面向智能服装的健康监护系统的研究与开发

摘要

随着现代社会生活水平的提高和各种压力的增大，健康问题越来越受到人们的关注。医学模式和医疗观念也逐渐开始转变，以医院为中心转变为以病人、家庭为中心，以治疗为中心转变为以预防、保健为中心。目前已经出现了各种各样的家用医疗监护产品，但这些产品无法非常方便地进行长期的实时监护，不能满足日益增长的人们对健康保健的需求。由于服装本身与人有着密切关系，将服装装备成监控人体的医疗设备，便可以实现随时随地长时间的对健康进行监护，这是目前研究的一个热点。本论文结合健康监护系统的需求和可穿戴的特点，对面向智能服装的健康监护系统进行了研究与开发。 首先，通过分析智能服装的研究目标与系统需求，设计了面向智能服装的健康监护系统的体系结构。在此基础上，探讨了具体实施时的两种可行方案及各自的优缺点，并将各种相关装置与无线通信和网络技术相结合，提出了基于ZigBee/GPRS—GPS的可穿戴网络体系结构。另外还对监护系统的可穿戴性能进行了研究和探讨。 其次，根据人体生理信号采集的特点和系统需求，设计了系统硬件整体结构。以32位ARM内核的微处理器LPC2212为中央控制器，以16位低功耗微控制器MSP430F149作为采集协处理器，外围设计扩展了心电采集模块、体温采集模块、OLED显示模块、无线模块等，实现了面向智能服装的健康监护系统终端的硬件平台。 再次，针对嵌入服装的电极易受到人体运动影响，所采集的心电信号混杂有多种干扰的特点，研究了基于小波分析的信号消噪，提出了基于小波和中值滤波的阈值分级算法来去除心电信号基线漂移，并给出了一种简单的心电信号特征参数提取方法，在此基础上进行了心率异常分析。另外，还对温度信号的处理进行了研究。 接着，设计了整个软件系统。将其按功能划分成层次和模块，从下至上依次为设备驱动、系统软件、应用程序。在监护系统终端平台上，移植了嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，在此基础上设计实现了硬件模块的驱动程序和应用程序。 最后，针对本论文提出的可穿戴网络体系结构，对其中的ZigBee、GRPS和GPS各个模块进行了研究和应用设计，实现了短信提示、语音报警和GPRS数据传输等无线传输功能。 论文的研究成果为研制与服装结合的可穿戴健康监护装置打下了一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1研究背景

1.2可穿戴系统

1.2.1定义和特征

1.2.2面临的特殊问题

1.3生物医学信号

1.3.1生物体信号的分类

1.3.2生物体信号的特点

1.3.3生物体信号的提取

1.3.4生命体征参数指标

1.4主要研究内容与创新点

1.5论文结构安排

第二章面向智能服装的健康监护系统的整体设计

2.1引 言

2.2系统需求及研究目标

2.3系统框架的设计与研究

2.3.1智能服装的体系结构

2.3.2智能服装中的可穿戴网络

2.3.3智能服装可穿戴方案研究和设计

2.4小结

第三章智能服装健康监护系统的硬件设计

3.1引 言

3.2系统硬件整体结构

3.2.1 LPC2212

3.2.2 MSP430F149

3.3心电信号前端采集电路

3.3.1生物电信号放大器设计要求

3.3.2前置放大电路

3.3.3右腿驱动

3.3.4高通滤波

3.3.5低通滤波

3.4体温采集模块

3.5其它主要外围电路设计

3.5.1存储器扩展模块

3.5.2 OLED接口电路设计

3.5.3无线模块的扩展

3.6小 结

第四章健康监护系统的生物医学信号处理

4.1引 言

4.2基于小波分析的信号消噪

4.2.1小波分解和重构

4.2.2噪声信号的小波分析特性

4.2.3噪声在小波分解下的特性

4.3心电信号的基线漂移处理

4.3.1小波算法定位QRS波群

4.3.2滑动窗口中值滤波

4.3.3阈值分级算法

4.3.4实验结果

4.4心电信号特征提取和异常分析

4.4.1波形自动检测

4.4.2心率异常分析

4.5温度信号处理

4.6小 结

第五章智能服装健康监护系统的软件设计

5.1引 言

5.2系统软件整体结构

5.3嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ

5.3.1μC/OS-Ⅱ简介

5.3.2μC/OS-Ⅱ的内核结构

5.3.3μC/OS-Ⅱ在LPC2212平台上的移植

5.4.1 OLED驱动程序

5.4.2 NAND Flash驱动程序

5.5应用程序层软件设计

5.6监护中心服务程序

5.6小 结

第六章智能服装健康监护系统的无线数据传输

6.1引 言

6.2可穿戴无线数据传输网络体系结构

6.2.1 ZigBee

6.2.2 GSM/GPRS

6.2.3 GPS

6.2.4 AT指令集

6.3无线数据传输的实现

6.3.1自定义通信协议

6.3.2 GPRS数据传输

6.3.3短信收发

6.3.4语音通信

6.3.5 GPS数据的接收与处理

6.4小 结

第七章总结和展望

7.1总 结

7.2展 望

参考文献

附 录

致 谢

攻读硕士期间参加的项目和发表的论文