专家视野・ 一种基于ＡＲＭ＆ＧＳＭ的远程生命体征 监测系统设计 李卫红，周元隆，冯涛涛，邬杨波 （宁波大学信息学院，浙江宁波３１５２１ １） 摘 要：本文介绍了一种基于ＡＲＭ＆ＧＳＭ的远程生命实时监测系统。该系统主要包括ＡＲＭ控制系统、体温测量模块、脉搏测量模块和 ＧｓＭ无线通信模块，并开发了基于嵌入式 ｃ／ｏｓ—ＩＩ实时操作系统的软件系统。其中，ＡＲＭ微处理器ＬＰＣ２１ ３２用于分析处理数据，控制系统 的运行：体温、脉搏测量模块利用前端传感器将体温、脉搏等生命体征数据转换为电信号；在生命体征指标超标时，系统首先发出警 报声提示，如果使用者在一定时间内没对警报做出反应，ＧｓＭ无线通信模块则以短消息的形式通知预设的手机号码（如其家人）。本系统 具有时间设置、短信号码设置、报警阈值设置、ＦＬＡｓＨ数据回放等功能，操作简单，使用方便。 关键词：嵌入式系统；远程监测；生命体征；“ｃ／ｏｓ—ＩＩ；ＧＳＭ 随着社会生活节奏加快、人口老龄化加速，独生子女家 图１－１所示。 庭增多，许多人无暇照顾老人，越来越多的老年人因为在疾 病突然发作（如心脑血管疾病）或意外发生时无力呼救，得不 豫 ．．．．．．．．．．．．．．． Ｌ—＿＿－ 毂 髓辨、 挣 采 一 到及时的救治而死亡。对老年人进行实时的监护，越来越凸 显其重要性。目前，对这些生命体征的测量，国内普遍使用带 屯 蠖 邋 有ＣＲＴ或ＬＣＤ显示屏的便携式监护仪，可是监护仪体积庞大， 而且价格昂贵，不便于被监测人员的携带，对于那些需要实 时监护的人员就很难实现，比如需要在家中监护的病人或抢 险人员等。 本文设计的生命体征实时监视系统，能对体温、脉搏等 ■Ｈ ■奠● ■ ２系统硬件设计 该系统主要包括ＡＲＭ控制系统、体温数据采集模块、脉 搏数据采集模块￣ＩＧＳＭ／ＧＰＲＳ通信模块，如图２—１所示。ＡＲＭ控 制系统是整个系统的控制核心，它定时的通过体温采集模块 和脉搏数据采集模块采集体温和脉搏数据，对数据进行处 理，并进行存储。若发现其生理指标超出正常的范围，即通过 蜂鸣器进行报警。在一定时间内，如果用户没有关闭蜂鸣器， 就通过ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块发短信通知预设的手机号码。 生理机能指标进行实时监测，并对监测的数据做长期的数据 分析，为医生诊断提供初步的依据。当生理机能有一定程度 变异时提出适当的警示，如蜂鸣器鸣响等，同时可通过ＧＳＭ— ＳＭＳ网络以短信息的方式传送即时生理状况至家人，以便采取 相应的应急措施。该系统便于携带，而且价格低廉，不仅适用 于孤寡老人，同时也适用于养老院、幼儿园与住院病人等弱 势群体的使用。 １系统总体设计 该系统在ＡＲＭ微处理器的控制下，利用前端传感器将生 理状态数据转换为电信号，它定时的通过体温采集模块和脉 搏数据采集模块采集体温和脉搏数据，对数据进行处理，并 进行存储。若发现其生理指标超出正常的范围，首先发出警 报声提示，若使用者在一定时间内没对警报作出反应，则通 过ＧＳＭ无线通信系统通知预设的手机号码。系统总体结构如 收稿日期：２０１０—０５－０８ 作者简介：李卫红，宁波大学信息科学与工程学院。 ・专家视野 ２．１ ＡＲＭ控制系统设计 ３系统软件设计 作为整个系统的控制核心，ＡＲＭ系统的设计起到了至关 基于￣ｃ／ｏｓ—ＩＩ的软件系统运行流程主要有 ｃ／０ｓ—ＩＩ的初 重要的作用。本设计中，ＡＲＭ系统主要包括复位电路、电源电 始化、必要硬件的初始化、创建信号量和邮箱、创建系统任务 和启动￣ｃ／ｏｓ—ＩＩ多任务调度。当启动Ｉ￣Ｃ／ＯＳ－ＩＩ多任务调度以 路、时钟电路、ＦＬＡＳＨ存储接口、ＪＴＡＧ调试接口、按键电路、 ＬＣＤ显示和ＵＡＲＴ串口接口电路组成。 后，系统各任务按照各自的优先级，即可正常工作。 ２．２体温数据采集模块 Ｄａｌｌａｓ公司的ＤＳ１８Ｂ２０提供１２位（二进制）温度读数，指 示器件的温度，信息经过单线接口送入ＤＳ１８Ｂ２０或从ＤＳＩ８Ｂ２０ ４系统测试 ４．