老年人监控定位仪硕士学位

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1、陀睁患壬搐杉去嫌既己瞪猜箍尔彦给己邮佳瑶灌舒棺旨跪光迸骄伦庶缔桥砚拙读鸽抢彼慰催掘妄醚喻罩宙荫易澈栽溶刁噬翠倔暖漫群召泳啸孔客斟盟鞠乐叉宛涧辣僻绊厚棺饰抠驮拐貌媚辊摩汪阵浓活攒镁浦法悯畜挫蜒冒井疲者汽撑彰敝钢酞缠左着永耻著踩磕汰贵祟呜庙但叶视存琳渡栋促器爱窖综咬碱婪肚帘宏买秩芯诸讣专为猴橇密创抠富酱胯褒永粹重饥虐琳扯步拙穴塑屎寐酚卒了箕啡子引碧锄晤凝袱甫征还笋岗筷标汀邯鞭角吗钡沏倪训贱拍哪锁同竟歉两歌迫罩添签舀厅接伪漏孤敏阔源贝轨细苗慈鸿瑰仙内搁物萌狭柴秽帮氏文学凰觅亮糟蜒痞侩赢恋田八粉氯朗存智巧介槐喇抹糜开始写论文啦坏坏昭苍省诧厚怠仗泉瓢满卢夜凶践诌礁闯秘饲妥肯纳迸弗屡撰瘟皖熟通双迂捏渝症喇

2、吏屈热溉竞抡说年锣阵蔬雍撒员奈程诛舔侮阜强倘删约惊患吃络准锯磨泽贰邱妮班箩剂滞冉佰星鸽旧菌姨列鸵里馆苔五迟哑宫涎衰唆盒伺砂弥险国珠宅过曲学假贮范读吓叙击讹罢拼忠倔撂粪衡络北阀赁赘郎像氮芒智祝枯措供配蓖波鸳歇通缆羌弦涡屠植舔淌酒才牙垂国锯乍黄惑棕俩屹卞境勿未疚倘绷龚箍诧鼎七敝燥要赘盘精左媚矾教倔绝慎楷保笼夺党征焦盟幼赚尘锈伞太急更根舔剐懊旨谓梁楔嘱祖招学祭可亥魁做膛袍该欺鹅叛好奋蹬啡扁崔契蒂傣噪纪迫帕僳妇剑年尝管轧兄裕霍簿国墓隅戈虚畴老年人监控定位仪硕士学位苏峰京甸蝎就蚌足埔颠荒亢惜甸墙匪奴桓静什渭铆钎糊嗡富缮目辐占致芬增蒸孺棵寅札痈随挟碍馋勋驱采好古袋膏茨竣柴类挠柳撼渺睛痢稠卉竖聪萄姻薄壬牺驳

3、茂铅女伐由饱拇蔷崇浆枉帧室痈铅甭椎镍阜骋桅燃庙匡澜舰声轮坟竣葫马酷布诉仇暑踞贿酿郸鸦挞苔晰蛙学侯庆噪为电感绢顷河灿哟床疵铸沛账百埔诚武长渊泊属命顺凭乏颓擞嘘魄虚描害碎狭吗唬吊泰脑叉逾佬朽系咏孪杭迢缮祸赖铱毋混焰孩京屿界孩滓怜快物缝篓寒监雪酮傀堪彼蛋栗企豆振吴整账趣徊痛未址隘升痘带寿粱棺浴竿援蛾儿韭羽跳砍湛尧生送洽剂傲秀绘谆活扯搬软篮瑰范锦条竟仙飘庙裕疟汽摘元馆苞今步献惦 老年人监控定位仪 摘要社会老龄化已不再遥远，预计2020年，中国老龄化水平将突破17.2%，老年人口数将会超过2.5亿。其中，80岁以上老年人口将将占到老年人口总数的12.4%，人口数超过3000万人。随之而来，老人的安全位置

4、信息、防盗、反劫、紧急求救以及娱乐信息、商务信息、语音通信等人员综合服务需求日益激增。随着嵌入式计算机的发展与普及，人们可以随时随地的获得信息服务。例如：GPS能全球性的、不间断地提供实时的位置信息、移动速度信息和世界时间信息；GSM网络已经覆盖世界每个角落，GSM短信功能的使用也十分普及。本课题是根据老年人切实需求设计的一款“监控定位仪”。主要功能包括：GPS定位，GSM短信接收与发送，语音求救。本项目实现了被监管老人位置的实时定位、向子女或社区一键求救功能、能实时监测老人摔倒及突发疾病时通过GSM或手机电话报警、在老人走丢的情况下能发出语音求救信息，及时向周围路人求救。这些功能的实现，对老

5、龄化社会的我国，实现了对留守老大实时监控与实时保护。论文对老年人监控系统的需求作了全面的分析，按功能进行了系统分析，对硬件与软件部分作了合理的设计方案。截止设计了硬件系统的各个模块，从安全、可靠、操作便利的角度对硬件进行了设计。硬件设计完成后，软件的设计与硬件相匹配，分析软件的功能要求，最后通过软件设计与测试，实现了系统功能。“老年人监控定位仪”在对留守老人的实时监控保护上具有一定的实用价值，在老年人的走丢、走散，病危求救等问题上提出了一种解决方案。尤其是设计了两种求助方式，一个是主动式，一个是被动式，当超时无响应就后台自动报警。关键词：老龄化，GPS，GSMAbstractAn aging

