第1章 绪 论

　　1.1 课题研究的目的和意义

　　随着人口政策的影响和跨地域社会流动的加剧，我国“空巢老人”越来越多，进入空巢的年龄越来越年轻，空巢期也越来越长。据了解，我国目前已经进入人口老龄化快速发展时期，已有老龄人口1.69亿，占总人口数的12%，据全国老龄办统计数据显示，有近一半的老人属于城乡空巢家庭或类空巢家庭。

　　现如今人口老龄化可概括为：“人口中老年人比重日益提高的现象，尤其是指已达年老状态的人口中老年人比重继续提高的过程”。2013 年 02 月 27 日中国社会科学院发布了首部老龄事业发展蓝皮书-《中国老龄化事业发展报告(2013)》。报告中指出，中国将迎来第一个老年人口增长的高峰。《国家应对人口老龄化战略研究》课题组指出，2013 年我国老龄化水平将达到 14.8%。老龄问题严峻性世界少有。以长春市为例，2013年12月统计数据显示，长春市人口为750余万，60岁以上106万多，约占总人口的14%，可见老龄化现象及其严峻，而由老龄化所引起的社会问题也随之而来，影响越来越大，其中以单独、双独和留守的空巢老人此类特殊人群的健康安全保障问题尤为突出。

　　近年来，网络信息发达，很多关于单独、双独以及留守老人发生的急性死亡、老人走失等事件频发，造成的社会关注和社会舆论压力越来越高，其境况很大程度都归结于此类特殊群体没有得到实时的健康安全监控，使得恶性结果明显。考虑到上述的现实问题，制作一种特殊人群监测系统是刻不容缓的。通过监测系统对人体血压、心率、体温实时采集等。监测系统可以间断性地通过短信发送模块将数据发送到医院工作站，或子女等亲人的手机中，及时了解老人们的身体状况;智能基座为家庭固定设备，其上的USB接口可与监测系统相连接，对监测系统进行充电，同时也具有的心率、肺活量等其他参数的检测数据在监测系统上进行显示。并且，可以将老人健康状况的数据传输给附近社区的服务中心，能够阶段性地对数据进行分析，从而及早控制疾病的发病。当在类似于老人突然昏厥，失去意识的紧急情况下短信报警模块可自动向紧急中心发出求救信号，并通过GPS定位模块将老人的具体位置发送到紧急中心或儿女的手机中，而且社区的服务中心也能通过基座的实时传输接到信号，从而使老人得到及时的救治。该监测系统能实时、连续地对心率、血压、体温进行检测，心率和血压是测定个人健康状况，以及身体或情绪紧张情况下个人身体状况的重要指标。

　　1.2 特殊人群健康安全监测系统设计的国内外现状

　　特殊人群身体监测系统设计的发展最早可追溯到1962年，那时建立第一批高血压及冠心病监测病房在北美，因为人们大多数都重视它在手术过程中的监测和重症病人监测的方面所引起的特别作用。因此，在世界上各大医疗仪器的生产厂家都竞相投进去了大量的人力、物力来实现监测系统的开发、生产和销售，使监测系统的发展和普及得到了进一步的完善。由于通信技术和计算机技术、生物医学方面的测量与传感器技术的快速发展，以及临床对潜在危险患者和危重患者的监测要求不断的提高，同时对监测系统的功能的要求也不断的提高，从而使整个监测系统的整体性能得到了很大的提高，操作愈加方便，功能日益完善。欧美和日本等国家研制生产监测系统的历史较为久远，不仅有先进电子设备为基础，而且还投入了大量的资金，积累了许多测量方法理论及丰富的临床应用经验目前，来自美国的CSI监测公司、凯威实验室、惠普公司和福田公司、德国的IEM公司以及日本的光电等是先进的监测产品主要的主演来源，这些产品具有测量准确、技术先进、抗干扰能力强、功能强大、性能稳定和外形设计合理等众多优点。

