生命狀態遠程監視及定位系統的研究*

郁 麗，郭 勇，賴武剛，徐 穎

(成都理工大學信息工程學院 成都 610059)

1 引言

本文在地震救援行動跟蹤與監控實時動態信息分類的基礎上，研制人體生理信息和環境信息的檢測裝置，用于對地震災害現場搜救隊員身體狀況的實時監測和環境信息的檢測以及救援災害現場個人位置信息和災情信息的獲取。利用這種裝置可以對現場的搜救隊員進行遠程生理監護，可以隨時掌握搜救隊員是否受傷、是否緊張疲勞等生命狀態信息。一旦搜救隊員的生命特征信息出現反常現象，可以讓搜救隊員及時撤離搜救現場，使搜救隊員得到及時救治，減少傷亡，避免意外的發生。

2 系統組成及工作原理

檢測裝置的原理如圖1所示。

救援人員生命狀態遠程監視及定位系統主要實現搜救隊員生命信息的采集和發送功能，主要分為5部分。

（1）信號采集和調理部分

主要實現對搜救隊員脈搏、體溫及天然氣濃度信號的采集和初步處理。

（2）單片機處理部分

經過調理后的無線信號傳給單片機進行采樣和中斷控制處理，對存儲器進行控制。

（3）存儲部分

對采集到的數據進行壓縮和存儲。

（4）ZigBee節點部分

RFD（精簡功能設備）節點對單片機處理后的數據進行發送與接收。FFD（全功能設備）節點除了具有RFD節點的功能外，還能對數據進行轉發和路由。

（5）電源部分

高穩定直流＋12 V基準電源經7803SR和7805SR轉換成＋3.3 V和＋5 V電壓。

3 信息采集與處理

生命狀態信號包括脈搏、呼吸、體溫、血壓等多種信號。根據本課題的研究目標和需求，借鑒國內外的研究經驗，選取了脈搏、體溫兩個生理指標作為搜救隊員生命狀態信號，環境信息選取了天然氣濃度。

3.1 環境信息采集電路

3.1.1 氣敏傳感器工作原理

氣敏傳感器是能夠感知環境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關信息轉換成電信號，從而可以進行檢測、監控、報警，還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。從材料上分，最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料、膠體敏感膜等。從用途上分，有廣普型和專一型。

氣敏傳感器的兩個關鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。通過加熱電阻確定傳感器的工作溫度，使其工作在氣體敏感的溫度下。金屬電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個阻值隨外部氣體濃度變化的電阻，通過測試敏感材料電阻的阻值變化，得到氣體的濃度信息。本系統采用MQ-4型氣敏傳感器，該類型對天然氣有很高的靈敏度，穩定性好，壽命長，響應恢復特性快，主要用于家庭、工業的甲烷和天然氣的探測。

3.1.2 信號放大電路

傳感器輸出的電壓信號較小，需要相應地進行放大，放大電路的實現可采用AD620芯片實現。前置放大電路選用ADI公司的專用高精度儀器三運放AD620。AD620是由3個精密運放集成的差分專用儀器運放，具有低偏移、高增益(信號可直接放大到1 000倍)、高共模擬制比的特點，特別適用于放大傳感器信號。信號放大電路如圖2所示。

3.2 人體生命信息的采集

本設計主要是用于搜救隊員生命特征的提取，在搜救現場，既要求傳感器的安裝不影響運動，又要求可靠。針對這種特殊要求，系統設計成手腕佩帶式。狀態傳感器只要佩帶在身上即可，對安裝無特殊要求；對于溫度傳感器，只要求其緊貼皮膚，保證不脫落即可測得身體表面溫度；對于脈搏信號的采集需要一個特殊傳感器，可保證在任何運動狀態下能夠可靠、準確地采集脈搏信號。基于以上要求，本設計選用HK-2000B脈搏傳感器。

HK-2000B脈搏傳感器利用高度集成化工藝將力敏組件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償組件、感溫組件、信號調整電路集成在傳感器內，具有靈敏度高、抗干擾能力強、性能穩定可靠、使用壽命長等特點，非常適用于無創心血管功能測試和中醫脈象診斷。通過對傳感器施加一定的預壓力可獲取人體腕部的橈動脈脈搏信號，輸出信號的電壓范圍為－0.2～0.8 V。脈搏信息采集部分原理如圖3所示。