１体温测量测试 送出。从主机ＣＰＵ￣ＤＳ１８Ｂ２０仅需一条线（和地线）。ＤＳ］８Ｂ２０接 口极其简单，使用非常方便。由于每一个ＤＳ１８Ｂ２０在出厂时已 经给定了唯一的序号，任意多个ＤＳ１８Ｂ２０可以存放在同一条 单线总线上。在温度３Ｏ Ｏ＇Ｃ之间，ＤＳ１８Ｂ２０的平均误差小于 ０．２℃，且分辨率可达到０．１℃，基本满足系统的设计要求。 ２．３脉搏数据采集模块 脉搏测量的方法一般有两种，一种是压电法，一种光电 法。压电法一般是通过压电薄膜等材料，将手腕处的脉搏跳 动转化为电信号。这种方法对信号的放大和调理电路，提出了 较高的要求，且容易受到干扰。只要手腕处稍微一动，即可产 生较大的干扰信号。 本设计采用的脉搏测量传感器为ＨＫＧ一０７Ａ红外脉搏传感 器。ＨＫＧ一０７Ａ红外脉搏传感器利用红外线检测由于心脏跳动 而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、 调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉 率。 ２．４ ＧＳＭ模块ＭＣ３５ｉ 本设计中无线数据传输模块采用以Ｓｉｅｍｅｎｓ ＭＣ３５ｉ为核 心的ＧＳＭ通信模块实现。该模块主要包括ＭＣ３５ｉ、电源电路、 启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、ＳＩＭ卡电 路、指示灯电路等。模块的工作电压为３．３－５．５Ｖ，可以工作在 ９００ＭＨｚ和１８ｏ０ＭＨｚ两个频段，所在频段功耗分别为２Ｗ（９００Ｍ） 和ＩＷ（１８００Ｍ）。模块有ＡＴ命令集接口，支持文本￣ＵＰＤＵ模式的 短消息、第三组的二类传真、以及２．４ｋ，４．８ｋ，９．６ｋ的非透明 模式。此外，该模块通过ＺＩＦ连接器及５０Ｑ天线连接器，可分 别连接ＳＩＭ卡支架和天线。 该ＧＳＭ模块与ＡＲＭ通过ＲＳ一２３２串口相连，接口设计如图 ２－２。只要通过串口将专门的ＡＴ命令序列传送给ＭＣ３５ｉ，就可以 实现短信息的发送和接收了。 圈 ｍ脚擅口■甘 在正常情况下，同时用本系统和一专用电子温度计测量 一位正常人体的掌心温度。该体温计的精度为：当体温小于 ３５．Ｏ＇Ｃ时，精度为±０．２＂Ｃ；当体温位于３５．Ｏ＇Ｃ ３９．Ｏ＇Ｃ时，精度 为±０．１℃；当体温大于３９．０℃时，精度为±０．２＂Ｃ。系统的测 量数据为３０秒刷新一次，并每隔一分钟记录下ＬＣＤ显示的体 温数据，如表４一ｉ所示。 表４一Ｉ体温测量数据 雌 １ 】 ｌ ４ ｊ ● １ 枷 ） ｍ 孔１ 玎】 ｍ 玎】 ｌ７ｊ ｍ 柏ｊｆ ） ＩＩ．１ ｎ１ 玎】 ｍ 玎】 ｍ 玎】 从上表数据可知，本系统体温测得数据较稳定，与用体 温计测得的数据基本差０．２℃左右，考虑到体温计自身也有其 误差，所以可以推出本系统对体温的测量基本满足对精度的 要求（在０．４￣Ｃ以内）。 ４．２脉搏测量测试 在正常清况下，使用本系统对人体的脉搏进行测试。每隔 １０秒钟记录下ＬＣＤ显示的脉搏数据，同时人工对脉搏进行一 分钟计数，数据如表４—２所示。 表４－２脉搏测量数据 帅 地 量 抽 他 弛 蠡 堋 蚰 而 卫 霭 从上表可知，本系统对脉搏的测量基本满足要求，测量 误差控制在５％以内。 ４．３系统报警功能测试 设置系统报警的阈值，为了便于调试测量手指的体温， 其阈值为下限３０℃，上限３７℃，脉搏的阈值下限为５Ｏ，上限为 １００。 当人体的体温为２９－８℃，脉搏为８７时，体温值已经超出了 人体的正常范围。此时，系统报警，表现为蜂鸣器呜叫，在一 段时间以后，系统发送ＧＳＭ短信息进行报警。手机报警短信的 内容为： Ｗａｒｎｉｎｇ！ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：２９．８ 专家视野・ Ｐｕｌｓｅ：８７ ［３］Ｊｅａｎ Ｊ．Ｌａｂｒｏｓｓｅ著，邵贝贝译．