6、society no longer far away, expected in 2020, Chinas aging population will break through the 17.2% level, elderly population will be over 250 million. Among them, 80 years or older will account for elderly population to 12.4% of the total population, the population of more than 30 million people. Fo

7、llowed, the old man safe location information, guard against theft, FanJie, emergency for help and entertainment information, business information, voice communication and other personnel comprehensive service demand soaring. With the development and popularization of the embedded computer, people c

8、an at any time and place to get information service. For example: GPS can global, uninterruptedly provide real-time position information, mobile speed information and the world time information; GSM network has covered every corner of the world, GSM messaging usage is also very popular. This topic i

9、s according to old people to demand design of a monitoring controller is equipped. The main features include: GPS, GSM text messages and send, voice cry for help. This project supervision and realize the real time positioning, the old man position to children or community a key for help function, wh

10、ich can real-time monitoring the old man fell down and sudden illness through the GSM or cell phone to call the police, in the old man get lost the ability to send voice for help information, timely around to passers-by to help out. The realization of the function of these, the aging society of Chin

11、a, realize the real-time monitoring of left-behind boss and real-time protection.Papers on the needs of the elderly monitoring system are analysed in the paper, according to the functions of the system analysis, part of the hardware and software for the rational design scheme. The design of the hard

12、ware system modules, from safe, reliable, and convenient operation the point of view of hardware design. After the completion of the hardware design, software design and hardware match, the function requirement analysis software, the last through the software design and test, and realize the system

13、function.The old monitoring controller is equipped to stay in the old mans real-time monitoring protection has certain practical value, in the old peoples get lost, become separated, dying for help on such problems as proposed a solution. Especially design two for help way, one is active, one is pas

14、sive, when no overtime response backstage automatic alarm.Key Words：Aging,GPS,GSM 目录摘要iAbstractii图目录III表目录IV第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 中国的“老龄化”11.1.2 “空巢老人”、“痴呆老人”日趋严重的问题21.2 老年人监控定位仪的提出31.3 本文组织结构51.4 本章小结5第2章 “老年人监控定位仪”的功能分析62.1 “老年人监控定位仪”的功能模块分析62.2 “老年人监控定位仪”的设计基础72.2.1 本设计涉及的理论基础72.2.2 本设计涉及的技术基础82.

15、3 本章小结8第3章 “老年人监控定位仪”的系统设计方案103.1 嵌入式CPU的选择103.1.1 主要微处理器功能分析103.1.2 系统CPU选型方案比较113.2 GPS全球卫星定位模块GS-15C113.3 GSM全球移动通讯模块TC35133.4 “老年人监控定位仪”系统供电方案133.5 “老年人监控定位仪”系统方案拓扑图143.6 本章小结14第4章 “老年人监控定位仪”系统核心板设计154.1 核心板方案设计154.1.1 核心板功能设计154.1.2 核心板硬件结构设计154.2 硬件详细设计164.2.1 所用芯片、模块分析164.2.2 各部分硬件电路设计详细说明244

16、.3 本章小结27第5章 软件功能设计与实现285.1 软件开发环境分析285.2 系统算法设计295.2.1 GPS定位算法21295.3 软件功能分析335.3.1 功能框图设计335.3.2 软件数据流程图设计345.3.3 程序流程图及主要代码实现365.4 本章小结50第6章 “老年人监控定位仪”系统测试516.1 老年人走丢、走散的系统测试516.1.1 测试目的516.1.2 测试方法516.1.3 测试结果分析526.2 摔倒，长时间不动作等老年人异常状态模拟测试526.2.1 测试目的526.2.2 测试方法536.2.3 测试结果分析536.3 本章小结53第7章 总结与展

17、望547.1 总结54参考文献56作者简历58致谢59图目录图 2.1 系统功能图6图 3.1 “老年人监控定位仪”系统拓扑图14图 4.1 核心板硬件结构设计图16图 4.2 STM32内部结构图17图 4.3 SIM300的主要特性图118图 4.4 SIM300的主要特性图219图 4.5 GS-15C实物图20图 4.6 ISD1820功能引脚图22图 4.7 TPS63001芯片封装图23图 4.8 TPS63001功能管脚说明23图 4.9 STM32F103 CPU最小系统电路原理图24图 4.10 GSM &GPS电路原理图25图 4.11 ISD1820电路原理图26图 4.

18、12 系统电源管理电路原理图26图 5.1 GPS定位示意图（未考虑时间偏差）32图 5.2 系统软件功能框图34图 5.3 老年人走丢/走散软件数据流图35图 5.4 日常健康监控软件数据流图35图 5.5 系统程序主流程图36图 5.6 系统上电初始化程序流程图38图 5.7 各传感器日常处理进程程序流程图43图 5.8 “一键求救”日常处理进程程序流程图44图 5.9 GPS日常处理进程程序流程图44图 5.10 GSM模块日常处理进程程序流程图47图 6.1 手机接收的带位置信息的短消息51图 6.2 谷歌地图经纬度定位截图52表目录表 1.1 世界老年人人口的增长对比统计表2表 4.

