【《基于血氧心率与位置监测的溺水报警系统的总体设计案例》4600字】

基于血氧心率与位置监测的溺水报警系统的总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u17377基于血氧心率与位置监测的溺水报警系统的总体设计案例 1175161.1功能要求 128041.2功能设计 191051.3硬件系统器件选型 218071.4相关基础理论 5160701.5系统软件开发环境 7293091.6小结 81.1功能要求根据调研，针对目前溺水报警系统的不足，本系统进行功能改进。实现功能如下：硬件端实现实时采集传感器模块数据信息；硬件端实现实时定位功能；硬件端通过无线通信模块与上位机实时通信；出现异常情况时，根据异常情况进行报警。正常情况报警系统只上传信息，当心率和血氧浓度低于预设值时，报警系统会通过蜂鸣器发出报警声，并且上位机会同步报警；救生员通过定位功能和蜂鸣器报警进行搜救。1.2功能设计按照功能需求进行系统总体设计。如图1.1所示，基于血氧心率和位置监测的溺水报警系统分为移动手环端和网页端两个部分。用户佩戴移动手环，移动手环实时监测用户的心率和血氧浓度信息，移动手环实时将位置信息和心率血氧浓度信息通过无线通信模块发送给服务器，工作人员可通过网页端查看用户对应的信息。当异常情况发生时，移动手环会发出报警声，同时网页端进行同步报警，救援人员通过位置信息和报警声即可迅速定位用户位置并进行救援。图1.1系统总体设计图移动手环端由四个模块组成：总控模块，负责各个模块的控制以及数据处理；血氧模块，负责获取心率和血氧数据并与总控模块进行通信；定位模块，负责获取定位信息并与总控模块通信；报警模块，负责进行发出声音报警。网页端分为两个模块：地图模块，负责将移动手环的位置在地图上显示；信息显示模块，将移动手环收集到的数据进行整合显示。服务器端则为移动手环端和网页端提供数据交互的功能，同时服务器端负责后台数据处理以及数据的存储。服务器的安全性需要得到严格的保证。1.3硬件系统器件选型硬件系统是整个系统正常运行的基础，对硬件系统进行设计时，除了要满足功能需求，还要考虑价格、性能以及兼容性等方面的问题，选择性能优良、兼容性好的硬件不仅能提高设备的整体性能，还能够给用户带来良好的体验。本文设计了一种易于使用、高效率、高可靠性的户外溺水报警系统。整个系统包括一个心率血氧模块、北斗定位模块、蜂鸣器报警模块以及总控模块。1.3.1主控制器主控制器时一个系统的核心，对整个系统的性能至关重要。本系统需要选择高可靠性、高性能的主控制器。为满足使用的要求，现将几种常用的控制器进行对比。如表1.1所示，ArduinoMEGA2560在价格上有一定的优势，但是其MCU、Flash大小以及RAM等方面与其余两种控制器有着很大差距；STM32F103在时钟频率、GPIO引脚数量、Flash大小等方面领先于Arduino，但是其价格是三款控制器中最为昂贵的；RaspberryPI4B性能优良、价格实惠，外形只有卡片大小，符合本系统高可靠性、高性能和便携式的要求。此外Raspberry配备有1/2/4个USB接口以及一个10/100以太网接口，USB接口可连接键盘、鼠标，以太网接口可以连接网线，同时Raspberry还配备有视频模拟信号的电视输出接口以及HDMI高清视频输出接口，可以使用电脑与树莓派进行远程连接，便于编程与调试。因此本系统选择树莓派作为主控制器。表1.1三种主流控制器对比表名称ArduinoMEGA2560STM32F103RaspberryPI4BMCUATmega2560ArmCortex-M3ArmCortex-A72工作电压5V3.3V5VGPIO引脚7011240时钟频率16MHz72MHz1.5GHzFlash256KB256KBMicroSDRAM8KB64KB1GB价格2993983591.3.2监测模块溺水判断一直是一个难题，本系统通过对血氧心率的监测，做出最大可能的判断。本系统选择Raspberrypi4b作为主控板，因此各个监测模块的选择要求与Raspberrypi4b适配。本系统采用被动式监测，每隔20s上传一次数据，因此对监测模块的要求不高，只要满足以下几个要求：一是传感器要求放置在手环中，因此传感器需要微小的尺寸；二是传感器要能够精准测量出用户的血氧和心率，因此要求高可靠性。