老年人健康伴侣——基于MXTOS2-200的远程老年人监测仪

　　摘要：采用提供高精度三维位置的MXTOS2-200模块和MXT8051 MCU模块设计了一种体积小巧的远程老年人监测仪。利用独特的过采样技术和低功耗、器件少的传感模块，通过对老年人心电、呼吸频率、行走状况(跌倒)等生理状态参数的实时采集测量，与正常生理参数范围做比较，进行预警动作。作品测试效果良好，当携带此监测仪的老年人在外出现异常时，集控中心的上位机接收到由监测仪中GSM/GPRS无线模块传送的位置信息和生理参数，实现快速定位和出勤急救，保障老年人的生命健康。

　　应用需求分析

　　需求分析

　　随着经济社会的不断发展和科学技术的迅猛发展，人们对自身的身体素质和健康水平有了更高的要求。不管是在日常生活中定期的体格检查，还是在特殊条件突发状况时人们都需要了解身体的各项生理参数，如常见的体温、呼吸频率、脉搏、血压、心电指数等等，以此作为初步的应急状况的筛查。然而社会节奏的加快导致人们照顾小孩(特别是刚出生的婴幼儿)和老人的时间精力都大为减少，特别是年迈的老年人有时候出门在外突发的一系列疾病都会在其体温、呼吸频率等指标上得以反映。新闻报导中，老人外出突发疾病等几乎每天都在发生[1，2]。

　　上述的需求告诉我们，有必要设计一些简单便携的兼具报警功能的医疗电子系统来辅助人们快速寻找急救突发状况的老年人，国内外类似的产品和概念近乎空白。如果借助这次北京时代民芯科技有限公司开发的能提供高精度的载体三维位置、时间信号等的GPS、BD-2 双模兼容接收机模块MXTOS2-200，可以实现老年人的快速定位，再加上相应的生理参数模块进行老年人的原始观测和及时预警。

　　应用领域

　　本次设计的监测仪作为老年人的健康伴侣，采取佩戴的手环和胸前贴附电极的形式作检测部件，实时采集检测老年人的生理参数，应用于突发状况的老年人的快速定位和急救。

　　此系统也可应用于平常的体格检查，定时地将各项数据传送到医生处做备案和分析，起到远程体检仪的作用。另外，如果将此系统加以完善制作应用于飞机或轮船上面，可以更加方便准确地检测出驾驶员的各项生理参数，结合提供的高精度的载体三维位置、时间信号和速度信息，为后续的各项生理参数与航程、地理位置、航速等关系分析作建模和研究。

　　现状

　　国内现状

　　在国内，基于便携式的生理参数监测仪的研究和开发有了较大发展，如祝顺燕、孟桥等使用RISC的 ARM 微处理器 S3C44B0X，设计了基于嵌入式系统的便携式心电图机[3]；马进、黄佐等提出了便携式多功能体检计设计的概念[4]；志宏、胡亮、邱峰志等采用CSN808模块设计了基于Windows CE人体生理参数监测系统，实现了对病人生理参数的实时监测[5]；于远程医疗方面的研究，也有相关报道，如洪婷、杨印根等采用多生理参数采集器与客户端PC机相连，客户端PC机通过Internet网与医院服务器相连而设计的一种方案[6]；天、陈万忠等利用GSM 模块TC35 和 C8051F320 单片机进行相关电路设计了人体生理参数采集传输系统[7]。

　　不难看出，国内的很多研究都只是单独研究设计了便携式的监测仪或者采用物联网的形式连接大型医疗设备，而且没有针对老年人的特点设计。本次设计，采用很少的传感、处理器件进行高速有效的采集和MXTOS2-200模块，兼具了便携和远程发送的特点，可以起到定位急救的作用，具有成本低、功耗低的优势。

　　国外现状

　　随着iPhone的普及和应用，App Store前些时间甚至推出了生理参数检测的iPhone客户端应用下载，配套的硬件采集模块可以购买[8，9]。如可随时测量血糖、血压和体重的iPhone新配件在英国上市，用户可以购置这样的部件如iBGStar进行日常自测自检，利用客户端软件随时将数据传送给医疗机构或与正常值进行对比，方便的进行远程医疗体检和危机状况处置。

　　方案总体设计及参赛作品目标

　　本次设计的基于MXTOS2-200的远程生理参数监测预警系统的总体设计方案主要包括：MXTOS2-200模块、主控MCU模块(将原来的MXT8051改进为51内核的pSoC CY8C38系列)、生理参数采集模块、蓝牙模块(代替GSM/GPRS与无线串口)、人机交互模块。设计整体框图如图1所示。