嵌入式实时操作系统￣Ｃ／ＯＳ－－ ＩＩ（第２版）［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，北京，２００３年５月第１版． ［４］王田苗．嵌入式系统设计与实例开发一一基于ＡＲＭ微处理器与 ｃ／ ５结束语 该系统实现了对体温、脉搏等生理机能指标进行实时监 Ｏｓ—ＩＩ实时操作系统（第二版）［Ｍ］．清华大学出版社，北京，２００３年１Ｏ月 测，并对监测的数据做长期的数据分析的功能。当生理机能 第２版． ５］周立功．ＡＲＭ嵌入式系统软件开ｌ发实例 ．北京航空航天大学出版 有一定程度变异时提出适当的警示，如蜂鸣器鸣响等，同时 ［可通过ＧＳＭ～ＳＭＳ网络以短信息的方式传送即时生理状况至医 护１人员或家人，为临床正确诊断、及时治疗及护理提供了第一 社，２００５．１，４０ ６Ｏ． ［６］马少平，等．基于ＡＲＭ的ＧＰＲＳ远程终端设计与实现［Ｊ］．微计算机信 息，２００６，５（２）． 手资料和依据。同时，该系统便于携带，价格低廉，能很好地 ［７］Ｈ．ｓ．Ｎｇ，Ｍ．Ｌ．Ｓｉｍ，Ｃ．Ｍ．Ｔａｎ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｔｅｌｅｍｅｄｉｃｉｎｅ［Ｊ］．ＢＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｏｕｒｎａｌ・Ｖｏｌ ２４ Ｎｏ ２・ 普及到寻常百姓家中，具有非常广泛的适用性。 ［参考文献］ ［１］李战明，等．基于ＧｓＭ网络的人体生命体征远程监护系统的研究与 实现叫．微计算机信息（测控自动化），２００６，２２． Ａｐｒｉｌ ２００６． ［８］Ｊ．Ｗ．Ｚｈｅｎｇ， ｚ．Ｂ．Ｚｈａｎｇ，Ｔ．Ｉｊ．ｗｕ．Ａ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｏｂｉｈｅａｌｔｈ ｃａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ａｌａｒｍ［Ｊ］．Ｍｅｄ Ｂｉｏ Ｅｎｇ Ｃｏｍｐｕｔ（２００７）． ［２］周立功，等．ＡＲＭ嵌入式系统基础教程［Ｍ］．北京航空航天大学出版 社，２００４． ［９］ＳＩＭＥＮＳ ＴＣ３５ｉ系列ＧｓＭ模块参考设计指南［ｓ］．深圳市海粤达有限 公司，２００５． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｌｉｆｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＲＭ＆ＧＳＭ Ｌｉ Ｗｅｉｈｏｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｙｕａｎｌｏｎｇ，Ｆｅｎｇ Ｔａｏｔａｏ，ＷｕＹａｎｇｂｏ （Ｔｈｅ ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｒｅｍｏｔｅ ｌｉｆｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＲＭ７ＴＤＭＩ ａｎｄ ＧＳＭ ｉＳ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ＡＲＭ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ，ｐｕｌｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ＧＳＭ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ． Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕ ｃ／０ｓ—ＩＩ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＬＰＣ２１３２ ＡＲＭ ｍｉｃｒｏＤｒ０ｃｅｓｓｏｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉＳ ａｎｄ ｐｒｏｃｃｅｓｓｉｎｇ， ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ ｕｓｅ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｕｌｓｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｈｙｓｉｏ１ｏｇｉｃａｌ ｓｔａｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｄａｔａ． ｗｈｅｎ ｔｈｅｉｒ ｐｈｙｓｉｏ１ｏｇｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｉｓｓｕｅｄ ｓｉｒｅｎｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ，ｉｆ ａ ｕｓｅｒ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ ｎｏｔ ｔｏ ｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｗａｒｎｉｎｇ，ｔｈｒｏｕｇｈ ＧＳＭ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｍｅｓｓａｇｅ ｔｏ ｎｏｔｉｆｙ ｔｈｅｉｒ ｆａｍｉｌｉｅｓ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｍａｎ— ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｉｍｅ ｓｅｔｔｉｎｇ，ＳＭＳ ｎｕｍｂｅｒｓ Ｓｅｔｔｉｎｇ，ａｌａｒｍ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ＦＬＡＳＨ ｄａｔａ ｐｌａｙｂａｃｋ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ： Ｖｉｔａｌ ｓｉｇｎｓ； ｃ／０ｓ—ＩＩ，ＧＳＭ （上接第１２ｇ） ＨＲＰＤ ＳＳ验证这个响应是否正确。 ＤＯＲＵＩＭ卡在１ｘ网络中将使用ＣＡＶＥ认证，这如同ｌｘ ＲＵＩＭ卡在 终端通过了ＡＩ２认证并建立了ＥＶ—ＤＯ会话后，后续当终 １ｘ网络中一样。 端需要请求ＥＶ—ＤＯ无线连接时，可以仅执行较简单、快捷 当用ｌｘＲＵＩＭ卡接入ＥＶ—Ｄ０网络时，为了让１ｘ用户不需要换 的ＥＶ—ＤＯ空口认证签名过程：终端和网络先通过Ｄｉｆｆｉｅ— 卡就能接入ＥＶ—ＤＯ网络和使用ＥＶ—Ｄ０服务，需要ＥＶ—ＤＯ终端和 Ｈｅｌ ｌｍａｎ算法建立一个共享的会话密钥；终端利用ＳＨＡ—ｉ算 网络支持如下附加功能。 法，用该会话密钥和时间戳对接入信道上的分组进行签名。 为了计算ＣＨＡＰＲｅｓｐｏｎｓｅ，终端需要能向１ｘＲＵＩＭ卡发送 ＥＶ—ＤＯ系统采用ＡＥＳ算法标准对用户数据和信令信息进行 ＲｕｎＣａｖｅ指令，ｇＤＣＨＡＰ中实际使用的是ＣＡＶＥ认证算法。终端还 加密保护；用ｓＨ １算法实行完整性保护。ＥＶ－ＤＯ用基于时问、 计数器的安全协议产生密码系统，以产生变化的加密掩码。 要能根据卡中的１ｘ ＩＤ信息生成ＨＲＰＤ ＮＡＩ。 网络侧的ＡＮ—ＡＡＡＮ—ｍ识别卡使用的是ＣＡＶＥ算法；提供附加 的、连向卡所对应的ＨＬＲ／ＡＣ的接口，并能将自己模拟为ＶＬＲ向 ６ ｌｘ／ＥＶ—ＤＯ互通时的接人安全用 卡也会同时支持１ｘＣＡＶＥ认证，并且隐秘保存有Ａ—ｋｅｙ。ＥＶ— 当ＥＶ—ＤＯＲＵＩＭ卡接入１ｘ网络时，支持Ｄ０接入认证的ＲＵＩＭ ＨＬＲ请求认证结果和／或ＳＳＤ。９