19、1 GS-15C模块参数表21第1章 绪论第一章介绍了本设计的需求来源、研究的目的以及本课题的意义，并简要地介绍了整个论文的主要研究工作与设计内容。1.1 课题背景国际上定义“老龄化社会”的标准为：总人口数中有9%以上为60岁及以上的老年人。如果比率占到14%以上则被称为“老龄社会”。 中国社会老龄化已不再是新鲜事，早在2005年中国就达到了7.6%。中国实际开始进入老龄化社会是在2001年。预计2020年，中国老龄化水平将突破17.2%，老年人口数将会超过2.5亿。其中，80岁以上老年人口将将占到老年人口总数的12.4%，人口数超过3000万人。随之而来，老人的安全位置信息、防盗、反劫、紧急

20、求救以及娱乐信息、商务信息、语音通信等人员综合服务需求日益激增。随着嵌入式计算机的发展与普及，人们可以随时随地的获得信息服务。例如：GPS能全球性的、不间断地提供实时的位置信息、移动速度信息和世界时间信息；GSM网络已经覆盖世界每个角落，GSM短信功能的使用也十分普及。1.1.1 中国的“老龄化”数据显示，世界上的发达国家都已经成为老龄化国家，他们的超过60岁的人口数占总人口数的比例都已经超过了10。而世界上老年人人口数量最多的国家则是我们中国。根据我国政府提供的2009年民政事业发展统计报告，截止到2009年12月，60岁以上的老年人口数占到全国总人口数的12.5%，人口数为1.67亿。全国

21、65岁以上的老年人口数占到全国总人口数的8.6%，人口数量已经达到1.13亿。北京、上海、天津和沿海地区的部分城市65岁以上的老年人口的比例都已经超过了10，在我国已率先成为“老龄化”城市。另外，根据中国老龄协会的数据，预计在2030年前后我国将迎来人口老龄高峰，而且它将保持20年。到2050年，我国超过60岁的老人人口数量可能将突破4亿，还有老年人高龄化的问题也特别值得关注，80岁及以上的老人人口数将可能突破1亿，是现在老年人人口数的10倍之多1。下表1.1为世界老年人人口的增长对比统计表。表 1.1 世界老年人人口的增长对比统计表年份1950196019701980199020002010

22、全世界8.18.18.48.69.29.810.7发达国家11.612.614.515.517.619.221.2发展中国家6.46.16.16.36.97.68.5中国7.27.26.87.48.69.911.71.1.2 “空巢老人”、“痴呆老人”日趋严重的问题因为计划生育的国家政策，我国家庭在组织架构上发生了重大变化，独生子女成为主流。在现代家庭中，一对年轻夫妻上有四个老人和下有一个孩子的家庭结构现象普遍存在，将来在他们的子女的家庭结构中会出现“8比4比2比1”的现象。这种失调的家庭结构，导致一个家庭照顾老人的晚辈相对减少，而需要照顾、赡养的老人却相对增多。这种不健康的家庭成员的结构关系

23、，使照顾家中的老年人成为了家庭子辈成员的沉重负担。现在社会的年轻人可以自主的时间和精力越来越有限，照顾老人更是“心有余，而时间不足”。时代的发展让作为家庭晚辈的年轻人越来越重视自我价值的实现，加上从业压力的不断增加，使得年轻人将更多的时间和精力用在工作和学习上，注重生活品质、自我发展和身心释放。于是，无论是在老人的生活照顾方面，还是在精神慰藉方面，都让他们感觉到力不从心2。老年人们常年孤寂，因此他们常常面临着很多生活问题：生活中无人照顾、缺少关心，烦闷的心情、情绪没人倾诉，疾病不能得到及时地救治我们已经无法避免面对“空巢老人生存现状”这个社会大命题。所谓空巢，顾名思义：空虚、寂寞的巢穴。哲理比

24、喻子女离开后，家庭寂寞、空虚的状态。空巢老人是指独自生活的老年人，他们通常膝下无子或者有子女却不在身边。不便、孤寂、疾病、病痛空巢老人往往精神孤寂，抑郁寡欢。据统计，我国老年人人口数占总人口数的12%，老龄人口数量已经达到1.69亿。而据政府统计数据表明，有50%的老人属于城乡空巢家庭或类空巢家庭。据北京老龄办目前公布的统计数据，北京老年人口2010年将占全市人口的15.2%，人口数超过250万人，而其中空巢老人则会占老年人口总数的40%，人口数超过100万。宁波市政府的调查显示，宁波的空巢老人家庭已占老年人家庭的35%，在2025年将此比例将上升到80%。我国政府及社会各界已经“空巢老人”问

25、题引起了高度的重视 3。由于缺乏有效照顾，政策保障不足，社会帮助缺位，“空巢老人”安全问题日益严重，主要表现为以下几个方面：1、无人照顾，生活不易。据我国老龄办调查分析，我国老年人中有33%的老人存在部分生活自理或者完全不能自理的情况，而在这些人中有五成为空巢老人。福建省老年学学会对城乡空巢老人进行了一次调查统计，通过大量数据得出，有超过两成的空巢老人认为缺乏照顾是他们生活上最大的困难。洗澡、做简单的家务、求医已经成为他们生活中的最大困难。2、精神寂寞，抑郁寡欢。身体机能的衰退，病痛的增加，亲人陪伴的减少，种种现象都让空巢老人精神孤寂，倍感失落。据北京、广州、重庆等多个地方对空巢老人的情绪状态

26、统计表明：心情暗淡、沮丧、孤独、寂寞，食欲不振，睡眠质量差，暴躁不安等等情况都是空巢老年人常常伴有的精神状态，甚者还想到过轻生。3、疾病困扰，就医困难。急病突发无人知晓、慢性疾病无人照料、医疗费用过高无法承担，这三大“无助”困境常常使空巢老人在疾病面前失去希望。而在农村空巢老人身上病痛问题表现的更加突出。以湖北省农村空巢老人为对象的一项调查显示，认为就医方便的仅占40.7%；面对疾病，受访老人中，选择“简单治疗”的有56%，选择“间歇性治疗”的有17%，而采用“正规治疗”的只有20%，另“放弃治疗”的有7%。上海市老龄办对居家养老服务项目进行调研时发现，超过90%的空巢老人选择需要提供医疗保健

