湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划-长沙理工大学.doc

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项 目 结 题 报 告项目名称： 智能家庭老幼监护系统 项目编号： 126 学生姓名： 刘林毓、孙岩、刘自强、曾浩 所在学校和院系： 长沙理工大学电气学院 项目实施时间： 2011.9 - 2013.9 指导教师: 张 一 斌 联系电话:填表日期： 2013.10.16 湖 南 省 教 育 厅2013年制一、基本情况项目名称智能家庭老幼监护系统立项时间2011年6月完成时间2013年9月项目组成员姓名年级所在院、专业项目研究中所承担的工作及主要贡献签 名刘林毓09级电气学院电气工程及其自动化系统分析与设计孙岩09级电气学院电气工程及其自动化硬件设计与调试刘自强09级电气学院电气工程及其自动化材料收集与整理曾浩09级电气学院电气工程及其自动化组装与调试二、研究成果简介1、研究目的和意义在科技飞速发展的今天，人们的生活节奏相对于以前有着非常大的变化，加上我国人口老龄化越来越严重，使得家庭主要监护人负担越来越重，很少能时时刻刻陪伴在他们身边以提供必要的照顾，从而对老人、小孩的看护也成为一个难题。世界各国都有老年人口增加和独居的趋势。对老弱群体的日常监护，成为一个重要的社会问题。一旦，老人或小孩摔倒，或发生险情，必须在第一时间，让家人和医生知道。大量的实例表明，如果能及时发现，及时送医院抢救，可以挽救无数生命。如何针对被监护人的生理信息（如心电ECG、脑电EEG、肌电EMG、呼吸体温等生医信号）来进行有效的诊断与分析是一项长期以来一直有待解决的难题。它涉及传感器技术、数字信号处理和模式识别的一系列问题。在这种背景下，人们提出以人为本的理念和老弱安全科技的概念，“贴身守护，自我保健，在家就医，远程诊断”，希望新兴的IT和生物技术以及各种技术的大融合能够帮助高效地解决监护需求。本项目涵盖了多个学科的研究领域,包括生物科技，嵌入式技术，物联网与计算机技术等。从生理信号检测与处理、信号特征提取、数据传输等具体功能模块出发，最终完成通过对远程象动作情况、生理功能的监测，为其提供适当的护理与医疗服务，最终能够为老弱人群提供更高的生活质量。二、研究内容经过多次细致的调研，我们对目前市面上的监护仪有了透彻的了解和认识，并着重对其存在的缺点和不足进行了细致的分析和研究，我们发现有以下几个问题需要解决：1、 功能单一，无法满足对这种特定群体的监护要求；2、 预测功能缺乏，无法从原始生理信号预测出相关身命体征；3、 单一的跌倒检测误判很高，误判率高；4、 大部分采用2.4GHz频段，穿透力有限，导致防丢功能有限，并且超范围后不能准确定位；5、 定位不准，纯GPS定位在建筑密集的地带会出现的地址漂移等现象。6、此外，这种监护仪的便利性与成本也是本课题需要解决的问题。针对以上问题，本研究小组研究并制定了研究内容。（1）监护装置的生理检测（2）跌倒检测 （3）险情求助（4）防丢定位（5）远程医疗（6）专家系统等。三、项目研究总结报告1 计划执行情况本科研小组从创新项目申请后，就开始投身于智能家庭老幼监护系统的制作中。项目成员组都对电子设计很感兴趣，电子制作一开始不是很了解，但出于热爱，大部分人都在实验室认真的学习了一个学期。不论是从态度上和技术上我们都有很好的表现。项目制作的开始阶段我们一块查阅资料，不论是去图书馆借书，还是从网上查阅，还是请教我们的指导老师，我们都在用心去做，为的是确定一个好的项目设计方案，尽快完成产品的制作。经过两个月的查询，项目的设计方案已经成型。经过多方位的考虑和讨论，确定了系统功能的基本组成。接下来的两个月的时间里，我们针对具体的模块绘制具体电路图，之前的protel软件学的不够熟练，做起来速度挺慢的。我们并没有气馁，坚持下来。期间我们遇到很多实际存在的问题，在之前的讨论中并没有提到。例如，生理数据采集问题，这是一个实际应用中比较棘手的硬件难题。之前我们把主要的精力都放在怎样提AD采样的速度和精度上。却忽视了前端条理电路重要性，在项目的制作过程中这是个比较大的疏忽。但在后来学习过程中发现了，挽救了心电测量这一部分的设计，也提高了系统的稳定性。