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銀髮幼童健康定位手環
- 2. 簡報流程 專案開發動機 系統流程說明 1) 系統規格 2) 系統介面 主要功能 硬體設計說明 1) 電路說明 2) 電路驗證 軟、韌體設計說明 成果展示說明 結論與未來展望
- 5. 系統流程
- 6. 6 健康定位手環解決方案: SIM5320E SIM5320E具備了多種溝通介面和功能，體積小，剛好符合穿戴 式裝置的應用 溝通介面： UART 、 USB2.0 、 SPI 、 I2C 、 Keypad 、 PCM 、 GPIO、SIM card、ADC、Mic/Receiver 、RTC、PCM 功能：內嵌LUA 劇本描述語言、 3G(WCDMA)、 TCP/UDP/FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/SMTP/POP3 and MMS
- 7. 7 Demonstration of hardware design 硬體設計說明
- 8. 8 健康定位手環硬體架構 8 SIM5320E-EVB Sensor: 1)心跳Sensor(SEN-11574)—ADC 2)顯示器 Oled –I2C SIM5320E-EVB 心跳Sensor 3GGPS ADC OLED顯示器 I2C SIM Access Profile SEN-11574 GPIO 緊急按鈕
- 11. 11 如何計算心率 原始方式 • 透過此程式讀取電壓值 • 當回傳電壓值T2>T1，並且在下次回傳電 壓值T3>T2，則判斷為第一個波峰，並記 COUNT • 偵測一分鐘即為每分鐘心跳速率 問題: SIM5320E取樣頻率過低 ADC read function回傳電壓值的時間太慢，取樣點間距時間 過長容易造成誤判；進而造成每分鐘取樣過少，也會影響 準確性 X X Xt1 t2 t3
- 13. 加入LM339的心跳模組 心跳偵測 1. 將心跳感測器類比數據傳入電壓比較器(LM339)中 2. 透過可變電阻決定參考電壓(V-)準位 3. 電壓比較器的輸出電壓 a) 當v+(Sensor)<v- ，輸出為0V, GPIO42偵測為low b) 當v+(Sensor)>v-，輸出為開路, GPIO42偵測 high Vcc
- 15. 修改後電路 加入一個LM339
- 17. 17 韌體實作 1. GPS資料抓取 2. 3G 3. SIM Card 4. SMS簡訊寄送(中文簡訊) 5. 心跳資料抓取 6. 緊急按鈕設置 7. OLED顯示
- 19. 19 • GPS NMEA-0183經緯度格式 2502.504000,N,12130.803801,E,180216,044950.7,39.5,1.4,83.1 Google Map經緯度是採用 Degress * 100 + minutes GPS座標格式轉換: NMEA-->Google Map 緯度： =25度+02.504000分 =25度+(02.504000/60)度 =25.041733度 經度： =121度+30.803801分 =121度+(30.803801/60)度 =121.513397度 2502.504000 12130.803801
- 20. 20 SOS簡訊流程圖 SOS簡訊 網站(伺服器) 手環 手機 傳輸 啟動SOS按鈕 緊急聯絡人資料 1. 姓名 2. 電話號碼 [PHONE]相對應IMEI資料檔 傳送配對資料檔 未找到配對資料檔 [對話框]緊急訊息 1. 內容 2. GPS對應網址 寄送簡訊 [GPS]相對應IMEI資料檔 傳送GPS位置 連上網頁
- 26. 26 網頁端伺服器流程 3G FTP 輸入緊急聯絡人資訊 聯絡資訊存入IMEA檔至FTP空間 GPS 心律 時間 數據 PHP讀檔存入MySQL SIM5320E FTP讀IMEA檔 心律 時間 數據 PHP 連接 MySQL 取出 心律時間 數據 PHP 開啟GPS數據檔帶入API
- 27. MySQL
