消防員生理參數采集與處理系統設計
2021-12-23 07:29:03梁夢杰魏劍鵬李馳原
今日消防 2021年7期
梁夢杰 魏劍鵬 李馳原
摘要：近年來我國重大火災及自然災害時有發生，消防員在執行長時間滅火救援及應急處置任務時，由于自身體能嚴重消耗，無法做出正確的風險判斷及時避險和撤離現場，導致個人安全受到極大威脅。文章基于軟件開發平臺QtCreator5.80，設計出一套針對消防員生理信號參數采集與處理系統。通過對體溫、脈搏、血壓等生理信號參數的檢測和分析，幫助消防員及指揮員更好的監測消防員的身體狀況，減少因疲勞作戰而造成的傷亡情況。本系統具有低成本、實用性強、跨平臺等特點，能為消防員長時間作戰訓練提供安全保障與支持。
關鍵詞：消防;生理信號;Qt;監測
據有關文獻統計，2000年至2017年，全國消防員犧牲共260人，受傷2549人;而2018年至2020年僅3年間，全國就有58名消防員犧牲。所以在全災種大應急的時代背景下，對參與滅火救援及應急處置任務的消防員進行生理監測顯得尤為重要。指揮中心可以根據每位消防員的生理情況合理布置任務，降低消防員的傷亡，消防員也可根據預警及時避險。
呼吸、體溫、脈搏、血壓是醫學上稱為的四大生命體征，本文主要針對消防員體溫、血壓及脈搏信號進行檢測，研究消防員在作戰時生命體征情況。本設計基于現有生理參數監護系統的設計經驗，在對體溫、血壓及脈搏信號的特征點采集處理及監測進行了相關設計，為指揮中心確保消防救援人員生命安全，做出合理決策及部署提供重要參考。
1? 消防員作戰生理參數
1.1? 體溫
人體正常體溫為36.2～37.2℃，超過37.2℃就可以確證為發燒。37.4～38℃為低熱，38.1～39℃為中等發熱，39.1～41℃為高熱，41℃以上為超高熱。消防員在作戰過程中處于精神高度集中狀態，全身新陳代謝明顯加快，加之所穿戰斗服保溫效果極好，所以此時人體的體溫會明顯上升。若執行滅火救援任務，火場溫度有時能達到上千攝氏度，若長期處于這種環境消防員將會由于體溫過高而休克[1]。
1.2? 血壓
根據最新公布的2017版美國血壓指南，人體正常血壓為90～120/60～80mmHg，高血壓標準定義為≥130/80mmHg。消防員會因現場情況血壓有小幅度的波動，但是消防員面對重大災害現場時經常會長時間的處于高壓狀況下，這時容易出現機體疲勞情況，心臟也會持續處于輸出率情況。若消防員的收縮壓超過210mmHg或者舒張壓超過100mmHg，達到極限運動狀態時，應及時撤離現場進行休息。
1.3? 脈搏
正常人的脈搏跳動次數為60～100次/分鐘。消防員在執行滅火作戰及搶險救援任務時，將長時間處于快速新陳代謝情形，在此過程中消防員身體會進行有氧代謝運動和無氧代謝運動過程。當脈搏速率超過196次·min-1時已經進入無氧代謝運動階段[2]，若長時間處于這種情況消防員將會出現眩暈情況，應及時撤離現場。
1.4? 呼吸
正常成人呼吸頻率為每分鐘12～20次，每分鐘的呼吸次數、呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態而異。消防員作戰時，若呼吸頻率長時間高于50次·min-1將達到人體疲勞呼吸頻率下限，此刻應及時撤離現場。
2? 硬件采集設計
由傳感器收集的消防員生理信號首先被發送到A / D轉換模塊以進行適當的調節和放大，然后轉換為數字信號。然后通過SPI接口送入STM32單片機進行平滑濾波后，交由上位機處理顯示。原理圖如圖所示。
通過MCU采集信號，并將整理后的數據流通過串口上傳到PC終端，并由上位機進行數據處理和圖形繪制。MCU程序包括三個部分：“設備初始化，數據接收和處理”，流程圖如圖所示。
3? 關鍵算法設計與實現
3.1? 滑動平均濾波法
滑動平均濾波算法可以減少和消除干擾的不利影響。它可以作為噪聲消除的低通濾波器，也可以作為高頻信號產生的基線漂移的高通濾波器。在這種方法中，N個連續數據作為一個隊列和一個固定長度的N，然后每次新數據被收集并放置在隊列的最后，刪除數據隊列的隊首數據，類似于窗口運動，算術平均的N數據。其中是要處理的序列，是濾波后的序列[3]。
3.2? 脈搏計算算法
脈搏可以通過計算波峰或波谷之間的距離而得到脈搏，具體步驟為采集一段序列，通過查找最大值和最小值從而記錄波形中峰值或谷值的位置，然后記錄最大位置計算兩個最值之間的時間間隔，即可求出脈搏[4]，如公式1所示：
計算脈搏的需要得到波峰之間的時間間距，所以經研究分析，利用峰值法可以進行QRS波群的檢測，其實質上是根據脈搏信號的典型時域特征圖分析出R波振幅大，斜率大，波形較陡。通過計算脈搏信號與時間的倒數來確定R波的位置，從而得到斜率的變化。該方法實現相對簡單，計算速度快，且設計要求實時性高，軟件實現相對容易，因此本設計選擇峰值法檢測QRS波群[5]。
由于脈搏信號的R波斜率大，幅度值最大，所以可以得到脈搏信號的導數值來確定導數前后的變化，然后依據實驗設置閾值為導數最大值的N倍數，而且由于R波在心電的一階差分信號中都表現為過零點，所以利用R波的導數過零點的特點與導數值大于閾值相結合的算法來檢測R波，可以突出波的上升速率變化快的部位，進行精確定位，設脈搏信號為y（n），n=1，2，3…k，k為信號的長度，其一階差分公式為：
上式中：為脈搏信號序列y（n+1），y（n+2），y（n-2），y（n-1），均為y（n）的移位序列。如圖所示，檢測到的R波如圖3所示
3.3? 血壓計算算法
血壓的高低是通過收縮壓和舒張壓判斷，波形特征是最基本的血壓測量方法，分析波形，確定波形對收縮壓、舒張壓處的特異性，進而確定血壓。通過研究改進示波法的計算方法[6]，結合幅度系數法[7]和比值法測定血壓值。綜合采用微分比法和振幅系數法，提出了系統的微分比法。
4? ?系統軟件設計與實現
系統軟件的設計與實現，其中包括數據傳輸模塊，數據分析模塊，信號處理模塊，顯示模塊的設計與實現。系統采用Qt5.8開發[8]，程序設計流程圖如圖4所示。
