生命状态远程监视及定位系统的研究*

郁 丽，郭 勇，赖武刚，徐 颖

(成都理工大学信息工程学院 成都 610059)

1 引言

本文在地震救援行动跟踪与监控实时动态信息分类的基础上，研制人体生理信息和环境信息的检测装置，用于对地震灾害现场搜救队员身体状况的实时监测和环境信息的检测以及救援灾害现场个人位置信息和灾情信息的获取。利用这种装置可以对现场的搜救队员进行远程生理监护，可以随时掌握搜救队员是否受伤、是否紧张疲劳等生命状态信息。一旦搜救队员的生命特征信息出现反常现象，可以让搜救队员及时撤离搜救现场，使搜救队员得到及时救治，减少伤亡，避免意外的发生。

2 系统组成及工作原理

检测装置的原理如图1所示。

救援人员生命状态远程监视及定位系统主要实现搜救队员生命信息的采集和发送功能，主要分为5部分。

（1）信号采集和调理部分

主要实现对搜救队员脉搏、体温及天然气浓度信号的采集和初步处理。

（2）单片机处理部分

经过调理后的无线信号传给单片机进行采样和中断控制处理，对存储器进行控制。

（3）存储部分

对采集到的数据进行压缩和存储。

（4）ZigBee节点部分

RFD（精简功能设备）节点对单片机处理后的数据进行发送与接收。FFD（全功能设备）节点除了具有RFD节点的功能外，还能对数据进行转发和路由。

（5）电源部分

高稳定直流＋12 V基准电源经7803SR和7805SR转换成＋3.3 V和＋5 V电压。

3 信息采集与处理

生命状态信号包括脉搏、呼吸、体温、血压等多种信号。根据本课题的研究目标和需求，借鉴国内外的研究经验，选取了脉搏、体温两个生理指标作为搜救队员生命状态信号，环境信息选取了天然气浓度。

3.1 环境信息采集电路

3.1.1 气敏传感器工作原理

气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。从材料上分，最常用的气敏传感器有金属氧化物、高分子聚合物材料、压电材料、胶体敏感膜等。从用途上分，有广普型和专一型。

气敏传感器的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜。通过加热电阻确定传感器的工作温度，使其工作在气体敏感的温度下。金属电极连接气敏材料的两端，使得它成为一个阻值随外部气体浓度变化的电阻，通过测试敏感材料电阻的阻值变化，得到气体的浓度信息。本系统采用MQ-4型气敏传感器，该类型对天然气有很高的灵敏度，稳定性好，寿命长，响应恢复特性快，主要用于家庭、工业的甲烷和天然气的探测。

3.1.2 信号放大电路

传感器输出的电压信号较小，需要相应地进行放大，放大电路的实现可采用AD620芯片实现。前置放大电路选用ADI公司的专用高精度仪器三运放AD620。AD620是由3个精密运放集成的差分专用仪器运放，具有低偏移、高增益(信号可直接放大到1 000倍)、高共模拟制比的特点，特别适用于放大传感器信号。信号放大电路如图2所示。

3.2 人体生命信息的采集

本设计主要是用于搜救队员生命特征的提取，在搜救现场，既要求传感器的安装不影响运动，又要求可靠。针对这种特殊要求，系统设计成手腕佩带式。状态传感器只要佩带在身上即可，对安装无特殊要求；对于温度传感器，只要求其紧贴皮肤，保证不脱落即可测得身体表面温度；对于脉搏信号的采集需要一个特殊传感器，可保证在任何运动状态下能够可靠、准确地采集脉搏信号。基于以上要求，本设计选用HK-2000B脉搏传感器。

HK-2000B脉搏传感器利用高度集成化工艺将力敏组件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿组件、感温组件、信号调整电路集成在传感器内，具有灵敏度高、抗干扰能力强、性能稳定可靠、使用寿命长等特点，非常适用于无创心血管功能测试和中医脉象诊断。通过对传感器施加一定的预压力可获取人体腕部的桡动脉脉搏信号，输出信号的电压范围为－0.2～0.8 V。脉搏信息采集部分原理如图3所示。

