一種特殊作業環境下生命保障定位裝置

摘 ?要：文章設計一種特殊作業環境下的生命保障定位裝置，由核心控制器模塊、生命體征監測模塊、定位模塊、LoRa通信模塊、雙目攝像頭模塊等組成。多模式定位技術實時獲取作業人員定位信息，生命體征傳感器監測作業人員體征指標，雙目三維重建技術采集作業環境立體三維信息，使用自組網的LoRa通信模塊把實時數據無線數據傳輸回指揮中心，以便解決特殊作業環境下出現緊急危險情況時無法快速實時獲取作業人員信息，而延誤救援方案的問題。

關鍵詞：生命體征;雙目三維重建;LoRa;慣性導航

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0069-06

Abstract： This paper designs a life support positioning device under special working environment， which is composed of core controller module， vital signs monitoring module， positioning module， Lora communication module， binocular camera module and so on. The multi-mode positioning technology obtains the positioning information of operators in real time， the vital signs sensor monitors the physical signs of operators， the binocular 3D reconstruction technology collects the 3D information of the working environment， and uses the Lora communication module of ad hoc network to transmit the real-time data wirelessly back to the command center， so as to solve the problem of delaying the rescue plan due to the inability to obtain the information of operators in real time in case of emergency and dangerous situations in special working environment.

Keywords： vital sign; binocular 3D reconstruction; LoRa; inertial navigation

0 ?引 ?言

在生產和建設過程中，企業最關心的是在保障生產安全的前提下提高生產效率，安全生產擺在首位。在一些復雜性、多變性以及應急性的特殊作業環境及場所如消防作業、礦井作業、地下空間作業等，作業人員的作業性質都是呈立體化縱深地理位置分布，管理范圍較大。在工作進行時，管理人員無法準確的了解作業人員的位置、工作情況、具體地點分布等相關信息，也就無法第一時間掌握和了解到作業人員所遇到的情況，出現事故時無法做出及時反應，沒法建立一套生命保障安全調度機制，耽誤救援。比如在消防火災救援、開礦作業和野外旅游探險等，外部人員無法知道相關的具體位置，因此需要設計一種安全快速定位裝置。針對特殊作業環境對作業人員生命保障和定位的需求，本文提出一種特殊環境下的生命保障定位裝置，將GPS、北斗、陀螺儀多組合定位技術、嵌入式、LoRa無線網絡技術、攝像等技術應用于消防、煤礦、地下通道等復雜環境下特殊作業的領域，實現對工作人員的精準定位、路徑跟蹤和保障網絡通暢。隨時掌握工作人員的分布狀況、運動軌跡和健康指標，解決現有消防火災救援等特殊作業下無法快速獲取相關人員的具體位置和生命體征的技術問題，實時定位特殊作業人員的位置和接受外部的調度命令。

1 ?結構設計

生命保障定位裝置電路板結構布局圖如圖1（a）所示，其裝置安裝在安全帽上，剖面圖如圖1（b）所示，設備裝置主要由外殼、衛星定位天線、衛星定位模塊、陀螺儀模塊、交互模塊、顯示模塊、控制模塊、無線電天線、編解碼模塊、揚聲器、對講控制開關、拾音麥克風等組成，集成在一塊電路板上，通過外殼實現整體的封裝，集成在安全帽帽體上，實現對人員定位和生命體征監測的功能。帽體頂部設置有固定殼體，LoRa通信模塊、控制器模塊、陀螺儀模塊和定位電路設置在固定殼體內，LoRa通信模塊的天線穿過固定殼體，并設置在固定殼體外。固定殼體內還設置有電池，電池固定殼體外設置有充電口，所述充電口與電池連接，所述擴展接口設置在固定殼體外。攝像頭設置在固定殼體頂部，且攝像頭與固定殼體之間設置有攝像頭固定座。