- 28. 28 GPS定位頁面 PHP開啟GPS檔 帶入轉換公式 就是Google Map API 所需要的經緯度 JavaScript 將轉換過的數據 帶入Google Map API 每五秒動態更新
- 29. 29 心跳頁面 PHP 連接 MySQL 取出前十筆最新 心跳時間數據 JavaScript 帶入數據 給JQuery畫出折線圖 每5秒UpDate一次 PHP 連接 MySQL 搜尋年月日時刻 取出心跳時間數據 一行一行帶入 PHP 表格
- 30. DEMO
- 32. Thanks for your listening
Notes de l'éditeur
- 依照上述的動機我們想要實現的目標有:gps 心跳，並透過oled顯示這二種資訊 然後我們希望當有緊急事件發生時能及時發送簡訊通知親屬並且能夠透過網頁得知使用者現在位址，為了實現這些功能，我們使用sim5320e
- SIM5320具備了多種溝通介面和功能，本身就傭有手機所具備的基礎功能，打電話、傳簡訊、並且還有3G網路功能 他的Interfaces非常豐富，我們使用I2C、GPIO、SIM card來實作他， 他具有內嵌LUA script，所以我們的程式用LUA來撰寫
- 再來說明我們硬體裝置的實現
- 這是我們的硬體架構，如圖所示，SIM5320E透過I2C連接OLED:顯示內容、adc取得心跳資訊，心跳Sensor為 SEN-11574，，SEN115574所收到的是類比訊，並且我們還有一個gpio連接一個按鈕' 他是讓我們觸發interrupt
- 這是我們修改過後的電路，我們外加了一個很簡單的電壓比較器LM339，他的成本不會超過五塊錢，LM339有四個電壓比較器，當然我們目前只有用到一組，我們把新加的部分和心跳模組拉出來說明
- 圖上示波器上訊號就是SEN-11574供電後抓到的心跳類比訊號，這是阿杜諾用的心跳模組，依照他的範例是每0.02秒對這類比訊號抓一次取樣值，並且每筆訊號與前一筆訊號會取平均值做平滑曲線，再去對訊號做比對，當抓到一個訊號t2他比上一次抓取的訊號t1還要大，並且下一個訊號t3又比t2還要小，就可以判斷此時t2是在一個波鋒的峰頂，那因為心跳會有一大一小的訊號波，所以你只要抓到一個波峰後開始計時，在抓到二個波峰後所用的時間，就是你的心臟完整跳動一次所用的時間。 上面是理論上的做法，我們實作在這個板子上的時候遇到了問題，由於SIM5320E他的ADC取樣設計可能是為了量取室溫或是其他平率相對較低的類比訊號所設計，它本身的ADC方選 取樣最快也要0.13秒才有一個回傳數據，也就是說 如果抓到的訊號t1~t3的時間如果小於0.13秒，我們很可能會有漏數的峰波，照成心跳的計數不正確，所以我們經過討論提出了解決方案，我們當然希望這個心跳的類比訊號可以很方便的被我們使用，所以我們看著這個訊號就想著如果我能把示波器中間那條實心線以下的訊號當作0，超過這條線的訊號當作一個訊號1的方波訊號，那我們就不需要經過ADC轉換，可把它直接當成一個心跳的計數訊號，每一個方波代表心跳跳一次的訊號，那他就可以非常簡單的被使用，不需要經過任何演算法去平滑取樣 以及計算哪裡是峰波，只需要去讀取GPIO 的INPUT變1後又變0就是心跳跳一次，照著這個想法我們要做的事情其實很簡單，因為這個訊號就是一個電壓準位的變動，所以我們只要做一個比較，高於中間這個水平線電壓的訊號輸出是1，低於的就是0
- 我們將原本應該要傳輸到ADC的訊號先傳入LM339的其中一個電壓比較器，並利用一個可變電阻調變VCC的電壓準位當作一個參考電壓，當v+(Sensor)<v- (參考電壓) ，輸出=0v:GPIO偵測為lowt當v+(Sensor)>v-(參考電壓)，輸出=斷路Vcc通過 偵測high 所以我們可類比訊號變成一個很簡單的方波訊號，這就是我們將訊號處理過後的樣子，
- 這是我們一開始設計的外接硬體電路圖，OLED部分是不會有甚麼大問題的，他只需要透過軟體編成初始化後就能使用，當然因為能找的基礎CODE都是C，我們要自己把他轉寫成LUA語法，心跳感測部分一開始的做法是可以直接使用SIM5320E提供的ADC腳位直接抓取類比訊號
- 軟韌體設計說明主要分成兩個部分 首先是關於我們的裝置，也就是針對sim5320e的開發流程 另外，裝置將數據傳上伺服器，並透過手機連網觀看web頁面這部分 會由另外一位同學介紹有關於伺服器開發的design