综上所述，我们选择的是MAX30102心率血氧传感器。MAX30102传感器是一款用于健身和卫生保健领域的高灵敏度脉搏血氧仪和心率生物传感器。其原理是都是使用发光二极管（红光RED，红外IR，绿光GREEN和蓝光BLUE等光）照射被测部位，然后使用一个光电二极管接收透射/反射的光线，将光信号转换为电信号。然后通过高精度的ADC测量反射回的电流大小，评估血液中的含氧量。该装置的简化框图如图1.2所示。图1.2MAX30102简化框图1.3.3定位模块就目前的技术水平来看，采集目标的位置信息可以通过两种方法实现。其一为基于移动设备的方法，也就是移动设备根据其和基站之间过去和当前两个时刻的通信信息进行计算，从而确定设备所处的位置，GPS系统就是采用了这一原理而实现的；其二为基于网络的方法，它的原理是以基站和移动设备的通信信息（时间和信号强度）为依据进行计算，从而实现定位设备的效果，该方法需要配合网络的拓扑结构才能发挥作用。本系统主要用于室外定位，并且需要满足微型化，便携化的特点。ATGM336H-5N系列模块是一款高性能并支持BDS/GNSS全星座定位导航模块。该系列模块产品是基于AT6558芯片（AT6558芯片是中科微电子第四代低功耗GNSSSOC单芯片），该模块支持包括中国的BDS（北斗卫星导航系统），美国的GPS（全球定位系统），俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯全球定位系统），欧盟的GALILEO（伽利略全球定位系统），日本的QZSS（准天顶卫星系统）以及卫星增强系统SBAS（星基增强系统）等多种定位系统。AT6558芯片是一款支持多模卫星协同导航的定位芯片，包括有最多32个跟踪通道，能够同时获取六个卫星导航系统的GNSS卫星信号，并且实现授时、导航和联合定位等功能。综上所述，ATGM336H-5N系列模块具有低功耗、低成本、高可靠高灵敏度等优点，符合本系统的要求。1.3.4通信模块本次通信方式备选方案为2G通信、4G通信、WiFi通信以及蓝牙通信。四种通信方式的协议标准、频率、传输范围、数据速率如表1.2所示。2G网络采用GPRS标准协议，其传输范围最大为35千米，仅次于4G网络，但是其传输速率非常低，不适合大容量数据的传输。WiFi网络在传输速率上有着明显的优势，但是其传输距离仅有50m，同时其安全性不高，不适合室外水域的环境。蓝牙采用IEEE801.15.4协议标准，使用1.4GHz的频率段，传输距离为10-100m，传输速率为250Kbps。其远距离传输的性能十分低，不够稳定，同时其传输速率也无法满足大规模数据传输实时性的要求。4G网络有着最远的传输范围和十分不错的传输速率，可以通过极高的速度对数据进行传输。同时4G网络支持安全性检查，可靠性高。十分适合本系统实时性、可靠性的要求。综上所述，本系统采用4G网络作为通信手段。同时选择4G全网通CAT.1系列通讯模块Air724UG作为本系统的通信模块。表1.2四种通信方式对比名称2G4GWiFi蓝牙标准协议GPRSLTEIEEE801.11nIEEE801.15.4频率900MHz2100MHz1.4GHz/5GHz1.4GHz传输范围最大35KM最大200KM50m10-100m数据速率35-170Kbps3-10Mbps150-200Mbps250Kbps1.4相关基础理论1.4.1I2C通信技术I2C总线是由Philips公司开发的串行总线，因其使用简单、双向二线制特性、同步等特点被广泛应用。其只需要数据线（SDA）和时钟线（SCL）两根线既可用于总线上不同设备之间的信息交互。I2C总线具有总线仲裁和高低速设备同步功能，能够高效实现多主机系统之间的通信。I2C总线特点可以概括如下[17]：(1)在硬件上，I2C总线只需要一根数据线（SDA）和一根时钟线（SCL）；(2)I2C总线是一个真正的多主机总线，每个总线上的设备都有一个唯一地址，每个设备可以在主从关系上随意变化；(3)I2C总线多主机同时初始化数据时，总线的冲突检测和仲裁功能可以防止数据被破坏；(4)串行的8位双向数据传输速率正常模式下为100Kbit/s，最高可达3．4Mbit/s。(5)总线具有极低的电流消耗．抗高噪声干扰。片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺，提高系统的稳定性。