老年人跌倒远程监护系统毕业论文.doc

第1章 绪论老年人跌倒远程监护系统毕业论文目 录摘 要IAbstractIII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2国内老年人远程监护的发展状况41.3本章小结4第2章 传感器模块52.1 概述52.1.1 传感器的静态特性52.1.2 传感器的动态特性102.2 自制传感器模块102.3本章小结11第3章 系统总体结构设计133.1 概述133.1.1 老年人跌倒监护系统具有功能143.1.2 老年人跌倒监护系统主要构成模块功能143.2 主控制器模块14LPC2141/2/4/6/8主要特性153.3本章小结16第4章 蓝牙技术174.1 概述174.1.1 蓝牙技术的发展现状和趋势174.1.2 蓝牙技术与其它相关技术的比较分析194.1.3 蓝牙的协议体系结构214.2 选用蓝牙模块214.2.1 ROK101 008的工作原理234.2.2 蓝牙模块硬件接口254.3本章小结26第5章基于蓝牙技术的数据采集275.1 数据采集275.1.1 无线数据采集模块方案275.1.2 数据采集模块硬件设计275.1.3 无线数据采集模块原理框图285.1.4 数据采集模块软件设计及调试295.1.5 数据采集模块软件流程295.2 数据处理接口295.3本章小结29结 论31参考文献33附录135附录239附录343致谢55第1章 绪论1.1 课题背景及意义中国年进入了老龄社会，目前是世界上老年人口最多的国家，占全球老年人口总量的五分之一。中国政府高度重视和解决人口老龄化问题，积极发展老龄事业，初步形成了政府主导、社会参与、全民关怀的发展老龄事业的工作格局。国家成立了全国老龄工作委员会，确定了老龄工作的目标、任务和基本政策；颁布了中华人民共和国老年人权益保障法，制定了中国老龄事业发展“十五”计划纲要，把老龄事业明确纳入了经济社会发展的总体规划和可持续发展战略。老年人的基本生活得到了保障，城市初步建立了养老保险制度和包括老年人在内的医疗保险制度，以及居民最低生活保障制度；农村实行以土地保障为基础的“家庭养老为主与社会扶持相结合”的养老保障制度。老年人的医疗健康问题突出，尤其是跌倒引起的疾病。跌倒是老年人常见的伤害事件，是老年人群伤残、失能和死亡的主要原因，对老年人的健康和生活自理的威胁甚大，给家庭和社会带来巨大的负担，是老年人重要的卫生保健问题，也是一个应予重视的社会问题。国外65岁以上的老年人每年有30%跌倒一次或多次，而且老年跌倒概率随年龄递增，80岁以上的老年人跌倒的发生机率高达50%，在某些社会机构例如老人院中跌倒的发生率更高。由于大多数的跌倒并不造成死亡或严重的损伤，许多人对老年人跌倒并不以为然，但跌倒同样可能造成严重后果，约有5%的跌倒会造成骨折，10%或更多造成脑部损伤、软组织损伤或脱臼等，降低老年人活动能力。在跌倒所造成的骨折中，骸部骨折带来最严重、数量最多的健康问题和死亡。在美国，1996年超过25万名老年人发生了舰骨骨折，绝大多数发生在70岁以上的老年人中，这些髓部骨折中90%以上是由跌倒造成，是跌倒后住院的首要原因，总花费超过了100亿美元。发生骸骨骨折的老年人中，1/4在6个月内死亡，超过50%的存活者出院后尚需入住私人疗养院，他们的期望寿命将减少10%-15%，生命质量明显下降。老年人因跌倒而住院的数量是因其它伤害住院的5倍之多，跌倒住院时间是其它原因住院时间的2倍。大量资料表明，老年跌倒是许多国家老年人群的主要死亡原因之一。在美国，伤害是65岁以上人口第六位致死的原因，而跌倒致死数占伤害死亡总数的三分之二，每年有1800人因跌倒而死亡， 9500名老年人死亡与跌倒有关，老年人的外伤性伤害的40%由跌倒造成。与儿童相比，老年人跌倒住院可能性增加10倍、死亡增加8倍。美国老年人只占总人口的12%，因跌倒致死的老年人却占总人群中跌死总数的75%。1995和1996年WHO统计年鉴中，中国城市中75岁以上的男性和女性以及65-74岁的女性，跌倒死亡率均为各国之首，分别为137/10万、171110万、16110万:65-74岁中中国城市男性和中国农村男性和女性跌倒死亡率也位居前列，分别为21/10万、23/10万、12/10万:中国农村75岁以上人口的跌到死亡率与美国相差甚微(见表1-1)。我国疾病监测系统1991-1995年监测资料结果显示，全人口的跌倒死亡率为4.73/10万，但在60岁以上的人群中，男性跌倒死亡率为23.03/10万，女性跌倒死亡率为26.04/10万。在北京海淀区老年人19871994年损伤与中毒调查显示，跌倒己是老年人损伤与中毒死亡原因的首位死因。由此可见，跌倒已成为影响老年人群健康的一个重要原因。表1-1不同国家性别及年龄跌倒死亡率（/10万） 国家657475年份男 女男 女中国农村231261561994中国城市21161371711994斯里兰卡2232361986泰国30421981毛里求斯50001994厄瓜多尔4614131871988乌拉圭7685771990墨西哥2410981141993瑞典19111321161992美国12666571993俄罗同未跌倒的老年人相比，跌倒的老年人不仅在身体健康和日常生活能力上有不同程度的下降，而且对他们的社会活动、精神与心理状态等方面也有很大的影响，跌倒或险些跌倒可能使老年人产生担心跌倒的心理而对自己的活动加以限制，使老年人生活依赖性增加和活动能力下降，甚至对做某些活动的能力失去信心，这样又增加了跌倒的危险性，形成恶性循环，年龄越大，这种心理影响越明显。