4.1? 數據傳輸模塊
單片機將采集到的傳感器數據通過串口發送至上位機，上位機接收到數據后，通過各個模塊進行后續的處理和運算。通用異步收發傳輸器[9]（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART。UART是一種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收。作為異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸。傳輸模塊設計可分為三層，包括物理層、協議層、數據應用層如圖5所示。
4.2? 數據分析模塊
由于單片機在發送過程中，為了數據傳輸的準確性，單片機會將ADC轉換完成后的16位數據拆分成兩個8為數據[10]，并添加了相關的幀頭幀尾進行發送，而當上位機接收到數據后，需要根據數據當中特殊位對這串數據進行檢驗，檢驗幀頭幀尾信息以及校驗位，查看是否正確傳輸，并將8位數據重新組合成16位數據。具體數據接收流程圖如圖6所示
4.3? 數據處理模塊
將從數據分析模塊發送過來的在處理模塊mydataoperation類中的處理函數dataOperationStart（）函數開始處理，函數中分為脈搏、血壓以及體溫算法計算，同時由于mydataoperation從mydatanaysis中接受的數據所代表的生理參數不同，所以需要設置類型為QList
5? 測試結果與分析
首先需要進行算法的測試，在開始測試之前首先應該檢查各測試模塊接觸是否良好，在確認接觸無誤后可以進行測試。圖7是數據處理后所得結果，原始的信號能夠很好把各個特征點顯示出來，由于算法的原因，在處理血壓數據時，不能很好的采集到平均壓，同時由于仍然受幅度法的限制，致使顯示的時候，會出現偏差，這是后期需要解決的問題。
Qt跨平臺功能減輕了開發者再次開發的成本，一次編輯就可在多系統平臺運行，本次設計正是基于Qt強大的跨平臺，使得該應用程序不用二次開發。通過調試發現，軟件整體功能已完善，能根據采集到的數據顯示相應的生理參數和波形。
6? 結語
本文設計并實現了一個用于消防員生理參數檢測與處理的數據處理系統，整個系統的結構分為上位機和下位機。數據處理系統是生理參數檢測與處理系統的上位機，實現了血壓、脈搏、體溫的連續實時記錄。從項目開發的角度對數據處理系統進行了需求分析和總體設計，并對數據處理系統進行了測試。該系統主要是針對采集后的數據處理及顯示進行研究，未來可以結合各種傳感器進行監測，并配合定位系統實時監控消防員位置，以便指揮員進行人員調度，最大程度的保護消防員人身安全。
參考文獻：
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Design? of? firefighter's? physiological
parameters? collection? and? processing? system
Liang Mengjie1 ，Wei Jiampeng2，Li Chiyuan3
（1.Graduate School of China People's Police University;2. Shenzhen University;3. School of Rescue and Command Of China People's Police University）
Abstract：In recent years， catastrophe fires and natural disasters have occurred frequently in China， and the scale has continued to expand. When firefighters perform long time firefighting and rescue operations， they are unable to make correct risk judgment to evacuate the scene in time due to their own serious physical exertion， resulting in great threat to personal safety. Based on the software development platform Qt Creator5.80， this paper designs a set of physiological signal parameter acquisition and processing system for firefighters. Through the detection and analysis of physiological signal parameters such as body temperature， pulse， blood pressure， etc.， it helps firefighters and commanders to better monitor the physical condition of firefighters and reduce casualties caused by fatigue. This system has the characteristics of low cost， strong practicability， cross-platform， etc.， and provides safety guarantee and support for firefighters' long-term combat training.
Keywords： fire protection; physiological signal; Qt; monitoring