　　我国人体健康监测系统的科研、生产与国际先进水平相比还存在一定的差距，虽然目前国内已经提出和开展了社区卫生服务的政策以及针对性的开发了健康安全监测系统和设备，但是仍然存在很多实际问题，亟待解决。

　　(1)社区卫生服务平台建设不足

　　目前，部分的社区卫生服务中心实施了微型或小型的医院管理信息平台(HIS平台)，有一部分还实现了社区站与中心站的一体化联网，但这些平台的重点是社区医院的常规医疗就诊管理等的管理，且平台的功能较为单一简单。

　　(2)特殊人群健康安全监测系统技术不完善

　　现有的一些检测仪器成本高、体积大，只有大型的医疗机构才能够使用，无法满足家庭健康监护的需求。随着传感器技术的发展，出现了一些功耗低、体积小的生理参数传感器，可以应用在家庭健康监护中。另一方面，生理信息多采用有线传输，不能够在自然状态下采集用户的生理参数，而且无法实现长时间的连续监护。因此无线传感技术成为近年来研究的热点。

　　(3)特殊人群健康安全平台建设资金运作不完善

　　目前已有的社区化服务平台，之所以没有全国性的开展和推进，其主要原因是平台长期运行资金运作不完善，全靠政府投入不现实，因此需要一套科学、合理、可行的平台建设与运行机制。

　　(4)目前已存在的人群监控安全监测系统缺点明显

　　单独依托于社区服务中心平台，人群监控安全参数实时性、动态性和连续性太差;单独依托于医院服务中心平台，压力太大，可控性太差。

　　根据本课题前期调研与分析研究，可以看出针对项目所提特殊群体的健康安全监测系统设计建设，能有效缓解老人无人照料，突发健康危机无人处理的现象，将老人的健康信息和生活状态信息实时、连续的统一管理起来，并给予科学的引导和处理。尤其是在我国医疗体系中占有重要地位的社区居民健康预防医疗服务体系中，将有助于我国社区医疗卫生服务及推动社区居民的整体健康服务水平提高到一个新的台阶，满足了许多社区家庭及群众多样化的医疗卫生服务需求。此项目的研究也具有实际的社会意义。大致分为三点：

　　(1)有利于掌握国内老龄化趋势的基本情况和健康状况，为开展全科医疗和解决社区居民的主要健康问题提供依据。有利于主动、及时的发现问题并为社区的平台性、协调性和连续性的一体化卫生服务提供依据。

　　(2)此系统设计更在一定程度上反映了基层社区的服务质量和技术水平。

　　(3)是政府为解决特殊人群所存在的健康安全等社会问题而推出的一项便民服务体系，也是一项深得民心的惠民服务工程。

　　1.3 课题主要研究内容和技术指标

　　1.3.1主要研究内容

　　此课题所设计的身体参数检测系统中移动设备为腕式监测仪主要完成常规的脉搏、血压两项指标采集，老人可随时佩戴，老人出门行走时，其GPS功能将完成定位，固定设备为家庭智能基座，其上面的USB接口可与腕式监测仪连接，对腕式监测仪进行充电，同时其具有的心率、肺活量等其他参数的检测数据在腕式监测仪上进行显示。

　　(1)特殊人群健康安全监测系统设计的总体方案制定;

　　(2)特殊人群健康安全监测系统设计的技术特点分析;

　　(3)特殊人群健康安全监测系统设计的身体各参数设定;

　　(4)特殊人群健康安全监测系统设计的硬件电路设计;

　　(5)特殊人群健康安全监测系统设计的程序及软件设计;

　　1.3.2技术指标

　　(1)体温测量范围(35℃-42℃);

　　(2)心跳速率测量范围(40-180次/分);

　　(3)血压测量范围(0-39KPa);

　　(4)GPS定位精度(10-25米);

　　(5)能够显示测量结果和语音报警;