因此，跌倒己不是一个单纯的健康问题，而是老年人的一个重要的社会保健问题。此外，跌倒还给家庭和社会带来沉重负担。跌倒的疾病负担包括医疗和康复的支付与提供支持性服务的花费，死亡、残疾和日常生活能力下降所造成的社会和家庭负担，以及预防跌倒的措施和健康促进费用等。在中国，迄今尚未见关于跌倒的疾病负担报道，然而，跌倒造成的疾病负担不能忽视。世界人口老龄化的加重，不可避免需承受跌倒带来的与日俱增的疾病负担。2000年我国60岁以上老年人达到总人口10%； 2025年将占总人口的19.2%，成为典型的老龄化国家。我国老年人口数量巨大，老龄化水平进展迅速，只用了1/4个世纪的时间便实现了西方大多数国家历经1个世纪，甚至更长时间才完成的人口结构转变，其直接后果之一就是老龄人口的疾病与伤害所造成的死亡和残疾人数迅猛增加，老龄化带来的跌倒方面的问题也更严重。因此，在未来的20-30年中，跌倒和跌倒所致的伤害将成为老年人的主要的健康、心理与社会问题。一直到20世纪八十年代，各国政府和居民都认为跌倒及其相关的伤害是一种意外，是不可能被合理解释的偶然事件。现在国外和我国学者已逐渐认识到跌倒等伤害是可以被预测，而且可以预防和控制，但是关于老年人跌倒的问题仍没有引起社会和政府的足够关注。国外的研究结果普遍认为，老年跌倒是多种因素交互作用的结果，既包括年龄相关的生理性变化，也包含一种或多种病理因素(疾病与服药等)、行为因素和环境因素的联合作用等。跌倒的频率是年龄与其它因素相叠加的累积效应，跌倒的可能性随着危险因素的增多而增加。影响跌倒因素的错综复杂，跌倒的危险因素既存在共性，也存在一定地域差异;不同的人群跌倒原因也不尽相同，不同的国家、地区的社会经济背景的人群存在不同的跌倒原因，跌倒的原因是多因素相互作用的结果，预防跌倒的发病机理相当困难，常规方法很难实现。跌倒监护的最终目的不是预防跌倒而是快速检测，估计严重程度，很快有效地帮助病人。围绕此课题国内外尚没有成体系的理论，但有许多类似的理论和成果应用到实际生活当中去。因此我进行了这次课程设计希望能尽量设计出一套比较完善的设计方案。本方案是在考虑以上因素的基础上，所设计的可行实施方案。1.2国内老年人远程监护的发展状况(1)上海的“安康通”：2001年5月28日，上海为推进信息化居家养老，开通了“安康通”为老人紧急呼叫援助服务系统。“安康通”是个和老人家里电话连线的呼叫器，按下按钮，就可与市社区服务热线呼叫中心对话，哪怕老人因突发急病无法开口求救，呼叫中心的电脑终端也会自动识别来电机主，从中心数据库中调取老人事先登记的相关资料如姓名、年龄、病史、住址、子女或志愿者联系方式等，立即施以援手。除了生命救助，老人可以足不出户就可以享受到家电、物业维修、购物送货、聘用保姆、代缴水电费、开锁修锁、叫醒服务、预约订车、法律咨询、心理咨询等等服务。“安康通”助老员服务队伍，都是“4050”人员。(2)深圳市“家用紧急呼援系统亲情通”：2007-4，深圳市民政局、市老龄办正式启动为深圳高龄独居老人免费安装“家用紧急呼援系统亲情通”计划，深圳市将为2000名高龄独居老人免费安装这套设备。据提供设备和技术平台的深圳同人电子有限公司负责人介绍，“亲情通”是其公司研发、设计的专利电子智能呼救援助系统，可同时输入8个亲人或急救等重要电话，老人一旦面临突发疾病、遭遇险情等紧急情况下，只需按动“亲情通”的呼叫器，该公司为此建立的平安服务中心平台就会立即接收到老人的求援，按照原先设置的号码逐一打出尽快联系到其亲人。在社会经济迅猛发展的同时，上海深圳正在逐步进入老龄化的阶段。“安康通”、“亲情通”作为面向社区公众的服务切入点，可以带动起整个社区群体跨入智能化、数字化医疗健康服务的时代，在21世纪高科技应用的基础上真正做到“老有所养”。医疗保健在发达国家中是第一大产业，甚至超出了信息技术产业，在中国，同样也将是最大的产业之一。随着人民生活水平的提高，市民们自然越来越注重自身特别是老年人的身体健康，因此更迫切地需要优质的、方便的、随时随地的医疗保健服务。1.3本章小结跌倒是老年人重要的卫生保健问题，也是一个应予重视的社会问题。本文将阐述设计一个老年人远程跌倒监护系统。61第2章 传感器第2章 传感器模块2.1 概述传感器的定义是在非电量测试技术中，首先遇到的是将各种非电量变换为电量，我们称能够完成这种变换功能的装置为传感器。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。传感器的一般特性：传感器的特性可以通过它的静态特性和动态特性全面揭示。2.1.1 传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输出输入关系。衡量传感器静态特性的重要指标是：线性度，迟滞，重复性和灵敏度。2.1.1.1 线性度通常为了方便标定和数据处理，要求传感器的输出输入关系是线性关系，并正确无误的反映被测量的真值，但实际上只有在理想情况下。传感器的输出输入静态特性才呈直线性。传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特性就可用下列多项式代数方程来表示： (2-1)式中，x为输入量（被测量）；y为输出量；a0为零位输出；a1为传感器灵敏度，常用k表示；a2an为非线性项的待定常数。