　　系统实现了心电、行走状况(跌倒)等生理参数(后期将实现脉搏、呼吸频率等)的采集和测量以及随时随地的GPS位置坐标和时间信息的获取和信号的传输。如果测量的心电等与预设值(标准范围)有差异或跌倒时，则通过人机交互模块进行信号和语音报警，并且启动通讯模块，将生理参数和位置信息传递到上位机或集控中心。这样模拟出老人在外遇到突发状况的情景，可以看到系统的各模块的运行；同时系统也可以用于日常的体检自查和远程数据传递，便于医师进行有经验的心电数据分析和疾病诊断。

　　软件设计

　　软件部分主要由MXTOS2-200OEM板卡与MXT8051开发板通讯模块、LCD显示模块、无线通讯模块和参数采样处理模块组成。其中总的软件流程图如图2所示。

　　硬件设计

　　硬件部分主要包括生理参数中的心电模块、行走状态传感模块、电源模块、MXTOS2-200导航模块、pSoC CY8C38主控模块、蓝牙无线模块以及LCD、LED电路。

　　系统主控制模块选取CYPRESS公司的pSoC CY8C38的单片机进行PCB绘制，其中的电源供给电路、晶振电路、复位电路、键盘扫描电路和LCD驱动电路可以进行电路设计，满足预期要求。主要是考虑了该款芯片内置的高速差分AD和可调的OP运算放大器。CY8C38 系列可以处理数十个数据采集通道以及每个通用输入/输出(GPIO)引脚上的模拟输入。 CY8C38 系列还具有易于配置的逻辑阵列，至所有 I/O 引脚的灵活路由，以及高性能的单周期 8051 微处理器内核。如图3所示为主控板最小系统原理图。

　　如图4所示，CY8C38与心电采集电路[10]配合组成的心电测量模块(左侧红黄蓝色线分别连接三个导联)。这部分为阻容高通滤波电路。如图5所示为LabVIEW上位机监测图，图中所示为某次测量的心电信号图。

　　MXTOS2-200模块[11]即本次比赛的核心部件，它将射频前端、基带处理、定位软件高度集成，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。前期将MXTOS2-200模块进行了焊接测试，采取RS232串口输出数据协议，后期需要采取其他方式与pSoC进行通信。如图6、图7为MXTOS2-200模块的使用模块和上位机监测结果。

　　行走状态传感模块采用能提供三维加速度的集成传感器芯片ADXL345设计，这在步行计数器里得到了很好的应用。图7为加速度传感器采用I2C通信与pSoC主控芯片结合的测试结果。

　　采用蓝牙或无线串口与上位机通讯进行数据交换作为演示，上位机可以采用NI公司的LabVIEW进行快速开发，编制很好的人机交互界面。后期开发可以需购置和制作GSM发短信模块(TC35模块)。如图8所示为集控平台上位机截图。

　　总结

　　远程医疗设备和突发危险的急救设备为人类的生命健康提供了强有力的保障，也满足了人们日益增长的物质需求，然而市场上还没有成型的便携的相关设备。本次采用北京时代民芯科技有限公司自主研发的MXTOS2-200定位模块和pSoC CY8C38处理器，设计了一种基于快速定位的远程生理参数监测系统——老年人健康伴侣，其中采用较为简单的基础元器件进行体温、呼吸频率等生理参数的采集和测量，并结合了MXTOS2-200模块提供的位置信息。

　　预期系统的制作完成，将会作为远程医疗监测急救设备的一种方案演示，能为今后的产品化提供一种思路。此方案和系统成本低廉，安全环保，易于携带。如果能推广生产，将会极大的减少针对老年人突发状况的急救时间，提高老年人们的生活水平。

　　参考文献：

　　[1] http：//news.163.com/10/0428/02/65AR77HJ00014AED.html

　　[2] http：//www.aynews.net.cn/Article/ShowArticle.asp？ArticleID=132942

　　[3] 祝顺燕.心电信号的采集和便携式心电图机的设计[D].南京：东南大学，2005

　　[4] 基于MXT8051的便携式多功能体检计设计[EB/OL].http：//www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/0703/article_1319_3.html

　　[5] 田志宏，胡亮，邱峰志.基于Windows CE的人体生理参数监测系统设计[J].天津科技大学学报， 2011，(04)：61-64

　　[6] 洪婷.远程生理参数采集器的研究与设计[D].上海：华东师范大学，2010

　　[7] 韩天.基于GSM无线远程通信的人体生理参数采集传输系统[D].长春：吉林大学，2011

　　[8] iPhone测量血糖和血压和体重的配件[EB/OL].http：//bbs.weiphone.com/read-htm-tid-4660636.html

　　[9] 视频：可随时测量血糖的iPhone新配件在英国上市[EB/OL].http：//v.youku.com/v_show/id_XMzgwNDQwODY4.html

　　[10] Analog Devices，AD620中文资料[Z/OL].http：//www.analog.com

　　[11] MXTOS2 -200使用说明[Z].v1.4.北京时代民芯科技有限公司

　　李威 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室（天津300072） 张强武 广东工业大学信息工程学院（广东 广州510006）