可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設(shè)計*

陳迪榮，李文鈞

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018)

隨著我國經(jīng)濟文化的快速發(fā)展，我國人口結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化，老齡化趨勢越來越明顯，我國已經(jīng)進入了老齡化發(fā)展的快速階段。同時，根據(jù)我國養(yǎng)老服務“十二五”計劃，要在“十二五”期間，我國要建立一個具有中國特色的社會養(yǎng)老服務體系。因此，社會養(yǎng)老將越來越受重視，而作為社會養(yǎng)老方式之一的養(yǎng)老院養(yǎng)老更是由于其專業(yè)化、人文化滿足了老年人對于生活照料、護理康復和精神關(guān)愛等方面的需求，受到了人們的熱捧。隨著養(yǎng)老院設(shè)施的日趨發(fā)展，老人生活質(zhì)量提高的同時也給老人帶來了許多的安全隱患。目前，市場上針對老人監(jiān)護的產(chǎn)品很少，養(yǎng)老院管理人員往往沒有一套合理的智能監(jiān)護系統(tǒng)，在老人發(fā)生意外時，不能夠及時的對老人進行救助，這將會帶來不可挽回的遺憾。

針對以上問題，本文提出了一種基于MSP430單片機與射頻無線通信技術(shù)方案可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設(shè)計。很好的解決了老人監(jiān)護防護的問題，方便了養(yǎng)老院管理人員的管理，保障了老人的安全。

1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

本電路系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括電源管理模塊、核心控制單元模塊、射頻無線通信收發(fā)模塊、加速度傳感器防摔倒模塊、GSM 通信模塊、GPS 人員定位模塊及輔助的控制電路。整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

在實際應用中，該電路將被制作成腕帶或射頻卡佩戴在老人身上，老人在室內(nèi)的時候，所佩戴的腕帶或卡片通過與射頻無線通信模塊與讀卡器通信，而讀卡器可通過RS－485［1］與計算機通信，將信息通過計算機傳遞給相關(guān)的管理人員。在室外的時候，可通過核心控制單元模塊來開啟GSM 及GPS模塊，實現(xiàn)人員的定位。在輔助控制電路中可實現(xiàn)緊急呼叫的功能。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源管理模塊

整個系統(tǒng)中各模塊的電壓分配如圖2 所示。在本設(shè)計中，主要采用額定電壓為3.7 V 的鋰電池系統(tǒng)供電。其中，鋰電池通過外加濾波及退耦電容給GSM 模塊供電，另外，鋰電池的電壓通過AME8827－3.3 穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)化后，可產(chǎn)生3.3 V 的電壓分別給MSP430 單片機、加速度傳感器、射頻收發(fā)芯片及GPS 模塊供電。其電源管理模塊電路如圖3 所示。

圖2 各模塊電壓分配

圖3 電源管理模塊電路

2.2 核心控制模塊

本設(shè)計采用的核心控制器是德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的MSP430 149，MSP430 系列單片機是一種具有超低功耗Flash 型16 位RISC 指令集單片機［2］。選擇MSP430 149 單片機芯片是管腳豐富，兼容性好，驅(qū)動能力強，支持SPI 通信，最主要還是其超低的功耗。核心控制模塊主要由時鐘晶振電路、復位電路、MSP430 149 單片機芯片及電阻、開關(guān)等組成。核心控制模塊主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的通信、采集、分析與處理。

2.3 射頻無線通信模塊

射頻無線通信模塊用到的主要芯片是NORDIC 公司生產(chǎn)的NRF24L01+這一工作在2.4 GHz 頻段的無線通信芯片，采用了GFSK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率可達到2 Mbit/s，有125 個可選工作通道，具有很短的頻道切換時間，可用于跳頻，工作電壓在1.9 V ～3.6 V［3］。該芯片具有極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為－6 dBm 時電流消耗為9 mA，在接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下小號的電流更低。在本設(shè)計中主要用MSP430 149 單片機SPI 口［4］與NRF24L01+芯片的通信。NRF24L01+芯片上的MISO、MOSI、SCK 分別與MSP430 149 單片機的P3.1、P3.2、P3.3 連接。NRF24L01+與MSP430 149 單片機連接的電路如圖4 所示。在系統(tǒng)上電工作時，MSP430 149 單片機通過SPI 口對NRF24L01+的狀態(tài)進行配置，決定是發(fā)射模式還是接收模式。

射頻無線通信模塊中選擇的天線為RAINSUN公司2.4 GHz 陶瓷天線AN9520，由于射頻芯片的天線連接口的阻抗不是50 Ω，因此在射頻芯片天線連接口和天線之間要有匹配網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計中匹配網(wǎng)絡(luò)主要有四方面的作用:

(1)將輸出的射頻信號由平衡轉(zhuǎn)化為不平衡連接到天線，起到巴倫的作用;