这种多项式代数方程可能有四种情况；(1)理想线性，在这种情况下，因此得到： (2-2)因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为 (2-3)(2)在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基本呈线性，在这种情况下，式（2-1）中除线性项外只存在奇次非线性项，即： (2-4)对应的曲线为 (2-5)(3)输出输入特性曲线不对称，这时在式(2-1)中，除线性项外非线性项只是偶次项，即: (2-6)(4)普遍情况的表达式是式(3-1)所对应的特性。由上所知，传感器的输出不可能丝毫不差地反应被测量的变化，总存在着一定的误差。传感器的静态特性是在静止标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度，振动，冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境一般为室温20；相对温度不大于85；大气压为1013277800pa(76060mmhg)的情况。在这种情标准工作情况下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输出输入数据一般用表格列出或画成曲线、对于实际的传感器测出的输出输入校准（标定）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性”，或称“线性度”，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最大误差与传感器满量程(F.S.)输出之比： (2-7)式中，ef为非线性误差（线性度）；为输出平均值与基准拟合直线的最大偏差；F.S.为传感器满量程输出的平均值。由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准直线算出来的，因此，基准直线不同所得出的线性精度就不一样，一般并不符合拟合直线必须通过所有检测点，而只要找到一条能反映校准数据的一般趋势同同时又使误差绝对值为最小的直线就行。下面介绍几种不同线性度的定义和表达方法。(1)端基线性度把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程为： (2-8)式中，y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线斜率。图2-1端基线性度的拟合直线图2-1所示为一只压力传感器的输出输入实测曲线，根据端基法作拟合直线，其方程式对应于式(2-8)可得： (2-9) 所以 (2-10)式中，p为被测压力；为传感器的测量压力范围；为传感器的输出值；为零点输出平均值；为满量程输出平均值。这种拟合方法比较简单直观，应用比较广泛，但因为没有考虑所有校准数据的分布，拟合精度很低，尤其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度更差。(2)平均选点线性度为了寻找较理想的拟合直线，可将测量得到的n个检测点分成数目相等的两组；前半部n/2个检测点为一组；后半部n/2个检测点为另一组。两组检测点各自具有“点系中心”。检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个“点系中心”的直线就是所要的拟合直线。其斜率和截距可以分别求得：前半部n/2个检测点的点系中心A的坐标为： ， (2-11)后半部n/2个检测点的点系中心B的坐标为：， (2-12)通过这两个点系中心和的直线的斜率为： (2-13)直线在y轴上的截距为： ； (2-14)把斜率和截距代入直线方程式(2-8)中，即得平均选点法的拟合直线，再由此求出非线性误差。平均选点法求得的拟合直线示于图2-2。图2-2平均选点法的拟合直线 这种拟合方法的精度比较高，检测点在拟合直线两侧合理分布，数据处理也不很复杂。(3)最小二乘法线性度拟合直线方程通过式(2-8)。假定实际校准点有n个，对应的输出值是y，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为 (2-15)最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值，也即使 对k和b的一阶偏导等于零，从而求出b和k的表达式，即： (2-16)从以上两式求出k和b为： (2-17) (2-18)于是，可得最小二乘法最佳拟合直线方程： (2-19)式中， (2-20)在以上三个线性表示方法中，最小二乘法线性度的拟合精确度最高，平均选点法次之，端基线性度最低。但最小二乘法线性度的计算最繁琐。2.1.1.2 迟滞：迟滞特性表明了传感器在正（输出量最大）反（输入量最大）行程间输出输入曲线重合的程度。即相应于同一大小的输入信号，传感器的正反向行程的输出信号大小不相等，迟滞反应了传感器机械部分不可避免的缺陷，如元件腐蚀或碎裂，材料的内摩擦，积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定，其值以满量程输出的百分数表示： (2-21)式中，为输入值在正反行程间的最大差值。