摘 要： 設計了一種基于GPS的移動式生命體征遠程監測系統。系統通過體溫、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送到遠程監控中心。監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，并且發出救助信號。該系統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。監控中心能對各種體征異常狀況實施快速響應，根據不同情況對被監測人員進行實時救助指導。
關鍵詞： 生命體征信號； 傳感器； 微處理器
目前有很多專業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?？紤]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。傳統的監測裝置會安裝很多阻礙這種情況發生的元器件,導致可穿戴裝置變得笨重[1]。先進的生物傳感器[2-3]對生命體征監測，在極端環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，不便于被監測人員的運動；雖然也有腕式[4]生命監測裝置，但是由于它只能檢測某個固定范圍內運動的被監測人員的生命體征，并且要在網絡覆蓋范圍內進行監測，因此應用范圍受到了極大的限制。
總的來說，以上這些設備儀器的體積大，重量大，不方便個人隨身攜帶，無法對在野外作業和旅游等移動人員進行實時監測，并且對被監測的移動人員發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的生命體征監測系統，可以對工作人員的生命體征信號進行遠程檢測。
1 系統結構
基于GPS的遠程生命體征監控系統主要由生命體征采集單元、數據處理單元、遠程監控單元3部分組成，圖1給出了該系統的體系結構。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據處理單元。數據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轉換得到生命體征的數字信號，在微處理器中對數字信號進行收集。當收集到滿足預定量的數據或者接收到GSM/GPRS信號要求發送生命信號時，將這些信號發送到遠程監控單元；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。監控中心將接收到的生命體征信息保存到數據庫中，并實時監控被監測人員的體征狀況。一旦看到生命信號有異常或被監測人員發出急救信號，則監控中心向裝置發送位置定位指令；裝置接收到指令后開啟GPS定位模塊的定位功能,持續向監控中心發送位置定位信息,監控中心根據被檢測人員位置快速地前往進行救援。
2 系統組成
2.1 生命體征采集單元
體溫、血壓、脈搏能體現出人體的生命狀況，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NTC(Negative Temperature Coefficient)MF51熱敏電阻。它具有體積小、精度高、反應靈敏、穩定、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分壓電路，參考電壓Vref經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電阻值的一個關系表達式：
VADC＝Vref×Rm/(Rv+Rm) (1)
在ADC進行數據采集的過程中,不可能每一個電阻數值在關系表中都正好是溫度所對應的ADC數值，所以需要在關系表中兩個數據的中間進行線性插值，從而進一步得到精確溫度值。設計后,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的一款壓力傳感器，具有體積小、結構簡單、性能穩定、可靠性好、通用性強等優點，非常適用于腕式/臂式電子血壓計、醫療按摩器等需要控制氣體壓力的設備和器械中。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值低于40 mmHg時，檢測結束。
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、信號調理電路、幅度調整電路、基線調整電路集成在傳感器內部，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、性能穩定可靠、使用壽命長等特點。
2.2 數據處理單元
數字信號處理器采用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，內部集成兩個8位定時器、8路10位A/D轉換器、多組8路I/O端口以及多個內部和外部中斷源，完全滿足本裝置的輸入/輸出和A/D轉換需求。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采集各個傳感器的數據，并向監控中心發送檢測結果；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。
系統一旦監測到嚴重的異常情況或被監測人員自己連續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，并向監控中心發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 遠程監控
遠程監控中心運行在Windows XP系統中,通過C語言和MS SQL Server數據庫設計。監控中心將從GPRS傳輸過來的數字信息保存到數據庫中，并對接收到的數據進行檢測分析。當發現接收到生命信號有異常并有一定持續性，則立即通過GPRS將救助方法傳送到數據處理單元的顯示裝置上，先進行遠程救助指導。如果發現數據存在嚴重的異常狀況，需要到現場救助，則監控中心向數據采集裝置發送位置定位指令，數據采集裝置接收到指令后開啟GPS定位模塊的定位功能，向監控中心發送位置定位信息，直到監控中心確認收到位置消息。在被監測人員自己感覺嚴重不舒服的狀況下，也可以連續按下緊急求救報警，ATMEGA128微處理器將自動開啟GPS定位模塊的定位功能，并向監控中心發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，檢測結果是被檢測人員身體和位置的信息，通過數據采集、數字處理、遠程監控3個部分協同合作得到。
本文提出基于GPS的遠程生命信號監測系統，通過生理傳感器、微處理器、無線通信、網絡等技術，對采集到的與人體生命相關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。該系統不僅能正確將生命信號傳送到遠程監控中心,還可以對其進行分析。同時，系統還能對佩戴人員的位置進行定位，并根據需要可以對佩戴人員進行遠程救助和現場救助；另外，該系統的監測裝置使用嵌入式技術,使結構緊湊、輕便。
參考文獻
[1] MARTIN T, JOVANOV E, RASKOVIC D. Issues in wearable computing for medical monitoring applications: a case study of a wearable ECG monitoring device[C]. Proceedings of the 4th IEEE International Symposium on Wearable Computers, P.S. Pandian, K. Mohanavelu,K.P. Safeer,T.M. 2000.
[2] SATAVA R, ANGOOD P B, HARNETT B, et al. The physiologic cipher at altitude: telemedicine and real-time monitoring of climbers on Mount Everest[J]. Telemed J E Health 2000,6(3):303-13.
[3] SARDINI E, SERPELLONI M. Instrumented wearable belt for wireless health monitoring[J]. Procedia Engineering, 2010,5(9):580-583.
[4] ANLIKER U, WARD J A, LUKOWICZ P,et al. AMON: a wearable multiparameter medical monitoring and alert system[J]. IEEE Trans. Inform. Tech.Biomed,2004,8(4):415-427.
[5] PANDIAN P S, MOHANAVELU K, SAFEER K P. Smart vest:wearable multi-parameter remote physiological monitoring system[J]. Medical Engineering & Physics, 2008,30(4):466-477.