如图1.3所示，SDA（数据线）和SCL（时钟线）是双向线路，通过一个电流源或者上拉电阻连接到电源正电压。空闲状态下，SDA（数据线）和SCL（时钟线）都处于高电平状态，当主机发送开始信号，即任一设备输出低电平，总线将进入通信状态，此时总线上只能进行特定两个设备间的通信，总线信号变为低电平，总线中各器件的SDA和SCL都是逻辑“与”关系。图1.3I2C总线连接示意图1.4.2卫星定位技术卫星定位系统是一种使用卫星对某物进行准确定位的技术，它从最初的定位精度低、不能实时定位、难以提供及时的导航服务，发展到现如今的高精度GPS全球定位系统，实现了在任意时刻、地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以便实现导航、定位、授时等功能。目前全球范围内的定位系统包含中国的BDS（北斗卫星导航系统），美国的GPS（全球定位系统），俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯全球定位系统），欧盟的GALILEO（伽利略全球定位系统），日本的QZSS（准天顶卫星系统）以及卫星增强系统SBAS（星基增强系统）。卫星定位的基本原理是在任一地点，都可接收到4颗以上的卫星信号，我们可得到卫星到接收机的距离，通过三维空间内的距离公式，使用任意三颗卫星的信息，可以组成3个方程，通过改方程组可以解出观测点的位置坐标（X,Y,Z）。由于卫星时钟与接收机时钟之间存在误差，需要引入第四颗卫星来消除该误差，因此方程组含有4个未知数：X、Y、Z和时钟差，通过第四颗卫星的信息，可以组成4个方程，对该方程进行求解并进行处理就可以得到观测点的经纬度和高度等信息。实际情况下，接收机可以锁定4颗以上的卫星信号，这是，接收机可以将卫星分成若干组，通过优化算法将误差最小的一组数据作为定位数据，从而提高定位精度。1.4.3JAVA技术Java现常用于服务端的开发，Web的开发人员使用到开源软件Spring就是基于JAVA技术实现的。Java有三大体系架构，JavaME、JavaSE、JavaEE，JavaME为在移动设备和嵌入式设备上运行的应用程序提供一个健壮且灵活的环境，包括灵活的用户界面和健壮的安全模型，常用于PDA、电视机顶盒等设备。JavaSE是Java基础，它允许开发和部署在桌面、服务器、嵌入式环境和实时环境中使用Java程序，它也包含了支持JavaWeb服务开发的类，为JavaEE提供基础。JavaEE用来开发企业级应用程序，它可用于开发部署具有可移植、健壮、可伸缩、安全等特点的JAVA服务端应用程序，它同时还提供Web在线服务、组件模块、管理和通信API，可以简化应用程序的开发工作，实现企业级应用程序开发的要求。1.5系统软件开发环境1.5.1PyCharm开发平台PyCharm是一种Python的集成开发环境，集成开发环境简称为IDE。它是由JetBrains打造的。当用户想提高在使用Python语言进行开发时候的效率，那么就可以使用PyCharm，它可以提供一整套帮助提高开发效率的工具。PyCharm可以提供一个编辑器，这个编辑器可以智能的帮助代码补全，用户也可以对这个编辑器进行配置，实现代码窗口重叠和分开的功能，这样使用户更加轻松快速的完成工作。另外，PyCharm有一套代码标准，会智能提示用户的代码出错的原因，比如重复引用、引用了某些class但没用到的提示，这一系列的提示让程序开发容错率更高，开发更加方便。PyCharm还提供分页查看，开发的时候可以同时看两个文件，方便对照着开发[18]。如图1.4所示，PyCharm开发平台包括代码编写，项目管理，终端管理，日志管理等多种功能，同时该平台还支持跨平台远程编译调试的功能。图1.4PyCharm开发界面1.5.2STS软件STS(SpringToolsSuite)是基于Eclipse开发工具框架构建而成的，使用JAVA语言开发的一款软件，其专门为Spring框架设计，很好得支持SSM框架网页的实现，是用来开发网页应用程序最好的选择之一。STS软件天生支持Spring框架，能够快速完成Spring应用程序的搭建工作，同时还为关键的服务器和云计算，Git，Maven，AspectJ和最新的Eclipse版本提供整合支持。通过该软件可以迅速构建