2.1.1.3 重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。重复性误差ez可从曲线最大者求出，由于校准的循环次数不同，其最大偏值的不一样，故用此法求出的值不太可靠。根据标准偏差计算重复性指标是比较合理的方法。分别求出全部校准数据与其相应行程的标准偏差a，然后按下计算重复性误差： (2-22)A前的系数取2时，误差完全依正态分布，置信概率为95；取3时，置信概率为99.73。2.1.1.4 灵敏度：线性传感器校准曲线的斜率就是其静态灵敏度，非线性传感器的灵敏度则随输入量而变化，线性传感器静态灵敏度k的计算式如下： (2-23)例如，一个位移传感器在位移变化1mm（输入信号的变化量）时，输出电压变化300mV（输出信号的变化量），则其灵敏度为300mV/mm。非线性传感器的灵敏度可用dy/dx表示。2.1.2 传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。实际被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，在研究动态特性时通常根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有两种：呈正玄变化和阶跃变化的输入。2.2 自制传感器模块图2-3 三种传感器电路原理图传感器模块由三个自制传感器组成：方位倾斜传感器（tilt sensor），压电加速计（accelerometer），振动传感器（vibration sensor）。如图2-3。跌倒行为可由这三个传感器信息融合来检测得到：身体的姿势由方位倾斜传感器测量，竖直加速度变量由压电加速计测量，无意识的身体表面振动变量由振动传感器测量。经过定量/定性转换后，三个传感器信息分别变成了布尔型符号数据来表征“姿势”、“加速度”和“振动”。这些符号数据进一步进行信息融合便得到病人的情况。如果“姿势”变量用“躺着”和“站着”表示，竖直加速度变量的有无用“真”和“假”表示，身体表面振动变量的有无也用“真”和“假”表示，那么跌倒行为的初级传感器信息融合的规则如下：如果(姿势“站着” and加速度“真” and振动“真”) 所以情况是跌倒如果(姿势“站着” and加速度“真” and振动“假”) 所以情况是已经跌倒并且死了如果(姿势“站着” and加速度“假” and振动“真”) 所以情况是行走如果(姿势“站着” and加速度“假” and振动“假”) 所以情况是远离传感器如果(姿势“躺着” and加速度“真” and振动“真”) 所以情况是传感器功能故障如果(姿势“躺着” and加速度“真” and振动“假”) 所以情况是传感器功能故障如果(姿势“躺着” and加速度“假” and振动“真”) 所以情况是休息如果(姿势“躺着” and加速度“假” and振动“假”) 所以情况是远离传感器或者肯定死了2.3本章小结传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。本章介绍了传感器的特性和自制传感器的信息汇总，得出的结果。第4章 蓝牙技术第3章 系统总体结构设计3.1 概述在社会经济迅猛发展的同时，中国正在逐步进入老龄化的阶段。医疗保健在发达国家中是第一大产业，甚至超出了信息技术产业，在中国，同样也将是最大的产业之一。随着人民生活水平的提高，市民们自然越来越注重自身特别是老年人的身体健康，而跌倒问题困扰很多老年人家庭，因此更迫切地需要优质的、方便的、随时随地的医疗保健服务。设计基于作为面向社区公众的服务切入点，可以带动起整个社区群体跨入智能化、数字化医疗健康服务的时代，在21世纪高科技应用的基础上真正做到“老有所养”。本文介绍利用传感器和蓝牙技术构成的远程监护中的跌倒传感器，及时的解决老年人意外发生跌倒的情况。老年人跌倒监护系统由主控制器模块，蓝牙模块，数据模块，手触模块和显示及操作界面模块组成。基于ARM7，结合蓝牙技术和固话/移动通讯的跌倒监护系统的具体实现构架如下图3-1。主控制器蓝牙模块数据模块传感器模块显示及操作界面固话/移动通讯服务中心手触感应 图3-1 老年人跌倒监护系统总体结构图老年人跌倒监护系统采用电子传感技术、计算机技术和信息传输技术，对用户提供服务，同时对老年人情况进行远程监控。它包括内部传感系统、家庭接入系统及智能传感/执行设备等几个部分。3.1.1 老年人跌倒监护系统具有功能（1）手动报警，及时与有关人员，单位取得联系（2）自动报警（3）声音报警，出现跌倒情况，系统做出声音报警3.1.2 老年人跌倒监护系统主要构成模块功能(1)主控制器模块：实现对数据模块，蓝牙模块和显示及操作界面的全面优化控制。使用ARM7 TDMI-S CPU 作为主控制器，ARM7 TDMI-S CPU是整个系统的核心。它作为一个嵌入式网关，将外部网络与传感器模块通过蓝牙模块连接在一起，是整个系统运行的平台的核心。(2)蓝牙模块：系统和各电器之间，包括接收和发送。实现系统对传感器的监管，从而完成对用户状态信息的监护。采用爱立信(Ericsson)公司的ROKl01008型电路作为蓝牙无线通信模块，实现智能系统与座机/移动手机的通信。(3)数据传输模块：传感器与蓝牙之间的数据处理，将传感器的模拟信号转化为蓝牙设备可以识别的数字信号。