基于北斗定位技術的野外緊急救援裝置研究

高偉，盛仕偉

（1.中國電信大連分公司，遼寧大連，116028；2.大連交通大學，遼寧大連，116028）

0 引言

在進行野外運動或在野外工作及野外軍事訓練、行動時，受到戶外復雜多變的環境以及體能限制等因素難以避免會發生急性組織損傷情況，引發強烈的疼痛感并伴發腫脹、發熱等癥狀。此外，持續的劇烈疼痛將導致血壓降低、腦供血不足甚至出現昏厥癥狀，對傷者造成缺血神經障礙、永久性腦損傷，甚至導致死亡。但野外環境復雜，通信基站無法完全覆蓋，因此傷者無法及時獲得救助。常規野外急救措施是攜帶戶外急救包進行自救，配備急救藥品、外用醫療器械、包扎繃帶等。但戶外急救包存在沉重、空間有限、攜帶的醫藥物資有限等不足，尤其在傷勢較重情況下傷者無法實施自救，導致嚴重后果。針對野外緊急救援方案國內外學者進行了深入研究，并取得了一定進展[1～3]。針對目前野外救援方案中無法采用常規通信工具發送求救信號，傷者在強烈疼痛中無法實施自救的問題，本研究設計一種由北斗導航模塊、生理信號采集模塊、鎮痛泵、聲光報警模塊構成的野外緊急救援裝置，實現北斗短報文通信、生理數據實時采集、鎮痛泵自動控制功能，解決野外救援中救援信號及時發送，救助傷者智能化的問題[4～5]。

1 系統設計方案

本研究設計的野外緊急救援裝置系統結構如圖1 所示，裝置由3.3V 鋰電池供電，系統由核心處理器和北斗模塊、鎮痛泵、生理參數檢測模塊、聲光報警模塊共4 個外圍模塊組成。核心處理器采用低功耗STM32 芯片，STM32 芯片采用ARM 結構，具有低電壓、低功耗、抗干擾能力強、端口資源豐富等特點，適用于可穿戴設備和手持設備。STM32芯片作為系統的核心，負責生理數據處理分析、北斗短報文通信數據控制、鎮痛泵控制、聲光信號控制。生理參數檢測模塊將心率、體溫、呼吸、血氧數據傳送給核心處理器，處理器首先對數據進行數字濾波，然后進行相關參數運算，當檢測到生理參數異常時，發送報警控制信號給聲光報警模塊。ATGM336H 北斗導航芯片傳送定位信息給核心處理器，處理器對定位字符串進行解析得到準確的位置信息。當處理器檢測到生理參數異常時，將位置信息和生理參數數據形成短報文，通過北斗短報文模組XM1302E 發送到指定平臺。

圖1 野外緊急救援轉裝置系統結構圖

2 系統硬件設計

北斗模塊由高性能ATGM336H 雙模導航模組和XM1302E 北斗短報文模組構成。ATGM336H 雙模導航模組具備全星座定位功能，內置32 個跟蹤通道，具備體積小、高靈敏度、低功耗特點，跟蹤靈敏度達到-162dBm，支持A-GNSS 和D-GNSS，適用于可穿戴設備。本系統采用的ATGM336H 導航模塊和雙模天線分別如圖2 和圖3 所示。XM1302E 北斗短報文模組內部集成短報文射頻基帶一體化芯片和電路，能夠對RDSS 衛星信號進行濾波并進行低噪聲放大。XM1302E 北斗短報文模組具有高集成度、低功耗、小尺寸等特點，適用于野外應急求救管理，尤其在野外無人區能夠發揮應急通信的優勢。

圖2 ATGM336H 導航模塊

本系統采用自控給液100ml 1267 型鎮痛泵，如圖4 所示。鎮痛泵穿戴在野外人員身上，采用自動結合手動控制方式工作。系統能夠根據傷者的生理參數自動控制鎮痛泵啟停，控制給藥量。當傷者意識清醒時也可以選擇手動對鎮痛泵進行控制。本系統鎮痛泵控制采用超前鎮痛算法，通過多生理參數的分析，對傷者疼痛強度進行預判、提前給藥，實現超前鎮痛，減輕疼痛刺激向中樞神經系統傳遞，減輕傷者癥狀。