在实验室具体制作的前期，遇到了很多问题，遇到问题我们就设法解决，不会的就问老师，问研究生学长。每天空闲的时间基本上都花在实验室里，有时感觉到很枯燥，但为了成果还是要坚持。但是当所有模块单独调试完成后我们压力就减小了很多。接下来我们开始刻板，焊接。这些我们在实验室常做，做起来比较顺手。2013年1月份作品基本成型，为了方便发射线圈和接收线圈的固定和产品的美观，我们想出了购买工程塑料盒子来完成对电路板得封装，至此，演示版作品制作基本完成。2项目研究和实践情况本项目研究的主要内容是如何建立一套智能家庭老幼监护系统，其功能分为生理检测，跌倒检测，险情求助，防丢定位等。完成了以下工作。1）设计了项目的硬件系统：硬件系统分为中心系统和防丢子系统。中心系统由被监护人所佩带，防丢子系统由监护人佩带，两种设备均由可充电锂电池供电以保证其轻便性。中心系统采用流行的Cortex-M0体系结构的STM32为主控芯片，完成心电信号AD检测、三轴加速度传感器与陀螺仪的数据检测、GPS定位+GSM基站定位、发送应急短信、以及422MHz防丢模块的控制，通过这几种基本外设结合从而达到各种功能的无缝融合，结构框图如图一所示。防丢子系统则在电路上相对简单，采用Cortex-M0体系结构芯片STM8，其具有低成本高性的特点，并且很适合低功耗场合，所以用来制控Si4432无线模块来完成系统防丢设计要求，结构框图如图二所示。图一 系统结构框图图二 防丢子系统结构框图2）设计了项目的软件系统软件系统的通过嵌入式操作系统uCOS II分任务控制，针对每一个具体的功能来完成相应的处理，如开启生理检测功能后，心电信号会通过外部调理电路，然后进入AD转换，然后拟合成曲线，保存到外部Flash，同时显示到LCD屏上，并且进行心电数据筛选分析，对健康值进行预测；在跌倒检测方面，对传感器模块采集的数据进行三级检测，以尽可能减少漏判和误判的情况。第一级：采用SVM(Support Vector Machine)算法针对三轴向加速度传感器输出数据进行初步筛选，SVM算法通过构建一个具有学习能力的筛选器，能够将大多数疑似跌倒的情况筛选出来。第二级：对第一级筛选为疑似跌倒的情况作进一步分析，通过比较人体能量损耗是否超过设定阈值来确定运动是否激烈，能量损耗阈值根据用户的年龄、体重、性别等信息自动生成。第三级：主要通过陀螺仪的数据查验人体倾角状态，进一步确认老人是否已经跌倒。当启动防丢模式后，中心系统与防丢子系统在设定的通信距离中保持通信，当脱离双方信号覆盖区后，同时发出超距警报。3）完成了各功能模块的设计、安装调试和统调 本项目在广泛调研的基础上，运用ARM数据存储技术、传感检测技术、数字通信技术、计算机与信息技术、操作系统、人机对话系统。基本实现家庭老幼监护系统的功能。（1） 完成心电采集的设计和安装调试生理电信号前置放大器是生理电测量仪器的重要组成部分，其作用是将微弱信号高保真放大，以便进一步处理、记录或显示。一般设计中均采用对地对称的双电极差动放大器，被测的生理电信号采用差动输入方式，成为差模信号而干扰信号，尤其是落在大多数生物电信号频谱范围之内的工频干扰对差动放大器的输入端来说，主要是一种大小相等，极性相同的共模信号。因此，在生理电信号记录过程中，要求前置放大器有较高的抗共模干扰能力。本项目在心电采集模块完成了前置放大器的设计安装调试实验、心电信号的带通滤波器设计安装调试实验、心电信号的50HZ带阻滤波器设计安装调试实验、电平抬升电路设计安装调试实验。图三 电信号采集流程前置放大器安装调试实验前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数（CMRR），很大程度上取决于电路的对称性，本系统采用典型的差分放大电路来作为前置放大级，可以有效地提高共模抑制比，如图3-2所示。U1和U8接成射极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；U2将R4，R10的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，进一步提高共模抑制比：U7、R5、R7和C3构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制50Hz工频干扰，右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器U7的输出。