啟GPS定位模塊的定位功能,持續(xù)向監(jiān)控中心發(fā)送位置定位信息,監(jiān)控中心根據(jù)被檢測(cè)人員位置快速地前往進(jìn)行救援。

2 系統(tǒng)組成
2.1 生命體征采集單元
    體溫、血壓、脈搏能體現(xiàn)出人體的生命狀況，而且這些信號(hào)都能從胳膊或手腕上獲得。為了使人佩戴起來舒服,采用負(fù)溫度系數(shù)NTC(Negative Temperature Coefficient)MF51熱敏電阻。它具有體積小、精度高、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定、抗老化等特點(diǎn)，且便于集成。熱敏電阻Rv和測(cè)量電阻Rm(精密電阻)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)分壓電路，參考電壓Vref經(jīng)過分壓可以得到一個(gè)隨著溫度值變化而變化的電壓值VADC，這個(gè)電壓的大小將反映出NTC電阻的大小，從而也反映出相應(yīng)溫度值。利用查表法可得出熱敏電阻的電阻值以及對(duì)應(yīng)的溫度值。
    通過歐姆定律可以得到輸出電壓值VADC和NTC電阻值的一個(gè)關(guān)系表達(dá)式：
    VADC＝Vref×Rm/(Rv+Rm)          (1)
    在ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中,不可能每一個(gè)電阻數(shù)值在關(guān)系表中都正好是溫度所對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)值，所以需要在關(guān)系表中兩個(gè)數(shù)據(jù)的中間進(jìn)行線性插值，從而進(jìn)一步得到精確溫度值。設(shè)計(jì)后,其測(cè)溫范圍為32℃～46℃，響應(yīng)時(shí)間≤10 s，測(cè)溫精度可達(dá)0.2℃。
    血壓傳感器采用BP300T芯片，它是專為電子血壓計(jì)開發(fā)的一款壓力傳感器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于腕式/臂式電子血壓計(jì)、醫(yī)療按摩器等需要控制氣體壓力的設(shè)備和器械中。其傳感電路和外圍電路原理圖如圖2所示，傳感電路主要包括BP300T壓力傳感器和AD620儀用放大器，外圍電路則使用LM324四運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)袖套壓力信號(hào)的分離。當(dāng)裝置收到測(cè)量血壓指令時(shí)，微處理器控制微型直流氣泵電機(jī)令其工作（輸出高電平），氣泵對(duì)連接的袖套進(jìn)行充氣，加大壓力，通過氣管與袖套相連的BP300T芯片傳感器對(duì)袖套的壓力進(jìn)行采樣；當(dāng)袖套壓力達(dá)到190 mmHg時(shí)停止充氣（輸出低電平），袖套的固定放氣閥由快到慢地進(jìn)行緩慢放氣，同時(shí)血壓傳感器對(duì)袖套的壓力進(jìn)行采樣；當(dāng)微處理器檢測(cè)到袖套壓力的數(shù)值低于40 mmHg時(shí)，檢測(cè)結(jié)束。

    脈搏傳感器采用SHK-2000B+傳感器，其將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路、幅度調(diào)整電路、基線調(diào)整電路集成在傳感器內(nèi)部，輸出完整的脈搏波電壓信號(hào)，具有靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)?！　?br /> 2.2 數(shù)據(jù)處理單元
    數(shù)字信號(hào)處理器采用ATMEGA128微處理器。ATMEGA128微處理器是ATMEL系列高性能、低能耗AVR 8位微處理器，內(nèi)部集成兩個(gè)8位定時(shí)器、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多組8路I/O端口以及多個(gè)內(nèi)部和外部中斷源，完全滿足本裝置的輸入/輸出和A/D轉(zhuǎn)換需求。ATMEGA128微處理器主要外圍接口電路原理圖如圖3所示。ATMEGA128微處理器可在自動(dòng)測(cè)量模式和手動(dòng)測(cè)量模式工作。當(dāng)在自動(dòng)模式工作時(shí)，ATMEGA128微處理器將會(huì)定時(shí)循環(huán)采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并向監(jiān)控中心發(fā)送檢測(cè)結(jié)果；當(dāng)在手動(dòng)模式工作時(shí)，ATMEGA128微處理器將等待按鈕指令檢測(cè)指定的體征，如體溫、血壓、脈搏。

     系統(tǒng)一旦監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重的異常情況或被監(jiān)測(cè)人員自己連續(xù)按下緊急求救報(bào)警按鈕，ATMEGA128微處理器將自動(dòng)開啟GPS定位模塊的定位功能，并向監(jiān)控中心發(fā)出緊急求救信號(hào)和位置信息，等待救援。微處理器工作流程如圖4所示。圖5是血壓檢測(cè)的流程控制。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控
    遠(yuǎn)程監(jiān)控中心運(yùn)行在Windows XP系統(tǒng)中,通過C語言和MS SQL Server數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心將從GPRS傳輸過來的數(shù)字信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收到生命信號(hào)有異常并有一定持續(xù)性，則立即通過GPRS將救助方法傳送到數(shù)據(jù)處理單元的顯示裝置上，先進(jìn)行遠(yuǎn)程救助指導(dǎo)。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的異常狀況，需要到現(xiàn)場(chǎng)救助，則監(jiān)控中心向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送位置定位指令，數(shù)據(jù)采集裝置接收到指令后開啟GPS定位模塊的定位功能，向監(jiān)控中心發(fā)送位置定位信息，直到監(jiān)控中心確認(rèn)收到位置消息。在被監(jiān)測(cè)人員自己感覺嚴(yán)重不舒服的狀況下，也可以連續(xù)按下緊急求救報(bào)警，ATMEGA128微處理器將自動(dòng)開啟GPS定位模塊的定位功能，并向監(jiān)控中心發(fā)出緊急求救信號(hào)和位置信息，等待救援,具體的流程如圖6所示。從該系統(tǒng)中可以掌握被檢測(cè)人員的基本信息，這個(gè)在被檢測(cè)者佩戴檢測(cè)裝置時(shí)輸入，檢測(cè)結(jié)果是被檢測(cè)人員身體和位置的信息，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)字處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控3個(gè)部分協(xié)同合作得到。

    本文提出基于GPS的遠(yuǎn)程生命信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過生理傳感器、微處理器、無線通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對(duì)采集到的與人體生命相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行傳遞與分析，可以應(yīng)用于長(zhǎng)期在戶外工作的人員以及老年人的日常生活中。該系統(tǒng)不僅能正確將生命信號(hào)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,還可以對(duì)其進(jìn)行分析。同時(shí)，系統(tǒng)還能對(duì)佩戴人員的位置進(jìn)行定位，并根據(jù)需要可以對(duì)佩戴人員進(jìn)行遠(yuǎn)程救助和現(xiàn)場(chǎng)救助；另外，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置使用嵌入式技術(shù),使結(jié)構(gòu)緊湊、輕便。
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