一種單兵體溫實時采集與監控系統*

陳文璨，徐 勇，吳元亮，李 巖

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

近年來，世界軍事強國對士兵生命體征監控研究不斷加強，監控裝備與技術不斷改進提高。2016年3 月，美軍提出構建“戰場醫療互聯網”概念，意在建設戰術環境下各種生物傳感器及其傳感網絡，用于實時監控前線士兵體溫、血壓、心率與呼吸等生命體征信息，便于后方及時組織戰場施救。

我軍也有相關部門著手開始相關體制與技術研究，但是均處于早期起步階段。無論是傳感采集技術方面，還是傳感信息中繼傳輸方面，均存在許多問題與難點，需要進一步研究討論。所以，本項目的開展也是對陸軍作戰前線救護智能化信息化改革的一種嘗試[1-5]。

本系統創新點與特色在于以下幾個方面：

（1）采用無線無源半導體測溫傳感技術，方便與未來單兵電子身份識別標簽集成，便于使用與維護，特別適合戰場應用；

（2）系統拓展性強，后期可以探索利用無人機或者北斗短報文等多種方式實現傳感信息中繼傳輸，進一步增強系統應用前景。

隨著技術的不斷進步，本系統應用前景非常廣闊，主要表現在：

（1）傳感電子標簽可以增補傳感信息種類，如心率、呼吸與血壓監測信息，進一步提高系統實用價值；

（2）改用有源或者半有源供電方式，進一步拓展傳感信息傳輸距離。

相信生命體征信息采集與監控將在未來智能化戰場快速救護領域發揮越來越重要的技術支撐作用。

1 解決的主要問題

本設計主要實現在惡劣戰場環境中，后方指揮所通過監控受傷戰士配戴的監護系統自動報警發出的求救信號，獲取傷員的精確坐標和生命體征信息，實現有戰士受傷就能立刻展開救護工作，實現傷情傳遞由“人工報告”向“無線傳輸”轉變，實現傷情采集由“人工采集”向“數字監測”轉變，實現傷員搜救由“概略搜尋”向“精準定位”轉變，實現后方指揮中心及時掌控前線兵力情況，為作戰部署與傷員搶救提供重要依據。

2 功能設計

本設計是一套用于提高戰場即時救護水平、集遠程生命體征實時監護與定位于一體的前線單兵生命體征采集與監控系統。該系統的設計功能與目的主要包括以下幾個方面：

（1）實時定位我方作戰單兵位置信息；

（2）實時監護管理作戰單兵生命體征信息，本次項目主要監護單兵體溫；

（3）發現任何體征信息不正常立刻告警提示，本項目中體溫過高過低信息均會告警。

為此，本系統主要包括3 部分子功能模塊，具體為實時測溫子模塊、傳感信息中繼轉發子模塊和上位機實時顯示與告警程序模塊。系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構與功能

2.1 實時測溫子模塊

該模塊是整個傳感監護系統的底層，采用無源無線半導體測溫芯片測溫。基于該測溫芯片自制一款無源電子標簽，測溫電子標簽與測溫讀寫器之間采用超高頻RFID 技術完成測溫讀溫。

2.2 傳感信息中繼轉發子模塊

前線單兵的體溫信息需要實時傳輸給后方監控，系統選用了戰術電臺作為信息傳輸中繼。所以，本子模塊功能主要是完成讀溫信息從讀溫器到電臺的中繼轉發控制。設計中選用STM32 ARM 芯片控制傳感信息和北斗定位信息的上傳與轉發。

2.3 上位機實時顯示與告警程序模塊

后方指揮所采用電腦終端實時監控前線單兵體征與位置信息，所以系統第三部分為上位機顯示告警程序模塊。采用Qt 框架設計編寫了一套程序，專門用于顯示戰士體溫與地理位置信息，便于后方實時監控并組織救援。

3 技術架構

本系統采用物聯網技術架構如表1 所示，主要包含4 層架構。感知層由半導體溫度傳感器和北斗定位模塊構成，傳輸層由超高頻射頻識別無線傳輸和RS485 有線傳輸組成，控制層主要基于計算機與ARM STM32 模塊構成，軟件采用Qt 環境設計編程。

表1 技術架構

4 系統架構

本系統架構如圖2 所示。

系統由4 部分組成：第1 部分為無線測溫手環，用來實時采集體溫信息；第2 部分為傳感信息中繼轉發模塊，將無線手環體溫信息實時轉發給戰術電臺；第3 部分為前線與后方通信電臺，借助電臺將體征信息傳輸給后方基地；第4 部分為后方基地顯示告警程序，實時顯示監控前方士兵體征信息。

圖2 系統架構

4.1 無線測溫手環

無線測溫手環佩戴在單兵手上，用來測量單兵體溫。測溫電子手環如圖3 所示，標簽性能如表2所示，并對其進行了靈敏度仿真，結果如圖4 所示。

圖3 測溫電子手環

表2 標簽性能

4.2 利用單片機實現溫度信息的實時中繼轉發

基于STM32 開發RFID 讀溫器至戰術電臺信息中繼模塊，實現體溫信息借助電臺實時向后方傳送，中繼過程如圖5 所示。

圖4 靈敏度

圖5 溫度信息實時中繼轉發過程

4.2.1 RFID 讀溫器

根據需求自主設計連接讀寫器的通信接口電路，核心控制器件為STM32 芯片。通信接口電路通過TTL 串口與讀寫器通信，實現命令發送、溫度數據接收。通過RS485 與數傳模塊通信，實現命令接收和溫度數據的轉發。圖6 為通信接口電路板的實物圖。

圖6 實物

讀寫器核心器件R2000 芯片采用載波消除技術，讀取速度更快，集數據接收、解調、基帶信號處理、傳送功能于一體，相位噪聲更低。另外，外圍電路應用TD301D485H 集成隔離電源，使輸入輸出隔離，能夠有效抑制電路干擾對RS485 總線的影響。

4.2.2 戰術電臺信息中繼模塊

溫度數據和定位數據分別通過串口通信匯集中繼模塊，再通過串口與數傳模塊通信（鑒于保密原因，本項目暫時選用一對433 MHz 數傳收發模塊代替軍用戰術電臺作為信息中繼）。數傳模塊之間以無線方式通信，接收端以串口方式送入計算機。總體實物圖如圖7 所示。

圖7 中繼模塊與數傳電路實物

4.3 后方基地終端實時顯示監控前線單兵生命體征信息

上位機主要由登錄界面、注冊界面、主界面、實時溫度監控界面以及定位系統界面5 部分組成。

通過串口通信給下位機發送一個獲取溫度的信號，從而接收從下位機溫度讀寫器發送過來的數據流并進行解析，讀取出溫度數據，實現溫度的實時讀取。同時，根據溫度數據繪制出動態變化的曲線，根據曲線的波動變化預測人員安全情況。

在定位系統中主要有北斗數據解析和地圖顯示兩部分，可以接收北斗數據并解析出經緯度信息。

溫度監控界面和溫度報警界面分別如圖8 和圖9 所示。選擇定位系統后，界面如圖10 所示，可實時定位人員位置信息。

圖8 溫度監控界面

圖9 溫度報警界面

圖10 定位顯示界面

5 結語

由此可見，此系統可以加強對執行任務人員體征信息的掌控，為更及時的救援提供條件。鑒于目前市場上暫時沒有無源無線測試血壓、呼吸以及心率等體征信息的芯片，所以本次項目設計僅僅以體溫信息監控作為無源無線戰場體征信息測試的一個特殊案例，后續將進一步尋找無源測試更多體征信息的技術方案。