从R4和R10电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器放大后通过电阻R7反馈到右腿。人体的位移电流这时候不再流入地而是流入R7和辅助放大器的输出。R7起安全保护作用，当病人和地之间出现很高电压时辅助放大器饱和，右腿驱动不起作用，这时候U7等效于接地，R7此时起到限流保护作用。右腿驱动电路实际可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，任何流入人体的位移电流基本等于反馈电阻上的驱动电流。只要放大器A的开环增益足够大，那么即使有大的位移电流流入人体，人体的电位基本保持零电位。采用右腿驱动电路，对50Hz干扰的抑制并不以损失心电信号的频率成分为代价。但由于右腿驱动存在交流干扰电压的反馈电路，而交流电流经人体，成为不安全因素，限流电阻通常在1M以上。但是对于作为初学者的小组所有成员，这些概念是相对比较难于理解的，所以这种一知半解使得在设计时问题重重，比如说在设计中一些低通与高通的截止频率的计算，所选参数只能估计，但这种情况下就会导后级信号相对失真等，并且之前也没注意到陷波器的重要性，所以，在严重的工频干扰下一度以为测试电信号太小而无法测得真实值。最终经仔细理解其电路原理才得以解决。在实际心电图检测时，首先要保护的是待测者人身的安全。其次，当待测者带有静电同时作心电检测，还必须注意如何减少由于待测者身上存在的高电压造成监护仪损坏，因此，必须采用过压保护与相应的EMC防护。另外，待测者在作正常的心电图检测时，空间电场在人体产生的干扰电压及共模干扰是非常严重的，尤其是工频干扰。而在小组设计这部分硬件之初，并没有考虑这么多外在的因素，所以电路是以理想化的条件下设计出来，从而最终只能通过仿真，并不能用在实际测试条件下。最终经过参阅许多材料，才确定了心电信号提取流程：前置放大，低通滤波，高通滤波，50Hz陷波电路，后置放大，电平抬升，最后AD采集。 图四 前置放大电路心电信号的带通滤波器设计安装调试实验图3-3是本系统设计带通滤波电路图，本系统采用OP07的两个运放设计成二阶有源高通和低通滤波电路并组合成带通滤波，两个运放的增益为l。OP-07是常用的通用放大器，价格便宜，它具有高精度、低功耗，低偏置的特点。其中C4、C5、R3、R11、和U4构成高通电路，其截止频率f10.03HZ， R8、R9、C7、C1和U5组成低通电路，了不损失心电信号的高频成分，截止频率f2lOO7Hz。该部分电路实际调试过程中发现，如果f2设为150Hz，信号发生器提供的正弦输入信号要到200Hz才会有明显的衰减，为了使滤波电路的选频性能更精确，带通频带上限留有的余量不是很大，实验也证明这样效果更好。图五 带通滤波器心电信号的50HZ带阻滤波器设计安装调试实验虽然心电信号前置放大电路对50Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要设计专门的滤波电路来滤除，模拟带阻滤波器，俗称陷波器。最典型的陷波电路是无源双T网络加运算放大器，双T网络实际是由低通(R-2CR)和高通(C-R/2-C)滤波器并联组合成的二阶有源带阻滤波器，两个运算放大器接成射随状态，增益都为l。本系统实际采用的电路就是这种双T网络构成的带阻滤波器，如图3-4所示，运算放大器仍选用的是OP07,R16=R17=R23=R24，取C=0.068uF，R=47K，R22=R25=50K，得出f0=1/2RC50HZ图六 50Hz 带阻滤波器电平抬升电路设计安装调试实验心电信号的幅度约为10uV4mV，STM32 AD转换的输入电平要求为3.3V，因此必须实现心电信号的高增益放大8001000倍左右。前置放大了lO倍，理论上主运放放大100倍左右即可。主放大电路原理比较简单，如图3-5所示实际就是同相比例放大电路，接入R13可变电阻，可调节最佳的增益输出，同相输出。放大倍数的公式为Af=l+。由于本系统的山AD转换是通过单3.3V电平供电的，而ECG信号经过放大后会是交变信号，为了使心电信号不失真，必须在把信号送到AD转换之前，把电平给抬升上去。