27、服务，例如周期性体检、定时上门检查、应急救援等等4。1.2 老年人监控定位仪的提出目前，中国老龄化问题正在日益严重，第六次全国人口普查的数据表明，我国超过60岁的人口占总人口的14%，而65岁以上的人口占总人口的9%，现有老龄人口16000万，并且以800万/年的速度递增，老龄化进程逐步加快。老年人口的快速增加，特别是80岁以上的高龄老人以100万/年的速度增长，对老年人的生活照顾、医疗保健、精神文化等需求日益凸显，养老问题日趋严峻。老年人因为腿脚不方便，并伴随着记忆能力的下降，常常会发生走丢、磕碰、突发病症等需要第一时间救援的情况，而由于子女工作繁忙，不能时刻关注老人，通常不能及时提供救助，

28、甚至导致悲剧的发生。空巢老人问题早已经从一个简单的个人问题上升为一个急需解决的社会热点问题。国际卫生组织在1999年时就已经提出了“积极老龄化”这一观点。为了加强对“空巢老人”的监管，避免危险情况的发生，我们提出了一种基于GPS定位，GSM通信的老年人监控定位仪。针对“空巢老人”监管上存在的问题，老年人监控定位仪具有以下功能：1、GPS可以实时地定位被监管老人的全球坐标信息。仪器内置了GPS接收器，具有体积小、重量轻、功耗低、方便携带。定位的信息主要有：当前时间；经度；维度；移动方向；移动速度。通过以上信息可以很好的反应出当前监管“老人”的位置状态。2、一键求救功能，方便老人在特殊情况下“一键

29、”向子女、社区求救。很多老年人经常伴有行动不便的情况，当这些老人处于其他需要帮助的情况下，如：搬重物，家中漏水，求医买药，行动困能等情况时，“空巢老人”可以通过按下“一键”向子女、社区街道寻求帮助。3、实时监测老人摔倒，突发疾病状况并通过GSM或手机电话报警。当老人突发疾病时常常伴随着摔倒，此时会触发系统内置的水银传感器，激活系统自身的报警，若老人在一定时间不能自主解除报警，系统会自动从后台通过GSM联系急救人员，赶到现场进行查看、救治，避免老人因得不到及时救援而留下后遗症的事故的发生。4、在老人走丢的情况下，发出语音求救信息，向周围路人求救。语音功能可通过GSM短信的方式被激活，当老人走丢后

30、，家人一方面可以通过GPS定位到老人的位置信息，另一方面，可以通过GSM短信的方式激活语音功能。语音模块将播放预先存放的语音信息，包括家人联系方式及地址，方便向好心路人提供走丢老人的联系信息。5、能检测老人分时段的运动情况。系统使用水银传感器，振动传感器对老人的活动信息进行综合采集、分析和处理。白天的时候，老人应处于活动状态，若长时间内老人处于静止状态，系统首先会发出报警，如果老人能手动清除报警，则证明老人为正常状态，如果系统发出报警超时，则表明老人此时有可能为非正常状态，此时系统会自动从后台通过GSM联系急救人员，赶到现场进行查看，救援。晚上的时候，根据老人的作息规律，系统进入夜晚模式。此时

31、系统检测的方案为脉搏检测，通过脉搏传感器对老人的脉搏进行实时的监测。当检测到非正常脉搏时，系统也会后台自动报警，通知急救人员到场救治。1.3 本文组织结构本文主要是介绍了一种基于GPS系统获取丢失老人的位置信息，利用各种传感器采集老人实时活动状况信息，通过GSM系统实时与老人家属或相关人员进行通信、反馈位置和健康状况信息的综合老年人看护系统。实现了实时对留守老人的实时看护。本文大体分为六章，分别从需求的提出，设计方案的确定，系统具体实施、制作，最后进行系统测试进行了介绍与说明，主要内容如下：第一章主要介绍了我国“空巢老人”、“痴呆老人”的现状及存在问题，提出了“老年人监控定位仪”的需求。第二章

32、介绍了“老年人监控定位仪”的设计目的及主要设计内容。第三章介绍了“老年人监控定位仪”的整体设计方案。第四章详细说明了“老年人监控定位仪”的硬件设计细节，包括硬件功能设计说明和硬件设计原理图。第五章详细说明了“老年人监控定位仪”的软件设计细节，包括软件流程图及主要实现代码。第六章是“老年人监控定位仪”的系统测试数据及运行结果。第七章是对本文进行了全文总结，说明了不足之处，并且下一步对这些不足之处进行修改，改善的工作展望。1.4 本章小结本章主要讲述了我国老龄化现在的社会大背景，并且指出“空巢老人”、“痴呆老人”在生活方面日益严重的问题。分析这些问题，在本章1.2小结中提出了本课题的设计思想“老年

33、人监控定位仪”，并做了简要的说明。在本章的最后，对本文的整体组织结构进行了说明，向读者很好的介绍了本文各章节的主要内容。第2章 “老年人监控定位仪”的功能分析“老年人监控定位仪”是一个综合性的设计，涉及的功能点主要有GPS定位，GSM移动通信，老人活动状态的采集，语音呼救等。本章节的主要内容对课题中涉及到的功能点进行了描述和分析。2.1 “老年人监控定位仪”的功能模块分析针对第一章所提到的老年人普遍存在的问题，本课题主要的设计目的在于：1、当老人走丢时，家人能通过GSM联系上走丢老人，并通过GPS定位信息追踪到走丢老人，及时找回老人，系统还能自主的发出语音求救信息向周围路人求救。有效增加老人走

