头戴式体征探测仪

赵明宇 窦泽华 章怀宇 马瑞祥

摘 要：文中提出了一种新的体征探测仪的设计方案，该方案能够探测出震后被埋在废墟下的待救援者的生命体征，该系统的外形是一个头盔，其中集成了主控制器，外界环境成像模块，人体红外热辐射探测模块，人体心跳呼吸探测模块，显示模块，语音提示模块，GPS模块，语音对讲模块，电源管理模块等部分。这种设计的先进性在于它可以同时探测人体心跳、呼吸以及热辐射等生理特征，提高探测精度，而且释放了救援者的双手，提高了救援效率。

关键词：震后救援，体征探测，人体红外热辐射，心跳呼吸检测

1 作品介绍

本产品通过红外热释电传感器和多普勒雷达同时探测待救援者的红外热辐射和心跳呼吸这两种生命体征，探测结果通过语音模块对搜救队员进行提示。为使本产品能够24小时全天候工作，我们为它配备了红外微光摄像头，摄像头采集到的图像可以通过屏幕显示给搜救队员。考虑到搜救队员也可能遇到意外情况，所以，又为本产品配备了GPS模块和语音对讲系统，当搜救队员需要帮助时，可以通过语音对讲系统报告自己所在的经纬度来呼叫附近搜救队员进行支援。

2 工作原理

2.1 电源管理模块

电源管理模块的功能是为其他五大模块提供可用的工作电源。众所周知，可穿戴设备的能耗问题一直是各大厂商和用户关注的重点。为了使本文所述的新型体征探测仪续航能力更强，可以充分利用各种能量源，如太阳能、热能等。

2.2 人体红外热辐射探测模块

人体红外热辐射探测模块的核心是红外热释电传感器，它的精度、抗干扰性、灵敏度等指标直接决定了探测的效果，因此在设计时必须注意以下两点：第一，正常人体的温度在37℃左右，所发射的红外线波长为9～10 μm，被埋在废墟中的待救援者由于惊吓，缺少食物，导致体温有所下降，因此进行红外热辐射探测时，中心波长应略高于10 μm，这样不但可以更加有效地探测到待救援者的位置，同时还可以有效地避免地面救援者的红外干扰；第二，由于辐射出的红外线被坍塌的墙体吸收反射，导致能够被检测到的热量很少，为了精准探测到待救援人员的红外热辐射、确定待救援人员所处位置就必须提高红外热释电传感器的精度，所以必须设计滤光镜片、电压放大电路以及聚光设计。设计滤光镜片的目的是将入射波段不在10 μm的红外线全部滤掉，排除干扰，提高抗干扰性。电压放大电路的目的是将检测到的微弱信号进行放大，便于后级信号处理，提高了精度。聚光设计也是为了更有效地收集微弱的红外信号，此设计亦可提高精度；第三，电路在长时间使用时难免产生一些热量，这些热量也会对红外热释电传感器的精度造成不利的影响，因此，设计温度补偿电路十分必要。

2.3 人体心跳呼吸探测模块硬件电路设计

本系统首先设计一个连续波雷达，连续不断地向外界发射固定频率的电磁波。电磁波的频率选择需要特别考虑，相关研究表明，电磁波频率越高，检测灵敏度越高，但是穿透力将大大减弱；相反，电磁波频率越低，会增大探测距离，但是灵敏度将大大降低。在发射的同时还需收集回波信号，由于回波信号非常微弱，所以还需设计一个电压放大器，将回波信号放大，便于进行信号处理。将放大后的回波信号进行解调与带通滤波即可得到人体心跳呼吸信号。相关研究表明，人体心跳呼吸的频率在0.3 Hz～3 Hz之间，所以带通滤波器的通带频率也应为0.3 Hz～3 Hz，为达到良好的滤波效果，应使用巴特沃斯滤波器，并增加滤波阶数。最后对从回波信号中提取出来的心跳呼吸信号进行AD转换，根据其强度判断待救援者的具体位置。图1所示是人体心跳呼吸探测模块的原理框图。

图1 人体心跳呼吸探测模块的原理框图

3 作品创新点

（1）能够穿过墙壁或障碍物探测待救援者的生命体征；

（2）采用多普勒雷达探测人的心跳呼吸相比于目前采用二氧化碳传感器探测二氧化碳浓度的方式，精度更高，不易受干扰，成本更低；

（3）同时探测待救援者的红外热辐射和心跳呼吸，降低误判率和漏报率，提高探测精度。图2所示为头盔式生命体征探测仪的物图。

图2 头盔式生命体征探测仪实物图

（4）通过分析回波信号可以简单判断出埋在废墟下的是人还是其他动物，以此进一步提高探测精度；

（5） 采用头戴式的形式，最大程度上减少了搜救队员的负重，释放了他们的双手，提高了救援效率，同时，头盔对搜救队员也是一种保护。

4 市场前景

作为一种新兴产品，本产品的市场前景十分广阔，具体列举如下：

（1）震后救援；

（2）海关防偷渡；

（3）军事装备；

（4）反恐装备。

团队获奖风采照