数据采集芯片ADC812的优点是集成了一个完全可编程、自校准、高精度的模拟数据采集系统，它的体积小、成本低，通过采用闪速电擦除存储器，辅之以内含的加载器和调试软件，解决了以ROM为基础的芯片产品的灵活性差、存储困难等问题，也使系统的设计、编程、调试更加简便。(4)显示及操作界面模块：设置友好显示界面，便于人机交互；设置良好的操作界面，便于用户操作，实现对系统的优化控制。通过LCD显示信号源，处理命令，用户与控制对象实现信息交互。3.2 主控制器模块ARM7 TDMI-S CPU是整个系统的核心。它作为一个控制中心，将终端设备通过蓝牙模块与电话网络连接在一起，是整个系统运行的平台。传感器模块获得的信息可以通过该中心将跌倒情况通知服务中心。 首先，在监护方面，ARM7 TDMI-S CPU负责从蓝牙模块接收信息，然后根据设备提供的操作指令做出响应的处理方法，实现用户对报警信号的监控。 其次，在人机交互方面，ARM7 TDMI-S CPU的任务就是在LCD上显示相应的操作信息和对象的状态信息，即传感器模块的工作状态，通过良好的界面指导用户完成设置，实现友好的人机交互功能。同时，一旦出现紧急或危险的状况时，及时采取必要的保护措施，并通过座机发送报警信息。本老年人跌倒监护系统的主控制器模块采用LPC2141/2/4/6/8 ，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32kB 和512kB 嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2141/2/4/6/8 特别适用于访问控制和POS 机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口（从USB 2.0 Device(全速)、多个UART、SPI、SSP和I2C 总线接口）和8kB 到40kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32 位定时器、1个或2个10 位ADC、10 位DAC、PWM 通道、45 个高速GPIO 口以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它们特别适用于工业控制和医疗系统。LPC2141/2/4/6/8主要特性(1)16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器，超小LQFP64 封装。(2)8kB40kB 的片内静态RAM 和32kB512kB 的片内Flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率。(3)通过片内boot 装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。单个Flash 扇区或整片擦除时间为400ms。256字节编程时间为1ms。(4)Embedded ICE RT 和嵌入式跟踪接口提供实时调试（通过片内Real Monitor 软件）和高速跟踪指令执行。(5)USB 2.0 全速设备控制器具有2kB的端点RAM。此外，LPC2146/8 提供8kB 的片内RAM，可被USB 的DMA 控制器访问。(6)1个或2个（LPC2141/2 vs。 LPC2144/6/8）10 位ADC 转换器，提供总共6/14 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。(7)1个10 位的D/A 转换器提供可变的模拟输出（LPC2141 除外）。(8)2个32 位定时器/外部事件计数器（带4 路捕获和4 路比较通道）、PWM 单元（6路输出）和看门狗。(9)低功耗实时时钟(RTC)具有独立的电源和特定的32kHz 时钟输入。(10)多个串行接口，包括2个UART(16C550)、2个高速I2C 总线(400 k bit/s)、SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。(11)向量中断控制器(VIC)。可配置优先级和向量地址。(12)多达 45个可承受5V 电压的通用I/O 口（LQFP64 封装）。(13)多达 9个边沿或电平触发的外部中断管脚。(14)通过一个可编程的片内PLL（100us 的设置时间）可实现最大为60MHz 的 CPU 操作频率。(15)片内集成振荡器可操作频率为130 MHz 的外部晶体或频率高达50MHz 的外部振荡器。(16)低功耗模式：空闲和掉电。(17)可通过个别使能/禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗。(18)通过外部中断，USB，掉电检测(BOD)或实时时钟(RTC)将处理器从掉电模式中唤醒。(19)单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：(20)CPU 操作电压范围：3.0V3.6 V。3.3本章小结系统的总体结构是利用成熟技术和模块化结构结合的。然后简单介绍一下主控制器。第4章 蓝牙技术4.1 概述随着通信和集成电路技术的发展，以蓝牙为代表的小区域无线移动通信技术正不断渗透到工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域之中。