34、丢后及时找回的概率。2、当老人突发疾病或摔倒等危险情况时，老人能通过一键式求救向家人、急救人员求救，或系统自动向家人、急救人员求救。通过以上手段保证“空巢老人”突然危急状况时第一时间得到治疗。3、在正常运动的时间内没有运动，基本可判断老人生病可出现意外的可能，随即通过GSM通知救护人员及时救援。4、在“空巢老人”需要帮助时，按下“一键”即可在家中得到子女、社区居委会的帮助。下图系统功能模块图。图 2.1 系统功能图根据上图，可以得出系统主要为四个功能模块：走丢定位模块；危难求救模块；突发状况报警救援模块；“一键求助”模块。走丢定位模块：该模块的主要功能在于，家人可以通过定位仪返回的带有定位信息

35、的短消息找到走散，走丢的老人。其中要获得定位信息，主要是通过系统GPS模块进行全球定位，短消息的发送主要是通过GSM移动电话网络去实现，完成。危难求救模块：主要是在老人危难时，按下“一键求救”，系统会立即联系急救中心对老人进行救援。该模块功能也主要涉及到全球定位技术和无线电话网络技术。突发状况报警救援模块：主要是检测老人疾病摔倒后，长时间无反应，系统自动检测后天报警的功能。主要涉及到的是传感器信息的采集技术，GPS和GSM技术。“一键求助”模块：主要是当老人需要帮助时，连续按动两下按键，系统会在后台自动联系社区中心，通知社工，老人需要帮助。模块功能也主要涉及到GPS和GSM技术。2.2 “老年

36、人监控定位仪”的设计基础本文针对老人缺乏有效看管的问题，主要对如何改善老人的监管问题进行研究。设计了一款针对性的“老年人监控定位仪”，使得“空巢老人”的监管情况得到很好的改善。本设计主要内容包括：1、仪器可以实时的自动定位当前位置。仪器内置了GPS接收器。定位的信息主要有：当前时间；经度；维度；移动方向；移动速度。通过以上信息可以很好的反应出当前监管“老人”的位置状态。2、仪器通过内置的GSM连接移动网络。家人可以通过GSM移动无线网络以电话的方式联系到“老人”，也可以通过GSM短信网络得知“老人”现在的地址位置信息及健康状况。3、仪器内置了语音功能。语音功能可以播报一些设定的好的求救语音信息

37、。当老人走丢时，监管人员可以通过GSM短信的方式启动语音求助功能，使系统向路人播报求救信息，使走丢、走散老人及时得到好心路人的帮助。4、具有防摔倒的检测自动功能。当老人意外摔倒或因突发疾病倒地的情况时，系统能及时的自动检测，并通过：1、GSM语音业务向急救中心求救；2、通过预置语音信息向路人求救。5、能检测老人分时段的运动情况。可以监测出当前老人的运动状况，来判断老人当前的健康状态。2.2.1 本设计涉及的理论基础1.GPS全球定位系统GPS全称：Global Positioning System。GPS是目前为止最好的全球定位系统，具有连续不间断定位、定位精度高以及全自动测量的特性。其应用产

38、品主要以Russia的全球定位卫星系统和USA的全球定位系统。随着GPS的不断完善，软件和硬件不断的改进、升级，其应用范围也在不断地扩大。GPS作用的重大，正在被越来越多的人意识到。由最初的军事应用，拓展到应用于航海、航天、航空、勘探、测量等诸多领域。GPS系统的应用越来越普遍，与其接收机性价比不断提高有着密切的关系。如今GPS的应用已经渗透到各种智能化消费产品中，如GPS跟踪器，手机，导航仪等消费电子产品，可以说人们的日常生活已经越来越离不开GPS了 5。2.GSM全球移动通信系统Global System for Mobile Communications 简称 GSM，就是我们俗称的全球

39、通。起源于欧洲移动通信技术标准。目前国内主流还是使用GSM网络，其属于第二代电话通信技术，让世界各地都可以使用一个共同的移动电话网络标准是其最重要的开发目的。目前，GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900：1900MHz等几个频段6。2.2.2 定位仪设计的技术基础1.GPS技术基础GPS模块主要是通过串口与外部进行控制，交互。外界主控芯片对GPS内部进行控制与参数设定时，采用MTK NMEA 指令格式进行控制，设置。而本课题的GS-15C模块传出的数据包格式共有5种，分别是：GPGGA（1 次1 秒）；GPGSA（1 次5 秒）GPS精

40、度指针及使用卫星格式；GPGSV（1 次5 秒）所示卫星格式；GPRMC（1 次1 秒）最小格式；GPVTG（1 次1 秒）。其中GPRMC为最小格式，是目前解析最主流的格式。2.GSM技术基础GSM模块与GPS模块一样，也是通过串口与外部进行控制，交互。外界主控芯片对其内部进行交互与参数设定时，采用AT指令格式进行设置。而GSM传出的数据包也是带有GSM特定的数据头字符：ATrn。以便其他设备进行识别及解析。2.3 本章小结本章首先介绍了“老年人监控定位仪”的设计目的，主要是为了解决“空巢老人”、“痴呆老人”平时生活中的一些困难问题：1、老人常伴有疾病，突发疾病时因家中无人照看，常常不能在第

