基于Arduino的远程定位生理参数监测系统设计

　　2.1 生理参数测量模块

　　脉搏测量常用方法有：从心电信号中提取、通过血压测量获取、光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点^[8]。本系统采用PulseSensor网站设计的开源脉搏传感器。该传感器带有放大和消噪功能，测量时可直接戴在手指、或夹在耳朵上，供电电压为3~5V，输入信号为模拟量;实验利用开源的Arduino下位机程序和Processing上位机程序，可以方便的显示脉搏波形，便于进一步开发;此外，该传感器上外接一个LED，通过光强的变化显示脉搏的快慢。该传感器提供三个接线端，分别为电源、模拟信号输入、地。如图3所示，其硬件电路只需将信号线接ADC采集接口，接通电源和地，就可进行采集，采用采集频率为500Hz。

　　呼吸频率测量模块选取灵敏度高的热电阻Pt1000传感器进行呼吸频率信号的获取，其原理是人体呼吸时，呼吸气体之间会存在温差，把热敏电阻置于鼻孔出口处，其阻值将随呼吸的周期形成呼吸波，一分钟呼吸波的个数即为呼吸频率值。行走状态传感模块采用能提供三维加速度的集成传感器ADXL345，其原理是当人在行走和静止时，垂直加速度为1g，前后左右加速度为0;当人体在跌倒时大部分是前后或侧向跌倒，将导致前后左右加速度短时间内发生巨大变化。一方面，Arduino提供了ADXLxx开源设计;另一方面，具有串行SPI和I2C两种通讯操作模式， ADXL345与Arduino之间采用I²C通信。ADXL345符合标准的I²C总线规范，支持逐个字节和连续字节读取，其数据传输可以采用100kHz的标准模式或400kHz的快速模式。在快速模式下，采用连续读取可以保证数据输出的一致性，从而提高系统的准确性。此外，ADXL345可以依靠内部集成的一个FIFO存储器管理系统，对输出数据进行缓冲处理，降低CPU的负荷以及整个系统的能耗^[9]。如图3所示，设置ADXL345使用I²C通信方式，设置CS为高电平。

　　2.2 MXTOS2-200导航与GSM通信模块

　　卫星定位的基本思想是在一个三维坐标系中，确定一个点A(X0，Y0，Z0)，可以通过其他三个点建立一个三元二次方程组来求出此坐标点，从而得到该位置的准确定位。接收机是实现卫星导航最常见的用户终端设备之一，其原理是通过接收可见卫星的信号来获取信息，并通过相应算法处理得到当前载体位置、速度、时间，以及卫星状况等信息，实现有效的导航定位功能^[10]。Arduino平台提供了支持GPS库函数以及GPS的设计方案，系统采用北京时代民芯有限公司的具有GPS和BD-2双模导航功能的MXTOS2-200接收机板卡可以很好的与其对接。此板卡是射频前端、基带处理、定位软件、配套接口的高度集成，具有低功耗、小体积、高可靠、高性能等特点，可实现 GPS/ BD-2 单模、双模灵活定位模式^[11]，有两个串口支持4800~115200bps，默认为串口0输出。MXTOS2-200 从天线输入到串行输出的整个信号处理链包含在一个单独的模块当中。其数值基带主要包括AD采样，信号捕捉，信号跟踪和信号处理四个部分。GPS信号通过串口读取，因此只需将信号线接CPU的RXD就可获取GPS信号。

　　系统无线通信采用具有多种工作频带的GSM模块，其优点在于GSM可以提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择(短信);此外，Arduino平台提供了支持GSM库函数以及GSM的设计方案。新一代无线通信M10具有超低功耗和宽工作温度范围，为M2M应用提供了完善的GSM/GPRS短信、数据传输及语音服务，是M2M理想解决方案，适用于车载、个人跟踪、无线POS、智能计量、安防。M10可以工作在850/900/1800/1900MHz四频段，具有正常、关机、最小功能、闹铃等四种模式，上下行最大传输速率可达到85.6kbps。本系统主要应用GSM的短信功能，设计中接线只需将GSM_TX/GSM_RX/Modern_res连接到单片机串口相连(RXD/TXD)即可，如图3所示。其中，GSM_TX/GSM_RX用于收发信息，Modern_res用于模式选择。如果要使用语音功能，需在外围配备喇叭和咪头用于语音信号的输出与输入。在使用过程中，由于本设计只涉及到GSM发送短信息的功能，因此，只需将GSM_TX接单片机的RXD即可，Modern_res接入接口用于模式设置。