医学临床监护技术就是把患者的各种重要生命体征及时、准确地提取出来进行处理、分析，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护的技术。在现有医疗监护系统中，患者身上佩戴的传感器采集的数据多通过串口电缆(RS232485)传送到PC上或通过串口联网服务器传到局域网上。由于所检测的信号大多是人体信号，而人体处于自然状态时的信号才能够真实地反映其生理状况。因此将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚，无法放松心情，从而导致所检测到的数据不准确。特别在病房里，各种连线不仅使病人感到不适，而且还使病房显得杂乱无章，影响医护人员的工作效率。因此医疗单位希望以一种低成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。蓝牙技术具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点，是实现无线医疗监护系统的理想选择。4.1.1 蓝牙技术的发展现状和趋势随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越迫切需要发展一定范围内的无线数据与语音通信。正是在这种大环境下，以爱立信为首，由五家 IT界巨人 Ericsson，TOSHIBA，IBM，INTEL 和 NOKIA 于 1998 年 5 月共同提出了一种近距离无线数字通信的技术标准，这就是蓝牙（Bluetooth）技术。这项技术公布后，迅速得到包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子、高通、3COM、TDK等大公司在内的许多厂商的支持和采纳。到目前为止，已经有 2000 多家公司和机构宣布加入蓝牙特别兴趣小组（SIG），其中包括许多世界著名的计算机、通信、家电业厂商以及汽车、照相机制造商。Bluetooth 的目标是在一定范围内的移动设备、各种信息传输设备乃至于各种电器设备之间建立起无线链接。就目前的发展来看，Bluetooth 产品将会较快地和如下设备或系统融为一体，从而提供新的服务。(1) 各种电话系统：Bluetooth 产品将会首先应用于数字手机、家庭及办公室电话等系统中，实现真正意义上的个人通信。例如三合一电话，这种应用模式允许一部移动电话既可以作为标准的蜂窝电话，也可以用作无绳电话与语音接入点（无绳电话基站）进行连接，还可以用作内部通信设备，与其他邻近的设备直接进行通话。目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发 Bluetooth 手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到 Bluetooth 带来的挑战和机遇，竞相研发带有 Bluetooth功能的新产品，这些都将推动蓝牙技术迅速发展。(2) 无线电缆：Bluetooth 基于无线电缆的概念，使信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、鼠标等也采用无线传输。Bluetooth 企图建立一个全无线的工作环境和生活环境，由于这些设备类多量广，无论是硬体还是软件，都有着极大的商机。(3) 无线公文包：以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相连接，使人们拥有一个流动的办公室。Bluetooth 标准已制定了和计算机以及与Internet 、PSTN 、ISDN(Integrated Services Digital Network) 、 LAN 、WAN 、XDSL (x Digital Subscriber Loop)等网络的接口协议，其目标是用单一的Bluetooth标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用 1Mb/s 的速率已完全可以胜任这些工作，将来根据 IEEE 802.15 的发展计划，可以将速率提高到 20Mb/s 以上。(4) 各类数字电子设备：数字照相机、数字摄像机等设备装上 Bluetooth 系统，可免去使用电缆的不便，随时随地将所摄图片或影像通过同样装上Bluetooth系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。PDA(Personal Digital Assistant)装上 Bluetooth系统后，采用无线方式收、发e-mail甚至浏览网页将更为方便。Bluetooth的硬体电路可以做到微型化，在Headset上应用非常合适。装上Bluetooth系统的Headset可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议，应用前景十分诱人。微型化、低功耗和低成本的特性给Bluetooth在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。