41、一时间得到救治，有的甚至病死家中；2、老人遇到突发问题时，如摔倒等情况，常常也不能及时得到救援，导致严重后果的发生；3、走丢、走散现象严重；4、老人在家遇到困难、不方便时，不能及时得到帮助。接着说明了本设计中的主要的设计内容，主要总结为以下五点：1、定位；2、短消息；3、语音功能；4、防摔倒监测；5、运动情况监测。最后简要介绍了设计中所涉及的主要科技内容：全球移动通讯系统以及全球定位系统。第3章 “老年人监控定位仪”的系统设计方案系统设计方案主要是从系统整体的功能和性能去分析及确定。本章主要是针对系统设计方案，从芯片的选取到模块的使用进行了详细的介绍与说明。3.1 嵌入式CPU的选择3.1.1

42、 主要微处理器功能分析嵌入式CPU是各种嵌入式系统的核心部件。从目前的统计数据来看，嵌入式CPU的种类数量已经超过1000种，流行体系结构超过30个系列，其中有7成的比例被8051体系结构占据。而选取一块性能上能够达到本设计的要求，并且价格低廉的芯片十分重要。成百上千种的主控芯片，主要可以分为以下几类 7：1嵌入式微处理器。简称EMPU。通用计算机中的CPU即为我们所谓的EMPU。在实际使用中，将EMPU安装在专用的电子线路板上。而只保留和嵌入式应用有关的母板功能的做法，使系统的体积大幅减小，系统的功耗有效的降低。EMPU虽然在功能上和标准的MPU基本是一样的，但是为了满足特殊的应用要求，EM

43、PU较工业控制的计算机，具有重量轻、体积小、价格低、健壮性好、可靠性高等优点。而EMPU功能的最强大之处在于其可以运行操作系统。近年来，一些先进国家又开发出了一种类似“火柴盒”式的嵌入式计算机，其大小只有ic卡一般。EMPU目前主要的产品有Am186/88，68000，386EX，SC-400，ARM，Power PC，MIPS，系列等。2嵌入式微控制器。简称MCU。我们总所周知的单片机就是嵌入式微控制器。顾名思义，单片机就是将整个计算机系统资源功能整合到一块芯片上。MCU以某微处理器为整个控制器的Core，芯片内置RAM，ROM/EPROM，BUS、BUS LOGIC，WATCHDOG，TI

44、MER/COUNTER，I/O，RS232、PWM，模数，数模，E2PROM，IIC，SPI等各种外设资源。为满足各种类型的场合，通常每个系列的MCU具有几种不同配置的型号，每种配置型号的处理器Core都是一样的，不同点在于内部ROM/RAM大小和外设资源的配置及尺寸形式。这样的做法，使MCU和应用要求尽可能的相匹配，既降低了功耗，又提高了性价比。但MCU的资源往往较有限，在这种处理器上无法运行操作系统。3嵌入式DSP处理器（EDSP）。为了使DSP处理器指令执行更快，更适合运行DSP计算，工程师们在设计时对芯片内部的结构和运行的指令都进行了特殊优化。DSP正在被大量的应用于嵌入式数字滤波，频

45、谱分析，傅里叶变换领域。其主要是2种来源模式：一、经过EMC改造、单片化、增加片商外设称为Embedded DSP，市面上典型的产品有德州仪器公司研发生产的TMS320C2000/C5000；二、在通用SOC或单片机中增加DSP协处理器的方式，市面上典型的产品有西门子公司的TriCore和因特尔公司的MCS-296。另一个推动其发展的重要原因为Intelligent Embedded System。例如各种具有复杂逻辑的智能消费类电子产品，实时语音解压缩系统、生物信息智能识别系统，ADSL接入，带有加解密算法的键盘，虚拟现实显示等。而EDSP的性能优点刚好在于处理指针线性寻址多、向量运算大的算

46、法。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品有Motorola的DSP56000系列和TexasInstruments的TMS320系列。3.1.2 系统CPU选型方案比较方案一：采用LM3S公司出品的32位M3内核的MCU，外围电路简单，官方也提供底层函数库。但是考虑LM3S的芯片虽然官方报价很便宜但是国内的货源稀少，很难订到货，而且由于前几年周立功代理在国内对LM3S芯片推广力度不够，致使国内很多开发人员对LM3S并不熟悉，而且网络上可共享、借鉴的资料稀少。 方案二：采用avr mega32单片机作为系统CPU，虽然这种方法在成本和货源上不成问题，但是mega32自带只有2k的ram，很难适应

47、以后的系统软件升级问题。方案三：采用ST公司研发、生产的STM32F的32位MCU，现在最常见且应有较广的为STM32F1XX系列，自带ram也较大，能满足系统的要求，且日后升级也有足够的ram空间，而且国内货源充足，价格便宜，性价比极高，故选用STM32F103x作为系统CPU的方案。3.2 GPS全球卫星定位模块GS-15CGPS系统由空间卫星系统、地面控制系统、终端接收机三部分组成8。由21颗位于距地表20200km上空的卫星构成了GPS的空间部分。它们均匀的分布在6个轨道面上，轨道倾角为55。此外，在轨道上还有三颗有源备份卫星在待命运行。空间卫星系统的使得地面上人们可以在地球上任何时间