2 ?系統框架設計

根據生命保障定位裝置的主要功能為定位功能、LoRa無線通信功能、攝像雙目三維重建功能、生命體征監測功能，系統設計框架如圖2所示。

2.1 ?定位功能

設備采用北斗GPS雙模定位和陀螺儀模塊定位技術進行互補融合的室內定位，北斗GPS雙模定位提供戶外平面定位信息，然后加上室內采用陀螺儀傳感器模塊定位，得到定位人體的具體位置，實現對復雜作業環境作業人員的精準定位及路徑跟蹤。

定位模塊北斗GPS有衛星信號時，實時采集定位的信息，陀螺儀模塊同時也實時記錄人運動方向的數據，比如向前走五米，或者向上走三米，或者斜向上走五米等，對數據進行記錄，然后當有衛星信號時，與定位信號進行組合，增加室內方向的位置信號，實現定位，如果為沒有衛星信號時，即是在設備開啟時由陀螺儀模塊記錄人員的移動的位置，然后經過LoRa通信模塊傳給外部。陀螺儀模塊進行室內空間定位與GPS衛星定位數據相互校正，不管在室內或者戶外，都能實現作業人員位置的精準確定。

2.2 ?LoRa無線通信功能

當建筑發生火災、礦井發生坍塌等事故時，因內部空間的密閉性、房屋鋼結構的屏蔽作用等，使得超短波通信信號無法全面覆蓋。在事故救援現場，通信網絡不暢導致現場指揮和救援混亂，現場指揮調度中心也形同虛設，不能合理地安排救援力量。生命保障定位裝置均設置有LoRa通信模塊，帶有生命保障定位裝置的安全帽如果在與移動指揮室的通信范圍內可直接通信，如果不在通信的距離范圍，需要生命保障定位安全帽廣播給周圍的生命保障定位安全帽，當有其中一個應答時，說明該生命保障定位安全帽與移動指揮室可以通信，則此時，無法與移動指揮室連接的生命保障定位安全帽，會經過另外一個生命保障定位安全帽把信號發給移動指揮室，實現組網，該組網為現有的組網連接方式，如圖3所示。實現了特殊作業的情況，有一些地方沒有信號時，也能與外部通信。

2.3 ?生命體征監測功能

生命體征監測采用的傳感器包括人體體溫、心率脈搏等檢測傳感器，均設置人體表層，與控制器模塊連接，實現采集數據，可實時獲得作業人員的生命體征指標，如作業人員健康受到威脅時，指揮中心可第一時間掌握信息，根據定位信息和身體體征，開展救援工作，保障作業人員的生命安全。

2.4 ?攝像雙目三維重建功能

特殊作業環境的復雜性、多變性以及應急性，需要對作業環境進行現場繪制三維線框地圖。采用攝像頭雙目立體視覺法能實現空間坐標重建，分為圖像獲取、特征匹配和重建三個步驟。圖像獲取是由不同位置的兩臺攝像機獲取同一物體的過程;特征匹配是在兩幅圖片中通過特征關系，尋找對應點的過程;重建就是根據匹配點對應關系計算目標點點空間坐標的過程，將重建現場立體三維線框數據，發送到指揮調度系統生成現場作業環境的立體三維線框地圖，有效掌握作業環境信息和作業人員分布信息，對指揮調度提供有效的信息。

3 ?硬件設計

生命保障定位裝置的控制模塊采用STM32F407核心，定位模塊采用慣性導航模塊WTGPS-300，無線數據傳輸采用的是LoRa無線通信SX1278擴頻，攝像頭采用OV9732，血氧濃度檢測選擇MAX30102芯片，人體溫度傳感器采用MAX30205。硬件框圖如圖4所示，硬件原理圖如圖5所示。

3.1 ?控制模塊

STM32F407是一種高性能微控制器，有著很強的抗干擾能力，集成了單周期DSP指令和浮點單元 （floating point unit， FPU），提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制，此外，還提供了豐富的數字外設，為定位裝置連接外接模塊提供便捷。

