基于北斗RDSS遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李政清，關(guān)曉磊

（1.三亞學(xué)院，海南三亞　570200；2.北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司，北京　100070）

基于北斗RDSS遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李政清1，關(guān)曉磊2

（1.三亞學(xué)院，海南三亞570200；2.北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司，北京100070）

近年來，隨著戶外運(yùn)動(dòng)的興起，經(jīng)常發(fā)生探險(xiǎn)旅游人員傷亡走失的事件，故急需一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人員行蹤和生命體征信息的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；結(jié)合我國(guó)當(dāng)前推廣的北斗短報(bào)文服務(wù)，設(shè)計(jì)了基于北斗RDSS遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，生命體征傳感器包含脈搏傳感器、血氧傳感器、皮溫傳感器和三軸加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以對(duì)人員的脈率、皮溫、血氧飽和度以及體動(dòng)系數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)；經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)試上述參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

北斗RDSS；STM32單片機(jī)；生命體征傳感器

0　引言

近年來，我國(guó)大力發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。相比于國(guó)外技術(shù)，該系統(tǒng)除定位導(dǎo)航、精密授時(shí)功能外，還可通過星載通信中轉(zhuǎn)站，在用戶終端實(shí)時(shí)進(jìn)行雙向短報(bào)文文字通信。系統(tǒng)包括空間衛(wèi)星、地面收發(fā)基站、用戶終端三部分（如圖1所示），基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文利用北斗RDSS（radio determination satellite system無線電測(cè)定業(yè)務(wù)）設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)由生命體征傳感器、信號(hào)處理模塊、控制模塊、通信定位模塊構(gòu)成，原理框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理框圖

生命體征傳感器包括脈搏傳感器、血氧傳感器、皮溫傳感器和三軸加速度傳感器。其中脈搏傳感器用于采集人體脈搏波信號(hào)，得到脈率數(shù)據(jù)；血氧傳感器用于采集人體血氧飽和度數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)人體血液中的氧含量；皮溫傳感器用于采集人體皮膚溫度信號(hào)；三軸加速度傳感器用于測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)情況，得到體動(dòng)系數(shù)。GPS用于獲得人員的位置信息。傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用STM32F107FV微處理器作為控制模塊。由于北斗RDSS是主動(dòng)定位系統(tǒng)，在北斗二代中主要用于數(shù)據(jù)的傳輸，在這里，可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過打包壓縮傳送至后端監(jiān)控主機(jī)，以電子地圖的形式顯示人員的位置、脈率、血氧、皮溫和體動(dòng)系數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員生命體征。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1北斗RDSS模塊

RD120-2W北斗RDSS短報(bào)文通信板卡是基于北斗RDSS功能設(shè)計(jì)的收發(fā)一體化模塊，其接收載波頻率S波段（1.55～3.4 GHz），發(fā)射載波頻率為L(zhǎng)波段（1～2 GHz）；工作溫度-40～+65℃，存儲(chǔ)溫度-40℃～+80℃，可承受最大峰值加速度為6 g，脈沖持續(xù)時(shí)間11 ms，兩次沖擊間隔時(shí)間大于60 ms的半正弦波脈沖，滿足大多數(shù)系統(tǒng)工作環(huán)境要求；首次捕獲時(shí)間≤2 s，失鎖再次捕獲時(shí)間≤1 s，通信、定位成功率≥98%，響應(yīng)速度快；每條短報(bào)文容通信量最多為120個(gè)漢字［1］，可在50×70×10 mm的體積上實(shí)現(xiàn)北斗RDSS的基帶和射頻，通過藍(lán)牙模塊與手部或其他終端配套使用，其體積小、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于兼容北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航、車輛導(dǎo)航、海洋漁業(yè)、手持終端、氣象探測(cè)等領(lǐng)域［2］。

終端模塊與衛(wèi)星通信易受天氣等環(huán)境影響，在長(zhǎng)報(bào)文傳輸過程中，其數(shù)據(jù)傳輸誤碼率高達(dá)6.73%［3］，因此有效的傳輸控制成為傳輸成功與否的關(guān)鍵，故采用將數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分的方法，形成單個(gè)數(shù)據(jù)包，傳輸成功率可達(dá)95.5%。拆分后，在單個(gè)數(shù)據(jù)包前加包頭，即數(shù)據(jù)的序列信息（類型和編號(hào)），當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，發(fā)送端主動(dòng)發(fā)送查詢信息，根據(jù)其平均傳輸延時(shí)為3.8 s［4］，設(shè)置延時(shí)控制，若在10 s內(nèi)未收到響應(yīng)信息，重復(fù)三次查詢，仍未收到響應(yīng)，則判斷本次發(fā)送失敗，進(jìn)入下輪發(fā)送。若收到響應(yīng)，填寫包頭信息和發(fā)送序列，發(fā)給接收端。接收后，根據(jù)本次序列信息，與緩存中數(shù)據(jù)比對(duì)，若已正確接收，發(fā)送接收響應(yīng)，并還原為原始數(shù)據(jù)包，若錯(cuò)誤接收，則清空接收地址，等待下次接收。