3.3 信號調理模塊

傳感器輸出的脈搏信號經過信號調理模塊進行調整，放大后由單片機的ADC進行模數轉換。信號調理模塊采用LM324構成同相放大電路，并在同相輸入端加0.2 V的輸入電壓，抬高脈搏信號，做基線調整。選用2片CD4051單8路可編程模擬開關自動調節放大器的放大倍數，使輸出的脈搏信號電壓滿足且最大地分布在ADC的0～Vcc輸入電壓范圍。

采用MSP430F149單片機，該芯片有16位RISC結構微處理器，指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D轉換器，超低功耗；它帶有60 KB閃存，12位A/D轉換器和硬件乘法器。12位A/D轉換器要求模擬信號的輸入范圍為0～Avcc，HK-2000B脈搏傳感器輸出信號的電壓范圍為-0.2～0.8 V，在這里可以考慮將信號放大1～3倍。

經調理后的信號傳給無線發送模塊進行編碼和幀處理，再經2.4 GHz天線發送。從接收端天線接收來的射頻信號經過兩次下變頻后變成兩路正交信號(I和Q)，片內集成的CCA(空閑信道評估)模塊根據接收到的基帶信號的能量進行空閑信道評估檢測。CCA和前端的LNA(低噪聲放大器)都要受到AGC(自動增益控制)的控制。數字接收端通過差分碼片檢測 (DCD)后經過相關器對直接序列擴頻(DSSS)進行解擴，經過符號同步檢測和包處理以后最終得到接收到的數據。通過SPI傳送到MCU。MCU把處理后的數據傳輸給ARM9處理。當ARM9處于忙碌狀態時，MCU采取中斷方式將數據首先存儲在存儲器中，待收到ARM9的調度指令后再從存儲器中提取出存儲的數據傳輸給ARM9處理。具體流程如圖4所示。

4 軟件設計流程

軟件的設計分為兩部分：ZigBee部分MC13192的軟件設計和MSP430F149單片機的軟件設計。

4.1 MC13192的軟件設計

由調理電路對生理信息以150 Hz的采樣頻率進行采樣，并將采樣后的數據傳輸給GT60按照IEEE802.14.4協議進行網絡數據格式封裝，再添加上幀頭、幀尾和判別位。當數據封裝完成后交給MC13192進行調制并發送出去。其軟件流程如圖5所示。

4.2 MSP430F149單片機的軟件流程

系統啟動后先初始化執行自檢程序，在各模塊的參數讀取完畢并配置完成后，MSP430 F149開始讀取生命信息的輸入并處理，在一定的控制信號下送給存儲器存儲，并交給S3C2410處理。具體過程如圖6所示。

4.3 ZigBee和傳感器可擴展性討論

ZigBee網絡協議棧采用開放系統互連模型(OSI)。每一層都實現一部分通信功能，并向高層提供服務。IEEE802.15.4標準只定義了PHY層和數據鏈路層的MAC子層，PHY層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。ZigBee Alliance定義了網絡層、應用層與安全層的規范。ZigBee節點有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節點擴展覆蓋范圍(最大可以擴展到65 000個節點)，因此適用于大范圍搜索工作。ZigBee傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡，自身的低功耗和低成本也延長了設備的工作時間，降低了整體的成本。ZigBee協議的傳輸速率為250 kbit/s，能滿足脈搏、溫度等信號數據傳輸量不大的生理信號的傳輸。

5 結束語

本文針對降低搜救中搜救隊員傷亡率和及時掌控災害現場環境的需求，為保障搜救隊員的安全，提出了一種可行的監測系統。其終端裝置由搜救隊員隨身攜帶，在不影響正常搜救工作的情況下，將其自身生命信息及環境參數通過無線收發模塊實時傳輸到地面指揮中心。作者對方案進行了仿真實驗，實驗表明：系統運行穩定，能實時地進行人體生理參數及外部環境信息的監測，且系統體積小、功耗低，可與控制中心進行高速實時有效的數據通信。該設計方案是有效可行的。

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