- 看回到剛剛的硬體架構 有了sim5320e開發板以及其他外掛裝置，接著我們需要用軟體去實現我們所需求的功能 前面也有提到這個晶片裡面包含lua script，因此我們希望由撰寫lua程式來實作以上所列出的功能 像是gps以及心跳資料的抓取，並且能夠透過3G連網的方式將資料傳送給server，並且能夠在OLED上面顯示 另外，也就是按鈕的觸發，寄送緊急簡訊的部分 而首先就針對心跳資料處理的方式進行解說
- 前述我們有提到我們將心跳傳感器傳出adc訊號，透過電壓比較器，與準位比較後記數， 進入軟體層面，我們必須透過一些演算法(處理方式)來得到我們每分鐘的平均心跳 當我們偵測到一個方波後馬上開始計時，並且把時間儲存至一個變數當作開始時間， 之後偵測到五個方波後，一樣我們也執行相同的方式來當作結束時間，這時第三步驟我們將(結束時間-開始時間)除5 ，其實就是代表在這五次心跳 平均每跳一次需要花費多少時間， 60/平均每跳一次花的時間，其實就是我們每分鐘平均心跳速率，也就是得到的方波數
- 再來，關於GPS NMEA格式的轉換 首先，我們的裝置一旦抓取到衛星的訊號，就可以將我們所在的位置、高度及位移速度定位出來 而透過LUA 程式將抓取的定位數據存取下來， 而所存取下來的數據格式，為了能夠在google map上面呈現 我們遵照NMEA,也就是協會所制定的GPS協定標準的格式進行轉換 可以看到北緯緯度/100後變成了25度，以及2.504分 1度等於60分，因此可以換算成25.041733度，而這樣的數據才可以讓我們在GOOGLE地圖上面呈現
- 另外我們在特別針對sos緊急簡訊發送細說流程圖 當老人或是兒童在按下sos按鈕時，正式觸發gpio_event_handler 在這裡說明，當我們的裝置第一次連上伺服器後，會先去伺服器上建立專屬此手環(IMEI)的資料檔 此時親人家屬可以透過網站上註冊將緊急連絡人的號碼填上 這時，當啟動按鈕後，裝置會去伺服器抓取相對應的imei資料檔裡的電話，進行寄送簡訊的動作 親人家屬收到的簡訊內容主要以系統內定預設好的內容，以及gps定位位置的網址，此時連上網頁，可以讀取到手環所存在伺服器上的google位置
- 謝謝書安 的介紹 接來由我介紹網頁端伺服器的流程 點一下 首先從網頁首頁 輸入 緊急連絡人姓名 電話 PHP會存入IMEA檔 再FTP傳到 FTP空間 DEVICE會去抓IMEA檔 就會有姓名電話 再來DEVICE會把NMEA格式的GPS座標 心率及時間數據傳到FTP雲端空間 網頁會PHP開啟檔案把NMEA格式的GPS座標帶入公式轉換成 GOOGLE MAP API 使用的座標後 呈現在網頁上 每秒持續更新頁面 心率和時間則是 DEVICE 把SENSOR測量數據傳送到FTP雲端空間後 存入mySQL TABLE欄位裡 按照類別存放 點一下 網頁觀看時 再PHP連接MYSQL將欄位數據取出呈現
- GPS定位頁面 當要觀看定位位置時 PHP開啟GPS檔 帶入轉換公式 先除100 得到 的小數點前的數 , 將小數點後面數運算 , 除60 再乘100 , 再加上先小數點前的值 , 就是Google Map API 所需要的經緯度 JavaScript再將轉換後的數據帶入 Google Map API 每五秒動態更新API
- 心跳頁面 開啟頁面時 PHP 會先連接 MySQL 下達搜尋指令取出前十筆最新的心跳時間數據 再JavaScript 帶入給JQuery畫出折線圖 每五秒動態更新 (按一下) 也可以查詢歷史紀錄 一樣PHP 連接 MySQL 輸入欲搜尋的年月日時刻 (按一下) 下達搜尋指令取出符合條件的心跳時間數據 一行一行帶入 PHP 表格
- 從專題一開始到現在，經歷了很多困難問題，也都一一的解決， 現今裝置不須任何系統即可自動化運作所有功能， 但仍缺乏獨立的隨身電源供應，未來能調整/簡化板子大小，使成品更像穿戴型裝置，並加裝溫度感測器、電話功能(撥打、接聽)等相關功能和優化心跳感測，使能更正確偵測心跳 變化(例如:運動手環)，謝謝這段期間導師的教導跟同學的幫助，謝謝各位的聆聽。