基于GPS技术的医疗监护定位装置的研制

1、前言

　　目前，我国有约3亿需照顾看护群体，这其中主要为儿童和老年病人。由于现代生活节奏紧张化，家长忙于工作，儿童拥有了更大的自由活动空间，经常发现儿童走丢、受伤的现象；医院的病人比如老年痴呆症患者也有走失现象发生。如何实现对此群体的随时监护，已成为广大照顾者们非常关心并急切希望解决的问题。GPS（全球定位系统）[1]是美国从20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卫星系统，具有性能好、精度高、应用广的特点，已免费开放使用，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。我们采用GPS技术制备监护用的定位装置，以满足家庭对孩子、医院对病人的实时看护，从而使工作中的家长们放心，防止医院病人走丢，提高医院对病人的看护水平，扩大病人的活动范围。

2、装置硬件设计与实现 

　　该医疗监护装置（图1）由两大部分组成：单片机控制模块和GPS接收模块，这两个模块之间通过串口机制进行信息的交互。.

图1  医疗监护装置系统结构

2.1单片机控制模块（图2）：通过扩展外围电路，实现了对生理参数数据的采集、键盘操作、生理参数LCD显示和自动报警等。LCD我们采用G191液晶模块，192×128点阵，点尺寸为0.33×0.33mm,点距为0.04mm，驱动电源为＋5V和－20V。液晶控制器我们采用SED1335，该控制器用于接收来自控制模块的各种指令和数据，产生相应的时序对液晶屏进行控制显示，SED1335的软件功能非常强大，而且自带数据RAM，并可自行管理显示缓存区，方便我们使用。

图2  单片机控制模块电路

2.2 GPS接收模块：负责从GPS卫星（空间部分）接收信息，并实时的将数据通过UART串口发送给单片机控制模块，在设计过程中，通过分析和比较，我们选用了台湾HOLUX公司的GR-85串口GPS接收器。在信号捕捉及信号精度方面，GR-85具有其独特的优势。其信号重新捕捉时间只需要100ms，最小速度更新率可达到1s。

　　GR-85接收模块采用串行通信方式，其数据格式定义如下：9600b／s，8个数据位，1个停止位，无极性输出。GR-85支持六种NMEA－0183协议信息：GGA，GLL，GSA， GSV，RMC，VTG。这六种信息的区别在于用户所能接收到的信息类型有所差别，例如在RMC格式中有速度的信息，而在其他的格式中却没有。设计者可以根据需要选择响应的信息格式，本实验利用RMC格式。表1为GPS接收模块管脚。接收模块与单片机通讯主要通过TXA脚。

表1  GPS接收模块管脚

3、系统软件设计与实现 

　　GPS 接收板只要处于通电工作状态就会源源不断地把接收并计算出的GPS 导航定位信息通过串口传送到单片机系统中。对GPS 信息进行提取必须首先明确其帧结构，数据帧主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。各帧均以回车符<CR>和换行符<LF>作为帧尾，标识一帧的结束。对数据帧处理，是先对帧头进行判断，然后对所需的帧进行数据的提取处理。由于帧内各数据段被逗号分割，因此在处理接收数据时一般是首先通过搜寻"$"的ASCII 码来判断是否是帧头，接着对帧头的类别进行识别，然后再根据识别出来的帧类型以及逗号‘，’个数来确定当前正在读取的是哪个参数，并作出相应的提取和存储。我们采用中断方式来获取GPS数据。

　　为了存放接收以及处理后的时间及其经度纬度数据，我们在内存中划出了固定的空间。其中3BH－5FH用来存放接收到的时间和经度纬度数据，6BH－7FH用来存放处理后的时间和经度纬度数据。