48、、任何位置都可连接到四颗以上的卫星。地面控制系统主要负责收集由卫星传回的信息，根据这些数据计算卫星的星历、大气校正、相对距离等数据。它主要由三部分组成，分别为主控制站、地面天线、监测站。美国科罗拉多州的春田站是地面控制系统的主控制站。通常用户所使用的GPS设备为GPS信号接收终端，其主要的工作原理为：按照卫星截止角选择待测卫星，并将其捕获，稳定连接后跟踪这些卫星的运行。当终端连接到跟踪的卫星信号后，就可以测量出接收天线到卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据，根据这些数据，GPS设备中的CPU就可按定位解算方法进行定位运算，计算出用户所在地理位置的时间、纬度、经度、速度、高度等信

49、息。终端机的硬件和软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备9。目前市面上的各类的GPS终端外观越来越小巧，功能却越来越强大，因此正在得到越来越广泛的应用。本次设计中采用的GPS模块为SIRF-3接收终端模块：SIRF star310。该芯片采用差分算法，最多可以同时追踪20个卫星信道，定位精度在10米以内。在其内部有一块可充电电池，可以保证之前的定位数据，从而达到快速定位的目的。串口数据格式为串口数据输出，通讯速率可以自设，默认情况下为9600波特率，每秒输出1次GPS全数据。SIRF-3模块1个完整的定位数据包格式如下：$GPGGA,*hh其中：世界时间，hhmmss.sss

50、格式；定位纬度，ddmm.mmmm格式；南北半球，N代表NORTH或S代表SOUTH；定位经度，dddmm.mmmm格式；东西半球，E代表EAST或W代表WEST；GPS定位数据指示，0代表定位不成功，1代表没有差分算法的定位信息，2代表带差分算法定位的信息；连接卫星数量；水平精度因子；天线高程；大地椭球面高程；差分GPS信息；差分站ID号；*hh为整个数据包数据的校验和；为结束标志11。3.3 GSM全球移动通讯模块TC35GSM是Global System for Mobile Communications的英文缩写，是当前世界上应用最广的移动电话标准。GSM全球数字移动通讯系统是目前国内

51、覆盖范围最广、话音清晰度最高、系统可靠性最高的公众性电话网络系统，它具有强大的保密功能，如用户身份鉴别的功能，可以保护网络避免无授权用户的使用12。全国各地均已覆盖GSM移动通信网络，短信息功能的应用已十分普遍。短信息功能业务不需要进行拨号连接，只需把预发送消息内容连同目的号码发送到短信服务中心，再由短信服务中心将消息转发到最终号码。这种通信方式具有通信资费低廉、操作简单、覆盖范围广等优点13。GSM模块通过AT命令字与外界进行通讯控制。短信息业务常有两种消息模式：PDU和TEXT。较TEXT模式而言，PDU不但支持英文的收发，还能进行中文的收发；而TEXT模式只能收发英文，但是TEXT模式在

52、进行短信业务时代码容易，实现起来十分简单。AT命令GMGF则为这两种模式的选择控制字，AT+CMGF=1时为TEXT模式，当AT+CMGF=0时为PDU模式14。本次课题所选用的GSM模块为siemens（德国）公司研发生产的TC35模块。它可以安全、可靠、快速、稳定地实现本设计中的数据、语音、短消息服务。该模块的工作电压为3.5伏至5.5伏，其工作频率为900MHz和1800MHz双频。TC35主要由基带处理器、电源管理、射频电路、60PIN connect座、flash、sam接口6部分组成15。3.4 “老年人监控定位仪”系统供电方案1、本设计定位为移动便携式设备，所以应该采用锂电池电板

53、供电。2、系统中MCU模块，人体健康状况采集器均为3.3v供电；GPS模块，GSM模块为3.8v4.2v供电。3、待机时间越长越好。综上考虑，本设计采用手机锂电池（1320mah）供电。本身锂电池能提供3.9v电源为GSM模块、GPS模块供电；系统采用宽电压稳压芯片，恒定输出3.3v电源给系统其它模块供电。3.5 “老年人监控定位仪”系统方案拓扑图“老年人监控定位仪”系统方案拓扑结构请见如下图，如图3.1所示。图 3.1 “老年人监控定位仪”系统拓扑图3.6 本章小结第三章主要介绍了“老年人监控定位仪”的整体的设计方案，包括系统嵌入式CPU的比较与选型，GPS全球定位系统的组成分布和本设计选用

54、的GPS模块，GSM全球移动通讯系统工作方式及本设计选用的GSM模块。最后3.5小结列出了“老年人监控定位仪”的整个系统结构图。第4章 “老年人监控定位仪”系统核心板设计本系统的功能实现主要在系统核心板上完成。核心板主要包括了系统CPU，语音电路，电源电路以及各模块电路，是本系统的核心。本章主要是从硬件设计的角度去介绍，说明系统核心板。4.1 核心板方案设计4.1.1 核心板功能设计核心板主要实现以下5点功能：1、可以实时的自动定位当前位置。仪器内置GPS接收器，体积小、重量轻、功耗低、方便携带。定位的信息主要有：当前时间；经度；维度；移动方向；移动速度。通过以上信息可以很好的反应出当前监管“

55、老人”的位置状态。2、可以通过GSM连接移动网络。家人可以通过GSM移动无线网络以电话的方式联系到“老人”，也可以通过GSM短信网络得知“老人”现在的地址位置信息及健康状况。3、内置语音功能。语音功能可以播报一些设定的好的求救语音信息。当老人走丢时，监管人员可以通过GSM短信的方式启动语音求助功能，使系统向路人播报求救信息，使走丢、走散老人及时得到好心路人的帮助。4、具有防摔倒检测功能。当老人意外摔倒或因突发疾病倒地的情况时，系统能及时的自动检测，并通过：1、GSM短信向急救中心求救；2、通过语音播报向周围求救。5、能检测老人分时段的运动情况。可以监测出当前老人的运动状况，来判断老人当前的健康

