引言
目前国内一些便携式生理检测仪设备，虽然可以检测多个生理参数，但很多只是单独地研究了便携式监测仪或采用物联网的形式连接大型医疗设备，其设计大多复杂、价格昂贵，难以得到广泛的应用[3~5]。
本文设计一种基于开源电子平台Arduino的远程定位生理参数监测仪，实时采集人体的生理参数，应用于突发状况下的快速定位和急救，兼具了便携、远程定位和发送、性价比高、设计简单的特点，可以起到定位急救的作用。
1 总体设计
系统由定位模块MXTOS2-200、Arduino最小系统、生理参数采集模块、无线传输模块和人机交互模块组成，其框图如图1所示。其中，无线数据接收节点主要由无线传输模块、报警器、微处理器和计算器模块组成。生理参数采集模块将采集到的呼吸频率、脉搏、行走状态等参数经A/D转换成数字信号，微处理器对转换后的信号进行处理并显示，然后无线传输模块将处理后的数据打包发送出去，数据接收节点接收到生理参数采集节点的数据后，微处理器将数据进行拆包，取出有效数据并通过串口发送至计算机，计算机对采集的各项生理参数进行分析、处理和显示或者直接通过GSM模块发送至手机。该系统实现了呼吸频率、脉搏等生理参数的采集和测量、行走状态的监控以及实时的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)位置坐标和时间信息的获取和信号的无线传输。如果采集到的呼吸频率、脉搏与预设值(标准范围)有差异或检测到人体跌倒时，则通过人机交互模块显示和语音报警，并且启动通讯模块，将生理参数和位置信息传递到上位机或集控中心。这样模拟出人在外遇到突发状况的情景，可以看到系统的各模块的运行;同时系统也可以用于日常的体检自查和远程数据传递，便于医师进行数据分析和疾病诊断。
2 硬件设计
硬件部分主要包括控制器的选取与电源模块的设计、生理参数测量模块、MXTOS2-200导航模块、GSM无线通信模块与LCD人机交互模块。其中，最小系统采用Arduino MEGA2560，主要在于MEGA2560具有54路数字输入/输出接口(15路用于PWM)和4个硬件串口，丰富的I/O接口便于扩展。
2.1 生理参数测量模块
脉搏测量常用方法有：从心电信号中提取、通过血压测量获取、光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点[8]。本系统采用 PulseSensor网站设计的开源脉搏传感器。该传感器带有放大和消噪功能，测量时可直接戴在手指、或夹在耳朵上，供电电压为3~5V，输入信号为模拟量;实验利用开源的Arduino下位机程序和Processing上位机程序，可以方便的显示脉搏波形，便于进一步开发;此外，该传感器上外接一个 LED，通过光强的变化显示脉搏的快慢。该传感器提供三个接线端，分别为电源、模拟信号输入、地。如图3所示，其硬件电路只需将信号线接ADC采集接口，接通电源和地，就可进行采集，采用采集频率为500Hz。
呼吸频率测量模块选取灵敏度高的热电阻Pt1000传感器进行呼吸频率信号的获取，其原理是人体呼吸时，呼吸气体之间会存在温差，把热敏电阻置于鼻孔出口处，其阻值将随呼吸的周期形成呼吸波，一分钟呼吸波的个数即为呼吸频率值。行走状态传感模块采用能提供三维加速度的集成传感器ADXL345，其原理是当人在行走和静止时，垂直加速度为1g，前后左右加速度为0;当人体在跌倒时大部分是前后或侧向跌倒，将导致前后左右加速度短时间内发生巨大变化。一方面，Arduino提供了ADXLxx开源设计;另一方面，具有串行SPI和I2C两种通讯操作模式， ADXL345与Arduino之间采用I2C通信。ADXL345符合标准的I2C总线规范，支持逐个字节和连续字节读取，其数据传输可以采用 100kHz的标准模式或400kHz的快速模式。在快速模式下，采用连续读取可以保证数据输出的一致性，从而提高系统的准确性。此外，ADXL345可以依靠内部集成的一个FIFO存储器管理系统，对输出数据进行缓冲处理，降低CPU的负荷以及整个系统的能耗[9]。如图3所示，设置ADXL345使用 I2C通信方式，设置CS为高电平。
2.2 MXTOS2-200导航与GSM通信模块
卫星定位的基本思想是在一个三维坐标系中，确定一个点A(X0，Y0，Z0)，可以通过其他三个点建立一个三元二次方程组来求出此坐标点，从而得到该位置的准确定位。接收机是实现卫星导航最常见的用户终端设备之一，其原理是通过接收可见卫星的信号来获取信息，并通过相应算法处理得到当前载体位置、速度、时间，以及卫星状况等信息，实现有效的导航定位功能[10]。Arduino平台提供了支持GPS库函数以及GPS的设计方案，系统采用北京时代民芯有限公司的具有GPS和BD-2双模导航功能的MXTOS2-200接收机板卡可以很好的与其对接。此板卡是射频前端、基带处理、定位软件、配套接口的高度集成，具有低功耗、小体积、高可靠、高性能等特点，可实现 GPS/ BD-2 单模、双模灵活定位模式[11]，有两个串口支持4800~115200bps，默认为串口0输出。MXTOS2-200 从天线输入到串行输出的整个信号处理链包含在一个单独的模块当中。其数值基带主要包括AD采样，信号捕捉，信号跟踪和信号处理四个部分。GPS信号通过串口读取，因此只需将信号线接CPU的RXD就可获取GPS信号。