2.2傳感與采集模塊

生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由加速度計(jì)，陀螺儀，磁性傳感器，皮電，溫度等各種傳感器整合而成。可實(shí)時(shí)采集脈率、血氧、皮溫、身體姿勢(shì)、位移等多種身體特征參數(shù)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，通過藍(lán)牙傳輸連接到職能終端上或存儲(chǔ)在內(nèi)置的記憶卡中。

1）紅外脈搏傳感器，利用特定波長(zhǎng)紅外線對(duì)血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化的敏感特性，檢測(cè)由于心臟的跳動(dòng)，引起手指指尖的血容積發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)過信號(hào)放大、調(diào)理等電路處理。其輸出反應(yīng)指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號(hào)同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出脈率。

2）心率傳感器，采用人體體表生物電檢測(cè)的方式檢測(cè)心臟搏動(dòng)產(chǎn)生的心電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路、A/D、數(shù)字信號(hào)處理、比較電路輸出同步于心臟搏動(dòng)的脈沖信號(hào)。檢測(cè)部位有手心、手腕、手臂、胸部等。該傳感器有效解決了在動(dòng)態(tài)情況下檢測(cè)心率有效性和準(zhǔn)確性的問題。廣泛適合于運(yùn)動(dòng)健身器材、汽車駕駛員心率檢測(cè)、消防員等特殊人群的心率監(jiān)測(cè)等。

3）血氧傳感器，以非介入方式測(cè)量血液中的含氧量，它以完全飽和水平的百分比來衡量，即血氧飽和百分比（Sp O2）。該測(cè)量基于血液中血紅蛋白的光吸收特性，在可見光譜和近紅外光譜內(nèi)，含氧血紅蛋白 （HbO2）與脫氧血紅蛋白（Hb）具有不同的吸收曲線。Hb吸收的紅光頻率的光線較多，紅外光（IR）頻率的光線較少。Hb O2則相反。紅光和紅外光LED盡可能相互靠近，通過人體中的單一組織位置透射光線。紅光和紅外光LED采用時(shí)間復(fù)用處理來透射光線，因此不會(huì)相互干擾。電路框圖如圖3所示。

圖3　血氧傳感器采集電路框圖

4）體溫傳感器，采用負(fù)濕度系數(shù)熱敏電阻為感溫元件，通過放大電路、AD采樣、USB通信等電路，將實(shí)時(shí)的體溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到計(jì)算機(jī)。該傳感器可應(yīng)用于基于PC的體溫采集系統(tǒng)，也可用于家庭日常的體溫測(cè)量。

5）三軸加速度傳感器，利用微型電容式三軸加速度傳感器MMA7260芯片，設(shè)計(jì)穩(wěn)定，防震能力強(qiáng)，可以用來對(duì)身體的姿態(tài)或者運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行檢測(cè)。其采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，可在4個(gè)靈敏度（±1.5 g/2 g/4 g/6 g）中選擇，還帶有低通濾波并做0 G補(bǔ)償，功耗低，工作時(shí)電流為500μA，休眠模式下為3μA，是電池供電的無線數(shù)據(jù)采集的理想之選。

由于系統(tǒng)使用環(huán)境復(fù)雜，變化無常，要求器件穩(wěn)定性好，出于可靠性的考慮，主控芯片單片機(jī)配備一個(gè)低電壓檢測(cè)器，一個(gè)時(shí)鐘安全管理系統(tǒng)和兩個(gè)看門狗定時(shí)器支持對(duì)可靠性的高度要求，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入低功耗模式，可延長(zhǎng)工作周期。

3　數(shù)據(jù)接口協(xié)議

生命體征傳感器模塊的對(duì)外接口采用藍(lán)牙無線傳輸，實(shí)現(xiàn)方式采用藍(lán)牙-串口方式，即生命體征傳感器與北斗模塊之間采用藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，在應(yīng)用上則采用串口方式進(jìn)行端口配置和數(shù)據(jù)傳輸。其中，藍(lán)牙傳輸中，生命體征傳感器的藍(lán)牙模塊以從設(shè)備形式存在，北斗終端藍(lán)牙模塊為主設(shè)備存在。