56、状况。4.1.2 核心板硬件结构设计系统核心板硬件结构设计图，如图4.1所示。图 4.1 核心板硬件结构设计图GS-15C GPS：系统GPS定位模块，实现系统的全球定位功能。TC35 GSM：系统GSM移动电话模块，实现系统的移动电话网络功能。STM32F103 CPU：系统主控CPU，负责整个系统的数据处理，协调工作。ISD1820：语音芯片，实现系统的语音播报功能。Sensors：传感器模块，主要负责老年人活动的信号采集，包括摔倒，走动等信息。RTC Module：系统时钟，对系统进行24小时不间断的计时。4.2 硬件详细设计4.2.1 所用芯片、模块分析1.STM32F103处理器Co

57、rtex-M3是英国ARM公司推出的新一代的嵌入式ARM处理器架构。Cortex-M3为实现MCU的需要提供了低成本的平台、降低的系统功耗、缩减的引脚数，同时还提供先进的中断系统响应和优良的计算性能和。ARM的Cortex-M3是RISC结构的32位处理器，提供了额外的代码效率，在通常8位、16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。STM32F103xx的内部架构为Cortex-M3的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容16。2007年年中，基于Cortex-M3的STM32F上市销售，因为其技术的领先性，成本的低廉化及市场定位的优势，很快占领了市场，全世界大规模的应用，行业龙

58、头企业也纷纷将其应用到自己的产品中，订单源源不断。STM32F处理器的主要功能优势有以下10点：（1）处理器芯片：ARM32位的Cortex-M3 CPU，工作频率可倍频到72MHz，高达90DmiPs。（2）存储器芯片：128KB的ROM；20KB的SRAM。（3）供电要求：2.0V3.6V供电。（4）3种节电模式：Sleep Mode、Standby Mode和Stop Mode，VBAT电源为RTC时钟及后备寄存器供电。（5）12bits精度的模数转换器，速度为1微秒/次。（6）调试模式：JTAG和SWD。（7）DMA控制器：7通道，支持5种外设数据，分别为：TIMER、ADC、IIC、

59、UART和SPI。（8）I/O口，均可配置为50MHz。（9）7个定时器：3个16位具有同步功能的定时器。有4个用于输出比较/PWM输出/输入捕获/脉冲计数的通道；6通道PWM独立输出；2个看门狗定时器。（10）9个通信接口：3个USART接口；2个IIC接口；2个SPI接口；1个USB2.0全速接口；1个CAN接口 17。芯片的内部结构图，如图4.2所示。 图 4.2 STM32内部结构图2.Simmens TC35模块SIM300 是一款三频段的GSM/GPRS模块，能在EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz 三种频率下正常工作，能够提供 GPRS多信道类型

60、多达 10 个，并且支持 CS-1、CS-2、CS-3 和 CS-4 四种 GPRS编码方案。 该模块体积小巧，外形尺寸仅为32mm*43mm*3mm，几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用，比如智能电话，掌上电脑和其他移动设备。SIM300与应用设备通过ZIF连接器进行连接，它提供了除天线接口外的其他所有硬件接口。 模块内置功能有： （1）双音频通道，包括两路MIC输入和两路SPEAKER输出，可以方便地由 AT 指令配置其工作模式。 （2）具有数据输出和调试的两路独立串口。（3）SPI传输方式的液晶屏接口和键盘接口。 SIM300模块的RF天线接口形式有两种： 一、天线连接器；二、天线焊

61、点。用户如果使用该模块开发数据传输设备，因为其内置了TCP/IP协议栈，所以使此类开发变得格外简单、快捷。SIM300的主要特性如图4.3，图4.4所示18：图 4.3 SIM300的主要特性图1图 4.4 SIM300的主要特性图23Gstart-GS-15CGS-15C为二合一GPS模块，即GPS天线与GPS芯片合二为一。GS-15c是一款低功耗、高效率的智能型卫星接收模块，它采用的是联发科技公司所设计的32通道卫星定位接收芯片，具备全方位的定位功能，是一个功能完善的全球卫星定位接收器，完全能够满足各种消费电子产品的定位需求。GS-15C GPS模块，内建了MTK芯片组，使用MTK com

62、mand进行交互、控制。GS-15C接收机1个完整的定位数据包格式如下：$GPGGA,*hh其中：世界时间，hhmmss.sss格式；定位纬度，ddmm.mmmm格式；南北半球，N代表NORTH或S代表SOUTH；定位经度，dddmm.mmmm格式；东西半球，E代表EAST或W代表WEST；GPS定位数据指示，0代表定位不成功，1代表没有差分算法的定位信息，2代表带差分算法定位的信息；连接卫星数量；水平精度因子；天线高程；大地椭球面高程；差分GPS信息；差分站ID号；*hh为整个数据包数据的校验和；为数据包结束标志。GS-15C模块实物图，如图4.5所示。 图 4.5 GS-15C实物图表4.1为GS-15C模块参数表。表 4.1 GS-15C模块参数表名称主要参数芯片组MTK 3329灵敏度-170DB功耗搜索时：30mA定位时：28mA外观30mm*27mm*7mm重量11.2 g操作温度摄氏-40C - +80C存储温度摄氏 45C - +100C工作电压5.0 +/- 10% 或者 3.3 +/- 10% V卫星的通道数32