　　(6)数据信息存储和打印。

　　第2章 特殊人群健康安全监测系统设计的总体方案

　　2.1 主控芯片的比较与选择

　　主控芯片是主板或者硬盘的核心组成部分，是各个设备之间相互连接的桥梁，也是控制设备运行工作的大脑。在主板中，有两大芯片是最重要的，一个是南桥芯片，它控制着扩展槽、USB接口、串口、并口、1394接口、VGA接口等，它主要负责外部接口和内部CPU的联系，而另一个是北桥芯片，它控制着CPU的类型、型号、主板的总线频率、内存类型、容量、显卡等。

　　2.1.1 STC89C51单片机

　　89C51单片机是一种带有4K字节可闪烁可编程可去除默认只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能的CMOS8位微处理器。单片机的可去除功能只读存储器可以反复去除100次。该单片机采用了ATMEL高密度和不易失存储器的制造技术所制造的，与标准工业方面生产的MCS-51指令集成和输出的管脚相互兼容。因为将多功能的8位CPU和单个芯片闪烁存储器组合在其中，ATMEL的89C51单片机是一种具有高效率的微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为许多嵌入式的控制系统供应了一种廉价且灵活性高的方案。

　　89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash(程序存储器的内容至少可以改写1000次)存储器取代了原来的ROM(一次性写入)，AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP(在线更新程序)功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。

　　2.1.2 PIC16C71A单片机

　　PIC系列单片机各类数据存储器都是以寄存器方式工作和寻址的。专用寄存器包括了定时寄存器TMRO、选择寄存器OPTION(又称为项选寄存器)、程序计数器PCL、状态寄存器STATUS、间接寻址寄存器INDF和FSR、端口I/O寄存器(如PORTA、PORTB…)和相对应的端口I/O控制寄存器(又称为端口I/O数据方向寄存器，如TRIAS、TRISB…)、保持寄存器PCLATH和中断控制寄存器INTCON等。

　　型号不同的PIC单片机，其数据存储器的内部资源仅仅是功能种类和多少的不同。PIC16C71A型，其引脚为18脚，主要功能是带有8位的A/D转换部件，有4个A/D通道模拟输入，所以在表1中与其A/D转换部件有关的专用寄存器ADRES(用于存放A/D转换的数值结果)、A/D控制寄存器ADCON0(用于控制A/D转换器的操作)和A/D控制寄存器ADCON1(用于控制选择A/D引脚的功能)等。

　　2.1.3 STC12C5A60S2单片机

　　在众多的51系列的单片机中，要算国内STC 公司生产的的1T增强系列的单片机更具有竞争力和生存力，因为他不但和8051的指令、管脚完全兼容，而且其芯片内所具有的大容量程序存储器由FLASH工艺生产的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

　　STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。是多功能身体健康监测仪主控芯片的不二选择。

　　2.2 测体温传感器的比较与选择

　　温度传感器(temperaturetransducer)是指能感受物体的温度并能将其转换成可用于输出信号的特性传感器。温度传感器是温度检测仪表的核心部分，其品种比较多。按照检测的方式可以划分为接触类型和非接触类型两大类别，要按照传感器的组成材料以及电子元件特性可划分为热敏电阻类型和热电偶类型两类。石家庄触达科技有限责任公司，是一家集科工贸于一体的高新技术企业，公司专业研制和生产传感器、变送器、自动化仪器仪表、工业控制系统，也可以根据客户的需求提供专业化的开发和测试解决方案。为确保我们的产品和技术服务的有效性、规范化和流程化，确保最大限度的顾客满意度，我们严格按照ISO9000质量保证体系来实现公司内部的严密管理程序和顾客端的灵活优化服务水平。