圖4 1267 型鎮痛泵

生理參數檢測模塊采用一次性生理電極實時采集戶外人員的心率、體溫、呼吸、血氧等生理參數，當生理參數異常并超過閾值時通過XM1302E 北斗短報文模組發送求救信息，同時啟動鎮痛泵，根據實時生理參數控制給藥量。系統的心率和血氧飽和度檢測電路如圖5 所示，檢測電路采用紅外光譜法，通過對不同波長紅外輻射數據對血氧飽和度和心率數據進行計算。紅外光譜法具有快速準確，抗干擾力強等優勢，廣泛應用于醫療檢測儀器。系統采用的一次性生理電極具有導電性好、粘貼牢靠、對皮膚無刺激、安全衛生的特點。聲光報警模塊由LED 燈和喇叭組成，STM32 芯片的2 個控制端口分別控制LED 燈閃爍和喇叭發聲，其中喇叭通過驅動電路實現控制信號放大。系統采用聲光報警具有較強的警示作用，便于救援人員實現快速定位。

圖5 血氧和心率采集電路

3 系統軟件設計

系統的主程序流程如圖6 所示，系統啟動后首先進行初始化，并檢測各個模塊的工作狀態，如果模塊出現異常或生理信號檢測電極未粘貼則進行聲音提示。系統初始化結束后首先檢測“求救按鍵”，如果用戶未進行手動求救，系統實時檢測血氧、心率、體溫和呼吸數據并進行綜合評價，當分析結果顯示身體狀況異常時將自動啟動求救模式，發出聲光報警信號。如果用戶進行手動求救，則啟動ATGM336H導航模塊確定準確的位置信息，并啟動XM1302E 北斗短報文模組將位置信息和生理參數信息形成北斗短報文發送到指定平臺。此外，綜合評判生理狀況后適時啟動鎮痛泵，采用超前鎮痛法進行給藥。如果傷者意識清醒且痛感強烈，可以手動增加給藥量。

圖6 主程序流程圖

北斗短報文程序流程如圖7 所示，首先啟動ATGM336H雙模導航模組并通過串口接收位置信息。位置信息需要進行解析并判斷信息的有效性，如果信息接收有誤或者位置信息無效則重新接收信息。接收到有效位置信息后可以解析出經緯度、海拔等原始數據。然后啟動XM1302E 北斗短報文模組，將位置信息和生理信號數據封裝為北斗短報文發送到指定平臺。

圖7 北斗短報文程序流程圖

ATGM336H 雙模導航模組串口信息格式為全球定位系統和導航設備交換信息的NMEA 標準格式，通用NMEA 語句以‘$’作為起始符，兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”，中間是數據信息，以＜CR＞和＜LF＞作為結束。NMEA 數據信息有十幾種，常用的語句名包括“GGA”全球定位信息、“GLL”地理定位信息、“VTG”地面速度信息、“GSA”當前衛星信息等。例如GGA 語句中包括定位時間、經緯度、質量因子、水平精度因子、海拔等字段，主要用于獲取準確的定位數據。

4 結論

本研究給出一種結合北斗定位和短報文技術的野外緊急救援系統的設計方案，彌補目前野外救援裝置缺少生理數據實時檢測分析，缺少自動給藥鎮痛功能，無法在無通信基站環境發送求救信號的不足。系統采用具有自主核心技術的ATGM336H 導航模塊實現定位，采用北斗短報文模組XM1302E 實現短報文發送；采用自主設計的生理信號采集電路實現血氧、心率、體溫和呼吸數據檢測；采用融合算法實現生理數據的分析與評判；采用超前鎮痛給藥法實現鎮痛藥劑的自動注射。系統在硬件設計方面實現了系統的低功耗、穩定性、安全性、可靠性，在軟件設計方面首創性采用多數據融合分析算法與超前鎮痛給藥算法，為野外人員的生命安全提供保障。