这里采用了一个差分比例运算电路，通过R20的到分压，然后叠加到输入信号上从而提高输入的电平，通过调节滑动变阻器得到合适的抬升电平。图七 电平抬升电路三轴重力感应陀螺仪安装调试实验跌倒检测主要是基于三维运动感知技术而设计。在设计之初，仅选用三轴加速度传感器来判定人体是否跌到，根据正常的三个方向加速度矢量的和的剧变来推测用户是否跌到。完成三轴加速器电路后，小组成员将其固定在测试者身上，能过无线数传模块传入到笔记本电脑外接的USB接收器上进行曲线绘制与分析。测试过程中主要采集了加速度在不同运动过程中的变化曲线，包括(a)步行上楼、(b)步行下楼、(c)坐下、(d)起立。得出结论是，如果规定竖直方向为Y轴的话，Y轴为1g，而其它轴为0g，在整个4种测试的运动过程中变化不会出现太大变化。而实际上老年人的运动相对比较慢，所以在普通的步行过程中，加速度变化不会很大。最明显的加速度变化就是在坐下动作中Y轴加速度（和加速度矢量和）上有一个超过3g的尖峰，这个尖峰是由于身体与椅子接触而产生的。而跌倒过程中的加速度变化则完全不同，跌倒过程中的加速度变化有4个主要特征（失重，撞击，静止，初始状态的变化），这可以作为跌倒检测的准则。跌倒状态最开始一般表现为失重，此时加速度矢量和大副减小，而在接下来撞击过程中至少有一轴的加速度值会出现负尖峰，其它轴则为正尖峰，静止状态时三轴加速度数据归于正常稳定状态，但这时的重力加速度方向即为矢量和方向。然而，在实验条件下，可能会有其它因素的影响，加速度矢量方向计算并不是很理想，所以在项目后期加入三轴陀螺仪，这样可以相对快速准确的判断出非正常状态下的方向图突变，从而达到快速准确跌倒检测的目的。GPS功能模块软硬件调试全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统(Global Positioning System，缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成1。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。这次采用的GPS 模块采用瑞士 u-blox 公司的 NEO-6M主芯片，此芯片为多功能独立 型GPS模组，以ROM为基础架构，成本低，体积小，并具有众多特性。采用u-blox 最新的KickStart微弱信号攫取技术，能确保采用此模组的设备在任何可接收到 信号的位置及任何天线尺寸都能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位。 GSM功能模块调试和软件设计SIM卡(Subscriber Identity Module)。即用户识别模块，是一张符合GSM规范的智慧卡。SIM卡可以插入任何一部符合GSM规范的移动电话中，实现电话号码随卡不随机的功能，而通话费则自动计入持卡用户的帐单上，与手机无关。SIM卡是一张符合GSM规范智能卡，他实际上是一个装有微处理器的芯片卡，内部有5个模块，且每个模块都对应一个功能：CPU(8位)、程序存储器(38 kb)、工作存储器(616 kb)、数据存储器(128256 kb)和串行通信单元。SIM卡能实现存储数据(电话本、短消息等)和在安全条件下(个人身份号码PIN、鉴权钥Ki正确)完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。这些功能都是由SIM卡内的一部具有操作系统的微处理机完成。SIM卡具有机卡分离(SIM-ME接口)、通信安全可靠、成本低等特点。系统的软件主要包括串口程序、存储程序、短消息程序、采集控制程序和测试程序等。本系统软件采用了前后台的设计方式，前台系统是主程序，后台是由所有的中断服务程序，如串口接收中断服务程序，定时器中断服务程序等功能模块组成。装置的远程报警和开启功能通过软件控制实现，在使用装置前需准备好一张已开通的GSM网SIM卡，并在手机终端上向SIM卡第一个电话本位置存入报警的目的手机号码（无+86），此号码也是用户进行远程开启时的唯一有效号码；向SIM卡的第一个短信存储位置存入欲发送的报警短信内容。将设置好的SIM卡装入装置并上电后，装置即可按程序设计的流程运行。