例如，Bluetooth构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或 IC 锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器（特别是汽车防盗和遥控）比红外线遥控器的功能更强大。(5) 电子商务：Bluetooth 的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，可用它在很多消费场合构成电子付账系统，宾馆接待处的电子登记服务等。(6) 将来的应用：现在蓝牙技术的发展显然已经超出了当初的设想，一整套的蓝牙系统可以用一个手机控制家中的任何电器，包括加上了“蓝牙卡片”的门窗。Bluetooth 芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。4.1.2 蓝牙技术与其它相关技术的比较分析作为一种近距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。目前无线个人区域网（WPAN）的技术中，主要有工作在2.4G 频段上的IEEE802.11b，HomeRF，以下针对它们的特点分别进行比较。IEEE802.11b无线以太网协议最初是以支持在大工作区内实现无线漫游为目的开发的。它只规定了开放式系统互联参考模型（OSI/RM）的物理层和 MAC层，其 MAC 层利用载波监听多重访问/冲突避免（CSMA/CA：Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance）协议，而在物理层，802.11 定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩谱方式(FHSS：Frequency Hopping SpreadSpectrum) 以及直扩方式(DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum )。802.11 支持111Mbps 较高的数据速率，但是它只支持数据通信，为进行无线数据通信，数据设备先要安装有无线网卡。IEEE802.11 是 IEEE 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2Mb/s。目前，3Com 等公司都有基于该标准的无线网卡。由于 IEEE802.11 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了 IEEE802.11b 和 IEEE802.11a 两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。IEEE802.11b 物理层支持5.5Mb/s和11Mb/s 两个新速率，IEEE802.11 标准在扩频时是一个 11 位调制芯片，而 IEEE802.11b 标准采用一种新的调制技术CCK(Complementary Code Keying，补码键控)完成。IEEE802.11b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在 11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s及1Mb/s 之间切换，且在 2Mb/s、1Mb/s 速率时与 IEEE802.11兼容。IEEE802.11a 工作在 5GHz U-NII 频带，物理层速率可达 54Mb/s，传输层达25Mb/s。采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供 25Mb/s 的无线ATM 接口和 10Mb/s 的以太网无线帧结构接口，以及 TDD/TDMA 的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。但是，芯片仍在研制阶段，没有进入市场、设备昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济、不适合小型设备。值得庆幸的是，Radiata 的低成本COMS无线引擎芯片装置可支持 IEEE802.11a。HomeRF 是专门为家庭用户设计的。HomeRF 利用跳频扩谱方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问/冲突避免协议提供数据通信服务。同时，HomeRF 提供了与 TCP/IP 良好的集成，支持广播、多播和48位 IP 地址。同 802.11b相比，HomeRF 从一开始设计上就是为了满足消费者在家庭网络上的需求。除了提供良好的服务质量外，简单、保密、易用是很显著的特点。在家庭网络上，HomeRF 是消费者适合的选择。HomeRF是IEEE802.11与DECT 的结合，旨在降低语音数据成本。HomeRF也采用了扩频技术，工作在 2.4GHz 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道，但目前HomeRF 的传输速率只有12Mb/s。FCC 建议增加到10Mb/s。蓝牙技术与上面两种技术不同，它具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低成本和比较灵活等特点。