系统流程图如图3所示：

图3  系统流程图  

3.1 GPS数据输出格式如下：

　　$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>
　　格式说明如下：<1> 当前位置的格林尼治时间，格式为hhmmss；<2> 状态, A 为有效位置, V 为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3 颗；<3> 纬度, 格式为ddmm.mmmm；<4> 标明南北半球, N 为北半球，S 为南半球；<5> 经度，格式为dddmm.mmmm；<6> 标明东西半球，E 为东半球，W 为西半球；<7> 地面上的GPS 接收器的移动速度； <8> 方位角，范围为000.0～359.9；<9> 日期, 格式为ddmmyy；<10> 地磁变化；<11> 地磁变化方向，为E 或W。

　　输出范例：$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, ,*10

3.2  GPS信息接收程序：
中断接收程序
XINTS:MOV A,SBUF
JB DFLAG,DF 
JB CFLAG,CF 
JB MFLAG,MF 
JB RFLAG,RF
JB PFLAG,PF
JB G1FLAG,G1F
JB SFLAG,SF
XRL A,#24H
JZ SYES
MOV 20H,#00H;不是则清所有标志位
LJMP INTSOUT
SYES:SETB SFLAG;是$，设标志
LJMP INTSOUT
SF: XRL A,#47H;是第一个G么
JZ G1YES;是G转G1TES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
G1YES:SETB G1FLAG
INTSOUT:POP ACC
RETI
G1F: XRL A,#50H;是P么
JZ PYES;是则转PYES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
PYES:SETB PFLAG
LJMP INTSOUT
PF:XRL A,#52H;是R么
JZ RYES;是则转RYES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
RYES:SETB RFLAG
LJMP INTSOUT
RF:XRL A,#4DH;是M么
JZ MYES;是则转MYES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
MYES: SETB MFLAG
LJMP INTSOUT
MF:XRL A,#43H;是C么
JZ CYES;是转CYES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
CYES: SETB CFLAG
LJMP INTSOUT
CF:XRL A,#2CH 
JZ DYES
MOV 20H,#00H
LJMP INTSOUT
DYES:SETB DFLAG
LJMP INTSOUT
DF:MOV @R0,A
DEC R0
DJNZ R3,INTSOUT
MOV R3,#25H
MOV R0,#3bH
LJMP INTSOUT

4、结果与讨论 

　　经过实验测试，该系统误差在5米以内，在广州市不同的地理位置、天气状况中测量，系统均可实现对目标的定位。系统每5秒钟进行一次数据刷新，使系统单位耗电量减小到连续测试耗电量的1/4。同时，相比于利用红外线、射频技术定位测距等，本系统拥有更高的精确度、稳定性和抗衰减能力，有利于监护时的信息传输。

　　实验证明：GPS技术应用于户外活动的病人及儿童的监护是可行的，可通过该系统对监护对象进行实时监护，一旦病人处于危急状态，可通过GPS信息获知病人位置，从而大大提高拯救病人效率，也可以将走丢的儿童及老年痴呆患者及时找回来，同时该装置也可以用于旅游、探险等野外活动的定位跟踪。

　　GPS技术用于军事、交通、野外地质找矿等领域的应用已有相关报道[2-4]，但还未见GPS技术用于医疗监护方面的详细报道，本文作者创新点：具体探讨了GPS技术应用于医疗监护定位的技术问题，拓展了GPS技术的应用范围，实现了一种新的医疗监护定位技术。由于GPS技术的免费使用以及该GPS医疗监护定位装置所具备的高精确度、良好的稳定性、强大的抗衰减能力、较小的耗电量等优点，使GPS医疗监护定位装置在医疗保健方面具有良好的应用前景。

参考文献：
1.刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法［Ｍ］，北京：科学出版社，2003 
2. 何香玲,张跃,郑钢 等，GPS全球卫星定位技术的发展现状、动态及应用，微计算机信息，2002，18（5）：3 
3.陆小锋，陆亨立，张芳琴，GPRS与GPS在汽车信息服务系统中的设计应用，微计算机信息，2005，21（3）：188 
4.叶积龙,甘艳辉,然见多杰，GPS在野外地质找矿工作中的应用浅析，地矿测绘，2006,22(1):36-37