程序主要由三部分代码组成：启动与初始化、报警监控、远程开启与控制。3项目研究成绩和收获 (1)树立了团队精神项目组成员通过二年的试验研究，项目组成员互相帮助与学习，一起查资料，研究方案，一起调试电路，编写程序。大大的增强了同学们的动手能力，也懂得了团结协作的重要性。懂得团队协作是形成好的研究氛围的重要条件。（2）提高了模拟电子电路设计安装调试技能水平 在开始研究本项目之前我们团队的所有成员对模拟电子电路都有一定的研究，设计过一些简单的模电与数电实验，面对具体对象的电子电路的设计还是第一次。通过本项目的进行和完成，项目组成员通过设计前置放大器、各种滤波器电路，特别是在低通，高通，50Hz陷波电路的设计中我们都对参数进行了仔细的调整，从开始的软件仿真到最后的硬件调试，我们都一一记录了实验数据，并列出表格对比在不同参数下的增益，衰减倍数，品质因数，截止频率的差别。有时候软件仿真现象比较完美，但是从搭建实物电路图测出来的数据却误差很大，这些都要一步步的去调试，最终得到比较理想的心电波形。整个项目下来，项目组成员在模拟电子电路的设计安装调试方面上了一个台阶。（3）提高了软件编程水平 对入门级水平初学者而言，一个普遍性的问题，那就是惰性和依赖性，刚开始编程序时喜欢套用书上或者网上的部分程序，这样确实能迅速提高编写速度，但却会造成对对套用的程序理解不够，由于套用的程序都是一块一块的被拼凑整合起来的，每个程序员都有自己的编写思路和习惯，从而造成整个程序的风格不统一，代码混乱，调试起来异常的困难，有的地方单独拿出来可以实现功能，但是放进系统程序后就会有冲突了，但是编程是一件很严肃的事情，容不得半点错误。在充分认识到这个问题后，项目组成员坚持自己编写程序，即使套用时，也把每条语句弄懂。整个项目下来项目组成员的软件编程水平有了大的提高。（4）提高了综合应用知识解决问题的能力 通过这次的项目，我们发现了自身的很多问题，也从中学到了实用的知识与经验，开发一个综合型项目，不但要掌握主芯片（譬如单片机，ARM，FPGA）硬件和软件方面的知识，而且还要深入了解各应用系统的专业知识，融会贯通和有机结合，才能设计出优良的应用系统。还有一个问题就是做这种多功能综合的项目和以前实现单个模块功能的小项目相比话设计PCB时考虑的因素更多，因为有很多的模块同时在使用，设计时要先想到哪些芯片对应哪个引脚从而在布局时更加方便合理，哪些引脚不能冲突，尽管我们设计过后多次检查了，还是由于疏忽和对于STM32的了解不深刻，所以把按键中断连在了PA0和PB0上，造成了PA0和PB0的无法识别时哪个触发的中断，所以在第二次改版时把PB0改成了PB2。在搭建心电采集的硬件电路方面，从最初的选材到最后的调试我们也花了不少时间，在最后把所有单功能模块整合调试的时候，也出现了很多问题，常常进入死循环或者硬件错误中断当中，或者明明程序正常运行但是实物却没有反应，这时，就需要我们沿着程序一步步追踪，慢慢调试了，记得我们当初在实现实时监控时，程序不停进入死循环，最终发现就是一个滴答定时器的标志位提前复位了，为此我们调试了整整三天，虽然调试的过程比较枯燥，并且常常好几天都不能发现问题在哪，但在这期间我们却学到了一些解决实际问题的技巧，并培养了自己的毅力和思维能力。并且需要与时俱进，不断了解各公司最新芯片的结构和应用，在实际应用中找到最好的性能价格比。培养自己接受新知识的自学能力，掌握芯片发展动态。培养自己的创新精神，在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善。在这次项目中，体会最深的就是团队合作的意识，一个人不可能所有知识都懂都精，只有在团队的合作下，共同讨论共同研究并利用自己最擅长的部分去完成项目。当然，最重要到还是态度，无论做什么事情，足够认真，足够坚强，足够毅力，足够决心，足够勇气，就一定能办到。最后作为本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，我们想要完成这个项目是难以想象的。 在编写的过程中要感谢老师对我们的指导和帮助，因为有了老师的帮助，让我们少走了不少弯路，使我们能顺利的完成作品。3 研究工作的不足和尚需深入内容研究工作中存在的不足和尚需深入内容如下： 多年来，心率监测仪在心血管疾病