3.1藍(lán)牙串口傳輸速率

命令字及申請(qǐng)數(shù)據(jù)模式為19 200Baud；連續(xù)數(shù)據(jù)模式為57 600Baud；申請(qǐng)數(shù)據(jù)模式下的數(shù)據(jù)率為38 B/s；連續(xù)數(shù)據(jù)模式下的數(shù)據(jù)率為28×20=560 B

3.2北斗短報(bào)文

一組數(shù)據(jù)包大小為120×14 bits=1 680 bits=210 B；傳輸速率（秒卡）為1數(shù)據(jù)包/s。

生命體征傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過串口將數(shù)據(jù)送入藍(lán)牙模塊，然后通過藍(lán)牙無線輻射出去。根據(jù)接收命令的不同，發(fā)送數(shù)據(jù)分為單次數(shù)據(jù)和連續(xù)數(shù)據(jù)［5］。

1）單次數(shù)據(jù)：

單次數(shù)據(jù)即接收到“申請(qǐng)一組數(shù)據(jù)”命令后，發(fā)送一幀傳感器數(shù)據(jù)，其內(nèi)容包括脈搏頻率值、血氧飽和度、海拔高度、皮膚溫度和體動(dòng)系數(shù)。

表1　單次發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容

2）連續(xù)數(shù)據(jù)

當(dāng)需要進(jìn)行連續(xù)的體征監(jiān)測(cè)時(shí)，輸入“連續(xù)采集數(shù)據(jù)”命令，傳感器輸出數(shù)據(jù)格式如下。

表2　連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容

4　測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，單次采集測(cè)試結(jié)果如圖4～7所示

圖4　脈搏頻率值

圖5　血氧飽和度及皮膚溫度數(shù)值

連續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)，采集結(jié)果如圖8所示

圖6　體動(dòng)系數(shù)值

圖7　海拔高度值

圖8　連續(xù)采集數(shù)據(jù)

從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲得生命體征各項(xiàng)參數(shù)，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，結(jié)合北斗RDSS服務(wù)，能夠滿足對(duì)于生命體征的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)目的。但是，鑒于目前我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)逐步建立完善中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度在10～100 m范圍內(nèi)，因此本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中結(jié)合GPS模塊提高系統(tǒng)定位精度，充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)計(jì)實(shí)用性大大提高，滿足不同需求。

［1］沈華飛.北斗衛(wèi)星一代短報(bào)文通信技術(shù)及應(yīng)用［J］. 電子制造，2014，（23）

［2］李春華，藍(lán)天，楊健，等.“北斗”短報(bào)文通信系統(tǒng)在防洪減災(zāi)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)防汛抗旱，2014，24（2）：79-80.

［3］成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議［J］. 海洋技術(shù)，2008，27 （1）：26-28

［4］谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報(bào)文通信信道性能測(cè)試與統(tǒng)計(jì)分析 ［J］.氣象科技，2015，43 （3）：458 46.

［5］李大志，陳金春，管子銘，等.北斗短報(bào)文通信應(yīng)用接口設(shè)計(jì)［A］.第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)CSNC2011［C］.

Design of Remote Vital Signs Monitoring System Based on Beidou RDSS

Li Zhengqing1，Guan Xiaolei2
（1.San Ya College，Sanya570200，China；2.Beijing Aerospace Science and Industry，Century Satellite Technology Corporation Ltd，Beijing100070，China）

In recent years，with the development of outdoor sports，the events of the casualties always happen.Thus，it is badly in need of a remote monitoring system that can monitor the information of the personnel and vital signs in real time.In this paper，it designs the remote vital signs monitoring system based on Beidou RDSS with the Beidou short message service prompted in current.The monitoring system takes STM32 single-chip as the control core and the vital signs sensor includes the pulse sensor，blood oxygen sensor，skin temperature sensor and three-axis acceleration sensor to collect the data，which can monitor the pulse，skin temperature，oxyhemoglobin saturation and body dynamic coefficient synthetically.The test has proven that the system can accurately test the parameters above，which can meet the design requirements.

Beidou RDSS；STM32SCM；vital signs sensor

1671-4598（2016）05-0039-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.012

TP98

A

2015-11-01；

2015-12-15。

三亞學(xué)院科研項(xiàng)目（XYQN14-06）。

李政清（1986-），男，山西晉中人，碩士，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器方向的研究。