摘   要： 設(shè)計了一種基于GPS的移動式生命體征遠程監(jiān)測系統(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發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對采集到的信號進行分析，如果體征信號異常則通過GPS定位被檢測人的位置，并且發(fā)出救助信號。該系統(tǒng)的檢測裝置方便攜帶，攜帶者可隨身了解自己的身體情況，并可手動緊急求救報警。監(jiān)控中心能對各種體征異常狀況實施快速響應，根據(jù)不同情況對被監(jiān)測人員進行實時救助指導。
關(guān)鍵詞： 生命體征信號； 傳感器； 微處理器

    目前有很多專業(yè)必須長期工作在危險情況下，很容易遇到危險,比如消防員、礦工、深海潛水員等。考慮到這些人員的流動性和脆弱性，有必要對這些人員在工作時的生命狀況進行檢測。傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置會安裝很多阻礙這種情況發(fā)生的元器件,導致可穿戴裝置變得笨重[1]。先進的生物傳感器[2-3]對生命體征監(jiān)測，在極端環(huán)境的珠穆朗瑪峰也能運行良好，但它缺乏跟蹤能力；袖章式可穿戴的生命體征監(jiān)測[4]已被應用于對正常受試者和慢性阻塞性肺疾病課題的研究中，該設(shè)備通過間接測熱法能對受測者的身體運動和能源消耗進行有效的估計， 但是必須運用具體算法來提高估計的準確性;可穿戴智能背心[5]是一種可穿戴的監(jiān)測裝置，通過腰部的生物傳感器來采集信號,但其體積較大，不便于被監(jiān)測人員的運動；雖然也有腕式[4]生命監(jiān)測裝置，但是由于它只能檢測某個固定范圍內(nèi)運動的被監(jiān)測人員的生命體征，并且要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進行監(jiān)測，因此應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，不方便個人隨身攜帶，無法對在野外作業(yè)和旅游等移動人員進行實時監(jiān)測，并且對被監(jiān)測的移動人員發(fā)生意外情況時無法報警和定位，也無法進行實時救助指導。本文提出一種基于GPS/GPRS的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，可以對工作人員的生命體征信號進行遠程檢測。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    基于GPS的遠程生命體征監(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、脈搏傳感器檢測人體生命信號,并將采集到的模擬信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元在信號處理模塊中對接收到的信號進行去噪、放大等預處理；再通過A/D轉(zhuǎn)換得到生命體征的數(shù)字信號，在微處理器中對數(shù)字信號進行收集。當收集到滿足預定量的數(shù)據(jù)或者接收到GSM/GPRS信號要求發(fā)送生命信號時，將這些信號發(fā)送到遠程監(jiān)控單元；與此同時，可以將生命體征信號顯示在顯示器上，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，并實時監(jiān)控被監(jiān)測人員的體征狀況。一旦看到生命信號有異常或被監(jiān)測人員發(fā)出急救信號，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)被檢測人員位置快速地前往進行救援。

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，而且這些信號都能從胳膊或手腕上獲得。為了使人佩戴起來舒服,采用負溫度系數(shù)NTC(Negative Temperature Coefficient)MF51熱敏電阻。它具有體積小、精度高、反應靈敏、穩(wěn)定、抗老化等特點，且便于集成。熱敏電阻Rv和測量電阻Rm(精密電阻)組成一個簡單的串聯(lián)分壓電路，參考電壓Vref經(jīng)過分壓可以得到一個隨著溫度值變化而變化的電壓值VADC，這個電壓的大小將反映出NTC電阻的大小，從而也反映出相應溫度值。利用查表法可得出熱敏電阻的電阻值以及對應的溫度值。
    通過歐姆定律可以得到輸出電壓值VADC和NTC電阻值的一個關(guān)系表達式：
    VADC＝Vref×Rm/(Rv+Rm)          (1)
    在ADC進行數(shù)據(jù)采集的過程中,不可能每一個電阻數(shù)值在關(guān)系表中都正好是溫度所對應的ADC數(shù)值，所以需要在關(guān)系表中兩個數(shù)據(jù)的中間進行線性插值，從而進一步得到精確溫度值。設(shè)計后,其測溫范圍為32℃～46℃，響應時間≤10 s，測溫精度可達0.2℃。
    血壓傳感器采用BP300T芯片，它是專為電子血壓計開發(fā)的一款壓力傳感器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強等優(yōu)點，非常適用于腕式/臂式電子血壓計、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LM324四運算放大器實現(xiàn)對袖套壓力信號的分離。當裝置收到測量血壓指令時，微處理器控制微型直流氣泵電機令其工作（輸出高電平），氣泵對連接的袖套進行充氣，加大壓力，通過氣管與袖套相連的BP300T芯片傳感器對袖套的壓力進行采樣；當袖套壓力達到190 mmHg時停止充氣（輸出低電平），袖套的固定放氣閥由快到慢地進行緩慢放氣，同時血壓傳感器對袖套的壓力進行采樣；當微處理器檢測到袖套壓力的數(shù)值低于40 mmHg時，檢測結(jié)束。

    脈搏傳感器采用SHK-2000B+傳感器，其將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(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，具有靈敏度高、抗干擾性能強、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等特點。　　
2.2 數(shù)據(jù)處理單元
    數(shù)字信號處理器采用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8位定時器、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多組8路I/O端口以及多個內(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微處理器可在自動測量模式和手動測量模式工作。當在自動模式工作時，ATMEGA128微處理器將會定時循環(huán)采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，并向監(jiān)控中心發(fā)送檢測結(jié)果；當在手動模式工作時，ATMEGA128微處理器將等待按鈕指令檢測指定的體征，如體溫、血壓、脈搏。

     系統(tǒng)一旦監(jiān)測到嚴重的異常情況或被監(jiān)測人員自己連續(xù)按下緊急求救報警按鈕，ATMEGA128微處理器將自動開啟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是血壓檢測的流程控制。

2.3 遠程監(jiān)控
    遠程監(jiān)控中心運行在Windows XP系統(tǒng)中,通過C語言和MS SQL Server數(shù)據(jù)庫設(shè)計。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，并對接收到的數(shù)據(jù)進行檢測分析。當發(fā)現(xiàn)接收到生命信號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，先進行遠程救助指導。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在嚴重的異常狀況，需要到現(xiàn)場救助，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)控中心確認收到位置消息。在被監(jiān)測人員自己感覺嚴重不舒服的狀況下，也可以連續(xù)按下緊急求救報警，ATMEGA128微處理器將自動開啟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)中可以掌握被檢測人員的基本信息，這個在被檢測者佩戴檢測裝置時輸入，檢測結(jié)果是被檢測人員身體和位置的信息，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)字處理、遠程監(jiān)控3個部分協(xié)同合作得到。

    本文提出基于GPS的遠程生命信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過生理傳感器、微處理器、無線通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對采集到的與人體生命相關(guān)的信號進行傳遞與分析，可以應用于長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傳送到遠程監(jiān)控中心,還可以對其進行分析。同時，系統(tǒng)還能對佩戴人員的位置進行定位，并根據(jù)需要可以對佩戴人員進行遠程救助和現(xiàn)場救助；另外，該系統(tǒng)的監(jiān)測裝置使用嵌入式技術(shù),使結(jié)構(gòu)緊湊、輕便。
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