(2)將射頻信號的輸出阻抗變換到50 Ω 與天線相連;

(3)在發(fā)射模式下，可以抑制諧波低于規(guī)定的水平;

(4)在接收模式下，抑制本振信號的泄漏。

整個電路中PCB 設(shè)計很重要，一個好的PCB布局布線對射頻性能有很大的影響。這里PCB 的布局布線的好壞將直接影響通信的距離和功能的實現(xiàn)，在本設(shè)計中，嚴格遵守射頻PCB 板布局布線的規(guī)律與要求，元件布局緊湊，避免使用長的走線，去耦電容和元件的電源、地盡可能的靠近NRF24L01+芯片，同時要在PCB 板周圍打上過孔，將多余的高頻信號引入地中。

2.4 加速度傳感器防摔倒模塊

在設(shè)計中，防摔倒報警模塊所用的加速度傳感器是ADI 公司的ADXL345，這是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度傳感器，分辨率高，測量范圍可達±16 gn，工作電壓為2 V ～3.6 V［5］。通過采用SPI 數(shù)字通信，進行4 線配置與MSP430 149 單片機連接。ADXL345 芯片上的SCLK、SDIO、SDO、CS 分別與單片機P1 口的P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 4 相連。ADXL345 與單片機連接的電路如圖5 所示。當老人摔倒時，ADXL345 與單片機通信，單片機通過射頻收發(fā)芯片與讀卡器通信［6］，讀卡器將老人摔倒的信息傳到計算機，管理人員便能及時采取救助措施。

圖4 NRF24L01+與MSP430 149 單片機連接的電路

圖5 ADXL345 電路圖

2.5 GSM 通信與GPS 人員定位模塊

隨著GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)的普及，GSM 通信模塊和手機一樣是非常重要的移動通信終端設(shè)備，應用十分的廣泛。全球定位移動系統(tǒng)GPS 是美國開發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有精度高、全球覆蓋、方便靈活等優(yōu)點［7］。為了縮小終端的體積，減小功耗，在本文設(shè)計中所采用的GSM 模塊是SIMCOM 公司的SIM900，是一款低功耗的四頻GSM/GPRS 模塊工作電壓為3.2 V ～4.8 VV，SIM900 性能穩(wěn)定，采用SMT 封裝，其體積很小，尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm［8］，非常適用于本設(shè)計中，而且性價比較高。采用的GPS 模塊是U－BLOX 公司的LEA－5S。LEA－5S 外形緊湊，體積小，具有多種接口，方便使用，其工作電壓為2.7 V ～3.6 V，正常工作電流為20 mA。

在本設(shè)計中，MSP430 149 單片機通過GPS 采集定位的信息，LEA－5S 模塊的TX 接口與單片機的然后通過GSM 模塊將定位信息發(fā)送到服務中心，來實現(xiàn)老人的監(jiān)護與定位。GSM 模塊如圖6 所示。GPS 模塊如圖7 所示。

圖6 GSM 模塊電路圖

圖7 GPS 模塊電路圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設(shè)計方案。在實際應用中，所需的各項功能已通過模塊化電路設(shè)計實現(xiàn)。該電路制成腕帶或射頻卡后體積小、攜帶方便，室內(nèi)時識別距離為0 ～100 m，老人佩戴在身上后，房間和走廊上的讀卡器能夠準確讀到腕帶上的信息，并且讀卡器能夠及時將信息反饋給控制臺的計算機通過軟件顯示出來。另外，我們開車將佩戴腕帶的人員送到室外繞城實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)人員的精確定位，同時本設(shè)計產(chǎn)品還具有低功耗、安全可靠等優(yōu)點。本設(shè)計的實現(xiàn)，滿足了養(yǎng)老院管理人員的需求，為老人的安全提供了保障。同時，彌補了我國市場上針對老人監(jiān)護產(chǎn)品的少的缺點，為相關(guān)研究人員提供了很好的參考。

［1］ 韓世進，張樂年.基于RS－485 的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，11:14－16.

［2］ 沈建華.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004:1－11.

［3］ 劉志平，趙國良.基于nRF24L01 的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］.應用科技，2008，3:55－58.

［4］ 高章飛，朱善安. 基于MSP430 和nRF905 的多點無線通訊模塊［J］.電子器件，2006，1:26－30.

［5］ Analog Devices，Inc.Digital Accelerometer ADXL345［EB/OL］.

［6］ 王沖，施玉霞，陸熊. 基于加速度傳感器的無線人體動作測量設(shè)備［J］.單片機與嵌入式應用系統(tǒng)，2011，8:45－51.

［7］ 王超，肖亞蘇，王化祥.基于GPS 和GSM 的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2006，6:550－551.

［8］ SIMCOM，SIM900A 硬件設(shè)計手冊［S］［EB/OL］.