通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性，局部最优不等于全局最优。因此，用户应视实际需求选择适合自己的标准。总的来讲，802.11b 比较适于办公室中的企业无线网络，HomeRF 可以应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存的状态，但是可能引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，尽管它们可能在边缘上是竞争的，但在本质上是互补性的。蓝牙以其低成本，接入的快捷性、方便性来形成大量电子设备之间的无线数据传输、同步平台。4.1.3 蓝牙的协议体系结构蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口（RadioAir Interface）及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电缆相互连接的情况下，能在近距高范围内具有互用、互操作（Interoperability）的性能。蓝牙的载频选用在全球都可用的 2.4GHz（ISM）频带，其收发信机采用跳频扩谱技术（Frequency Hopping Spread Spectrum），在 2.4GHz ISM频带上以 1600跳秒的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以 2.4GHz为中心频率，最多可以得到79个1MHz 带宽的信道。在发射带宽为1MHz 时，其有效数据速率为721kbit/s，并采用低功率时分复用方式发射，适合10m 范围内的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（Inquiry）和寻呼（Paging）过程来同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。4.2 选用蓝牙模块在蓝牙协议栈中，HCI以上部分通常用软件实现，包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP、串行方针RFCOMM、链路管理协议（LMP）、电话替代协议和选用协议；而HCI以下部分则用硬件实现，包括基带协议和链路管理协议(LMP)，这部分也叫作蓝牙协议体系结构中的底层硬件模块。蓝牙技术标准中，选择了USB、UART、或是RS232作为硬件模块与主机间的接口。当蓝牙模块以USB、UART、或是RS232中的任何一个接口与主机连接时，HCI接口上层的通信协议由主机负责处理，而HCI接口下层的通信协议则由模块内的基带层芯片与RF芯片负责。底层模块是蓝牙技术的核心模块，主要由射频（RF）单元电路、基带层（base band）电路和链路管理层（LPM，Link Manage Protocol）电路组成。本系统选用爱立信公司的蓝牙模块ROK 101 008。连接时，HCI接口上层的通信协议由主机负责处理，而HCI接口下层的通信协议则由模块内的基带层芯片与RF芯片负责。连接时，HCI接口上层的通信协议由主机负责处理，而HCI接口下层的通信协议则由模块内的 表4-1 蓝牙工作数据工作频段ISM频段，2。4022。480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mb/s非同步信道速率非对称连接721/57。6kb/s，对称连接432。6 kb/s同步信道速率64 kb/s，功率美国FCC要求1mW，其他国家可扩展为100 mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600次/s工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC，2/3FEC，ARQ鉴权采用质询响应方式信道加密采用0位、40位、60位密码语音编码方式连续可变斜率调制CVSD发射距离一般可达110m，增加功率情况下可达100m图4-1 单个蓝牙模块的结构方框图基带层芯片与RF芯片负责。底层模块是蓝牙技术的核心模块，主要由射频 （RF）单元电路、基带层（base band）电路和链路管理层（LPM，Link Manage Protocol）电路组成。本系统选用爱立信公司的蓝牙模块ROK 101 008。ROK 101 008的Ericsson 公司生产的一种在各式电子设备中实现蓝牙功能的短距离通信模块。它支持USB、UART 和I2C ，具有声音和数据传输的功能。该蓝牙模块符合蓝牙1.1 版本，并通过了FCC/ ETST 类型认证。4.2.1 ROK101 008的工作原理ROK 101 008 模块的方框图如图4-2所示，该模块主要包括三个主要部分:基带控制器、闪存和工作在全球通用2.42.5 GHz ISM频段的射频模块。(1)射频模块：蓝牙射频用来实现蓝牙设备间的无线连接，具体要完成频率的合成、基带模块的数据bit 信号到无线电信号的转换过滤，并负责将无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去。ROK101008 模块的射频部分是由蓝牙射频芯片PBA313 01/ 2来实