3.3 信号调理模块

传感器输出的脉搏信号经过信号调理模块进行调整，放大后由单片机的ADC进行模数转换。信号调理模块采用LM324构成同相放大电路，并在同相输入端加0.2 V的输入电压，抬高脉搏信号，做基线调整。选用2片CD4051单8路可编程模拟开关自动调节放大器的放大倍数，使输出的脉搏信号电压满足且最大地分布在ADC的0～Vcc输入电压范围。

采用MSP430F149单片机，该芯片有16位RISC结构微处理器，指令周期短，具有多种省电模式，集成的A/D转换器，超低功耗；它带有60 KB闪存，12位A/D转换器和硬件乘法器。12位A/D转换器要求模拟信号的输入范围为0～Avcc，HK-2000B脉搏传感器输出信号的电压范围为-0.2～0.8 V，在这里可以考虑将信号放大1～3倍。

经调理后的信号传给无线发送模块进行编码和帧处理，再经2.4 GHz天线发送。从接收端天线接收来的射频信号经过两次下变频后变成两路正交信号(I和Q)，片内集成的CCA(空闲信道评估)模块根据接收到的基带信号的能量进行空闲信道评估检测。CCA和前端的LNA(低噪声放大器)都要受到AGC(自动增益控制)的控制。数字接收端通过差分码片检测 (DCD)后经过相关器对直接序列扩频(DSSS)进行解扩，经过符号同步检测和包处理以后最终得到接收到的数据。通过SPI传送到MCU。MCU把处理后的数据传输给ARM9处理。当ARM9处于忙碌状态时，MCU采取中断方式将数据首先存储在存储器中，待收到ARM9的调度指令后再从存储器中提取出存储的数据传输给ARM9处理。具体流程如图4所示。

4 软件设计流程

软件的设计分为两部分：ZigBee部分MC13192的软件设计和MSP430F149单片机的软件设计。

4.1 MC13192的软件设计

由调理电路对生理信息以150 Hz的采样频率进行采样，并将采样后的数据传输给GT60按照IEEE802.14.4协议进行网络数据格式封装，再添加上帧头、帧尾和判别位。当数据封装完成后交给MC13192进行调制并发送出去。其软件流程如图5所示。

4.2 MSP430F149单片机的软件流程

系统启动后先初始化执行自检程序，在各模块的参数读取完毕并配置完成后，MSP430 F149开始读取生命信息的输入并处理，在一定的控制信号下送给存储器存储，并交给S3C2410处理。具体过程如图6所示。

4.3 ZigBee和传感器可扩展性讨论

ZigBee网络协议栈采用开放系统互连模型(OSI)。每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层，PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。ZigBee Alliance定义了网络层、应用层与安全层的规范。ZigBee节点有几十米的覆盖范围，也可以增加路由节点扩展覆盖范围(最大可以扩展到65 000个节点)，因此适用于大范围搜索工作。ZigBee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，自身的低功耗和低成本也延长了设备的工作时间，降低了整体的成本。ZigBee协议的传输速率为250 kbit/s，能满足脉搏、温度等信号数据传输量不大的生理信号的传输。

5 结束语

本文针对降低搜救中搜救队员伤亡率和及时掌控灾害现场环境的需求，为保障搜救队员的安全，提出了一种可行的监测系统。其终端装置由搜救队员随身携带，在不影响正常搜救工作的情况下，将其自身生命信息及环境参数通过无线收发模块实时传输到地面指挥中心。作者对方案进行了仿真实验，实验表明：系统运行稳定，能实时地进行人体生理参数及外部环境信息的监测，且系统体积小、功耗低，可与控制中心进行高速实时有效的数据通信。该设计方案是有效可行的。

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