系统无线通信采用具有多种工作频带的GSM模块，其优点在于GSM可以提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择(短信);此外，Arduino平台提供了支持GSM库函数以及GSM的设计方案。新一代无线通信M10具有超低功耗和宽工作温度范围，为M2M应用提供了完善的 GSM/GPRS短信、数据传输及语音服务，是M2M理想解决方案，适用于车载、个人跟踪、无线POS、智能计量、安防。M10可以工作在850/900 /1800/1900MHz四频段，具有正常、关机、最小功能、闹铃等四种模式，上下行最大传输速率可达到85.6kbps。本系统主要应用GSM的短信功能，设计中接线只需将GSM_TX/GSM_RX/Modern_res连接到单片机串口相连(RXD/TXD)即可，如图3所示。其中，GSM_TX /GSM_RX用于收发信息，Modern_res用于模式选择。如果要使用语音功能，需在外围配备喇叭和咪头用于语音信号的输出与输入。在使用过程中，由于本设计只涉及到GSM发送短信息的功能，因此，只需将GSM_TX接单片机的RXD即可，Modern_res接入接口用于模式设置。
3 软件设计
主程序设计基于Arduino IDE的开发平台完成。由于Arduino平台提供了GPS和GSM开发的库函数，大大降低了系统设计的难度。其流程如下：首先，完成初始化(中断、 LCD、ADXL345、串口、GSM/GPS等初始化)后，启动GPS/GSM模块，进入串口中断等待;接着，查询串口是否有数据。当查询到串口中有数据传来时，就开始判断数据是否符合预先设定协议，如果符合微控制器跳转到生理参数测量模块之中读取行走状态、脉搏、呼吸频率等相关数据，并进行相应数据处理和显示。处理完之后返回数据到主程序，对采集的数据进行相应的处理。最后，将处理完的数据与预先设定的阀值进行比较，如果未超出阀值则通过GSM返回正常标志数据，否则，转入到GPS子程序(MXTOS2-200)之中，判断校验数据是否正确，若正确则进行数据包的解析，获取当时人的准确位置;若不正确则继续等待校验直到获取准确位置。接着，执行GSM发送指令，发出经纬度时间等信息到上位机，同时发出警报寻求救援;如果在阀值以内则返回继续监听串口数据，循环上述过程。
3.1 MXTOS2-200
MXTOS2-200支持以$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA为主的16通信协议，通过相关协议设置可以获取UTC时间、经纬度、GPS状态、正在使用的卫星数量、HDOP水平精度因子、海拔高度、差分时间及ID等等。本系统采用$GPGGA协议，通过串口数据来判断和校验，经校验后，接收数据(本系统主要提取时间、经纬度、有效性)并进行处理，最后保存返回数据给主程序。
3.2 生理参数
ADXL345可以通过设置内部寄存器0x2c来控制输出数据的频率(100kHz和400kHz)，将检测得到的X、Y、Z三个坐标轴数据保存在6 个8位寄存器(0x32-0x37)之中，其中X轴数据保存在寄存器0x32和0x33中;Y轴数据保存在寄存器0x34和0x35中;Z轴数据保存在寄存器0x36和0x37中;数据以补码的形式输出，并且高位在前低位在后。用ADXL345的X轴测量人体左右的加速度;Y轴测量人体前后的加速度，Z轴测量人体上下的加速度。
3.3 实验结果
将加速度传感器ADXL345的坐标与人体坐标对应固定在人体;两个PT1000呼吸频率传感器一个固定在鼻孔内一个固定在外面，通过呼吸的温度差导致的电阻变化进行测量;脉搏传感器直接戴在手指上，接通电源，进行测试。通过Arduino IDE自带的串口监视工具检测正常情况和摔倒状态下生理参数。
由图可知，当人体生理正常并且时，测量的呼吸频率、脉搏在正常范围(呼吸频率为15~25次/min，脉搏65~80次/min)内，其脉搏频率大约是呼吸频率的四倍，符合正常生理状况;当人体摔倒时可知XYZ轴加速度发生巨大变化，呼吸频率和脉搏频率上升，此时启动蜂鸣器，并调用GPS模块，测量经纬度，最后打包数据通过GSM发送。
4 结束语
基于Arduino开源环境，结合MXTOS2-200定位模块提出一种远程定位多生理参数监测设计方案，完成了相应生理模块的测试，结果表明系统可以准确地对生理不正常条件进行预警。系统性价比高，便于携带;开源平台大大降低了设计的难度。
但是本系统也有局限：首先，采集的生理参数还不够全面，可以继续扩展温度、无创血压、血饱和度等;其次，传感器安装和选用方面也有待进一步提高，实际使用中应考虑多传感器集中封装(比如封装在手表内)的问题;最后，可以考虑将测量数据存储在Yeelink(提供免费传感器数据接入管理的互联网服务)，编写相应的Android应用，便于随时随地的查看。