　　2.2.1 RE200B测体温红外传感器

　　人的体温约为37℃，该温度下10μm左右红外线辐射量最大，红外探测器RE200B对波长为7-14μ m范围的红外线比较敏感，它可无接触地情况下，检测人体产生的10μm波段的红外线，并通过测量转换电路转换成电量输出。RE200B是一种光电检测装置，其主要由菲涅耳透镜、热释电红外器件和测量转换电构成。RE200B对环境温度变化引起的干扰，通过其内部双PZT 板灵敏元感光电极反向串联，这种互补的方法不仅能抑制环境温度的干扰，而且提高了其自身的稳定性和灵敏度，另外，RE200B的这种双灵敏元PZT 板可有效地防止干扰光照射和背景波动时对其自身的影响。在检测时，只有当人体移动时才有电压的输出，当2个受光电极同时感应到红外线照射时，输出电压相互抵消输出为零。RE200B传感器采用TO-220封装，三个电极分别为漏极D，源极S，接地端GND。

　　基于RE200B 红外传感器的体温仪是根据热释电效应而制成的一种的红外测温仪，是一种典型非接触体温测量仪，具有响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强、性价比高等优点。由于这些优点，使得其近年来应用发展十分迅速，在医疗卫生、食品加工、制药、电路故障检测等方面获得了广泛的应用。

　　2.2.2 DS18B20温度传感器

　　温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合由DALLAS公司所生产的DS18B20温度传感器属于比较不错的。其自己的体积比较小、硬件开消相对较低、抗干扰的能力较强而且其附加的功能也比较强。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。了解其工作原理是非常有必要的。

　　DS18B20的主要特征:全数字化的温度转换特性以及输出的数据通信为先进的单总线模式。分辨率高达12位，±0.5摄氏度的精度。12位的分辨率最大的工作周期可以达到750毫秒每次。同时还可以选择寄生的工作方式。其测量的温度范围可达到-55°C ~+125°C(-67°F~+257°F)的大区间，内置EEPROM，还具有限限制温度报警的功能。而且方便于多机器的挂接与多样式的封装形式，适应于不同的硬件系统。但是由于其精度较低，不适用于测量人类的体温。

　　2.2.3 基于HMS 红外测体温传感器

　　当所处环境温度一定时，被测物体的绝对温度与红外传感器的输出电压的4 次方呈线性关系。被测物体的温度参数与传感器的输出量是相辅相成的，由此被测物体的温度大小可以通过测量传感器的输出电压来确定。因为外围环境温度是可变的，所以要准确地测量温度还需要进行环境温度的补偿。

　　HMS系列传感器是基于上述原理设计的能够吸收红外线能量并输出一个与温度成比例关系的电压信号红外线测温传感器。HMS系列红外温度传感器应用微结构薄膜技术在硅底板上集成了许多个基于热电效应的热电偶接点(thermojunction)。这些热偶接点串联在一起形成一个热电堆(thermopile)。热端与冷端之间通过腐蚀方法形成的非常薄的薄膜进行热隔离。红外吸收区域与热端合并在一起以使热端升温，这样，与红外线能量成正比的热电势便可产生，在HMS红外传感器内还集成了一个100KΩ的热敏电阻，可用于环境温度的补偿。HMS-Z11在距离人体5cm范围内红外线吸收效率接近100%，也就是说有效测量距离≤5cm。精度高，灵敏度强非常适用于人类的体温测量。

　　2.3 系统的总体方案及工作原理

　　所设计的多功能身体健康监测仪是通过对人体加速度的输出量分析出人体运动状态即由主控制器模块对人体速度脉冲信号采集系统所采集到的人体实时速度进行判断后，当人处于静息状态时腕带压力控制模块启动腕带充气，实时测出人体的血压既心率值，再由短信模块将数据发送到养护中心或子女手机中。紧急状态时，GPS定位模块和短信报警模块将共同工作，向紧急中心发出求救短信，并将具体位置发送到急救中心。此方法实现了通过实时对人体血压、心率的数据变化的监测、发送、综合、分析来实时了解身体状况的过程，满足了人们实时了解自身状况的人性化设计，也体现了社会的人文关怀。其基本工作原理如图2.1所示。

　　图2.1 特殊人群健康安全监测系统设计框图