3.2 ?定位模塊

定位模塊采用慣性導航模塊WTGPS-300模組，體積小，高靈敏度、低功耗、低成本，該模塊集成GNSS接收機、6軸慣性傳感器能夠提供連續的高精度3D定位。衛星信號差會結合慣性傳感器的數據信息進行跟蹤定位，保證室內精準定位。

3.3 ?雙目三維重建模塊

由于雙目立體視覺要實現空間坐標三維重建需要圖像獲取、特征匹配和重建，計算量比較大，因此獨立設置一個核心控制器完成目標點點空間坐標計算，該控制器直接與攝像頭OV9732連接，控制攝像頭圖片采樣，計算好的現場立體三維線框數據發送給控制模塊來進行數據回傳。

3.4 ?LoRa無線通信模塊

LoRa無線模塊采用SX1278芯片，工作在410～441 MHz頻段，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的IO口電壓。具有傳輸距離遠，速度快，功耗低，抗干擾性強的特點;支持空中喚醒、無線配置、載波監聽、自動中繼、通信密鑰等功能，多種傳輸方式可以實現組網和中繼功能，滿足作業環境網絡不通暢時自組網與外界通信的需求。

3.5 ?生命體征監測模塊

生命體征監測采用了血氧濃度檢測傳感器模塊MAX30100、人體溫度傳感器模塊對人體體征監測。血氧濃度檢測傳感器MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊。MAX30102本身集成了完整的發光LED及驅動部分，光感應和AD轉換部分，環境光干擾消除及數字濾波部分，通過IIC接口來讀取MAX30102本身的FIFO得到轉換后的光強度數值，通過編寫相應算法就可以得到心率值和血氧飽和度。MAX30205溫度傳感器可高精度測量溫度，工作在0 ℃至+50 ℃溫度范圍，高精度和低電壓性能，16位（0.00 390 625 ℃）溫度分辨率，精度滿足ASTM E1112的臨床測溫儀技術規范。

4 ?軟件設計

生命保障定位裝置工作過程主流程圖如圖6（a）所示。設備開機初始化后，讀取生命體征數據、定位信息、雙目攝像現場三維數據，采用LoRa無線通信進行信息收發。圖6（b）中采集生命體征信息，讀取溫度傳感器數據換算成溫度值，讀取血氧傳感器的數據，該數據為心率值，再將其換算成血氧飽和度的數值。流程圖中圖6（c）定位信息采集流程圖中，采集衛星定位數據、衛星定位因子數和空間定位數據，經過MCU處理，當定位因子數小于n（衡量衛星定位準確度的參數），采用衛星定位作為設備位置信息，校準空間定位數據;當定位因子數超過n，即進入建筑或衛星信號變弱丟失時，采用慣性傳感器進行空間定位，記錄室內運動軌跡坐標，結合衛星定位和慣性傳感器定位信息進行位置信息數據儲存。圖6（d）中雙目攝像采集圖像，分別進行攝像機標定、雙目圖像標定、特征提取、立體匹配出視差圖，生成深度圖，最后進行三維重建。移動指揮系統管理中心收到采集的數據平臺顯示如圖7所示。

5 ?結 ?論

本文通過用GPS北斗衛星定位和陀螺儀傳感器定位技術進行互補融合的室內定位，實現對復雜作業環境作業人員的精準定位及路徑跟蹤，使用生命體征監測傳感器實時監測作業人員的健康指標，攝像頭雙目視覺三維重建技術實現繪制現場作業環境三維地圖，通過無線通信網絡平臺接收到作業人員的定位坐標、生命體征、雙目分析的立體三維線框數據，可直接生成現在作業環境立體三維地圖，標記作業人員分布點，記錄跟蹤作業人員的行為軌跡和生命體征，如發生事故，救援人員可根據作業人員定位坐標和作業環境立體三維地圖作出搶救方案，第一時間展開營救，提高救援效率和成功率。

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作者簡介：袁梅（1985—），女，漢族，廣西玉林人，講師，碩士，研究方向：嵌入式、物聯網技術。