工作犬训练生理数值采集系统的研究与应用

2017-06-05谢芳华陶晓冉张刘睿祺

中国工作犬业 2017年4期

谢芳华陶晓冉陈龙张刘睿祺

工作犬训练生理数值采集系统的研究与应用

谢芳华陶晓冉陈龙张刘睿祺

1·6南京枪击抢劫案案发后，南京片区集结工作犬对周边进行山地搜捕；然而，山地搜捕时人犬距离过远，难以及时发现异常情况和犬状态，从而影响搜捕效果。如何在远距离搜捕时更加直观地了解工作犬状态呢？本文进行了探索研究，并将该成果成功应用于工作犬训练生理数值采集系统。

工作犬在高温高强度下训练时易出现犬脱水中暑情况，工作犬的生理参数发生非正常变化，通过监测这些参数的变化即可判断工作犬的身体状况。随着电子与计算机技术的迅猛发展，嵌入式生理参数采集技术逐渐成熟及微型化，穿戴式生理参数监测设备逐步走向市场。本研究结合穿戴式技术设计用于工作犬训练生理数值采集系统，通过生理参数异常状况监测，系统自动将记录的参数信息、诊断结果以及定位信息经由无线数据传输网络发送给训导员和助训员，根据工作犬生理状况、定位信息做好提前预判，从而达到实时判断发现工作犬使用情况并及时分享搜索信息的目的，最大限度地保障工作犬的生命安全，并为探索更合适的高温、远距离搜索训练方案提供数据参考。

一、设计思路

工作犬训练生理数值采集系统是为工作犬训练提供的一种信息化监测管理模式，该系统充分考虑了训练时犬的体温、心率、呼吸频率等因素，最大限度的控制犬超限，提升训练数据的时效性，改善训练的质量和效率，降低非战斗减员。

工作犬训练生理数值采集系统由犬实战背心中的采集终端和移动监测端两大部分组成。采集终端实时采集犬体的生理参数，对采集到的生理参数信息进行数据分析，同时增加实时定位与无线数据传输功能，确认出现危险或异常生理状况时，移动终端会及时完成犬定位（GPS定位与移动网络定位），并通过无线网络将所有数据信息传输至移动监测端，监控端作出停止训练指令。

（一）采集终端

1.整体框架

采集终端采用双核控制，分为采集部分和主控部分。采集部分以SB312为控制核心，连接心电电极、血氧探头及体温探头，完成呼吸、血氧和体温等生理参数的采集，为适应多模块应用需求，采用了多电源处理电路；主控部分采用A25处理器芯片，接收采集板采集到的信息，同时进行定位控制，完成参数的存储及到服务器端的无线传输。采集板与主控板之间通过串口通讯完成数据的传输，通过JTAG接口实现终端与PC机的程序读写、DC电路完成隔离与串口通信的电源转换（见图1）。

图1 DC 电路完成隔离与串口通信的电源转换

2.硬件设计

生理数据采集终端的采集板是一款基于森霸光电有限公司人体红外感应模块SB312系列设计的生理信号采集板。采用SB312 DC3-12V作为主控芯片，集成了1024KB Flash、128KB RAM、4个USB、4个定时器、5个USART等元件。CPU 主频为72MHz，广泛适用于各种应用场合。本设计分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路以CPU为核心，通过 I/O端口控制采集后的 A/D 转换；模拟电路以各传感探头为核心，包括呼吸、血氧和体温等参数测量部分。

系统定位控制GPS导航卫星，其覆盖区域之大是任何地面导航台所不可及的，其工作波段为L波段，该波段电波传播基本不受电离层、对流层、气象因素以及昼夜温差等因素影响，可以进行连续定时、定位与导航。另外，采用GPS定位可以有效地修正普通地面无线电导航系统因电波传播的复杂环境产生的误差，为准确获得海巡战士的位置信息提供了保障。GPS模块采用美谷电子科技有限公司生产的一款高性能MG-X80定位模块，该模块核心具有50个通道，追踪灵敏度高达161dBm，测量输出频率最高可达5Hz，可以在3～5V电压下工作。GPS模块通过TXD、RXD与微处理器接口连接。位置信息通过串口以 NMEA-0183格式传送至控制芯片，再经移动数据模块发送出去。

无线传输采用驿唐科技的MD-109T（MD-109T是驿唐2015年推出的新款嵌入式4G DTU〔七模〕产品），全面支持中国移动、中国联通和中国电信的2G/3G/4G网络。在LTE 4G网络下， MD-109T的理论下行速率可达100MMbps，上行速率可达50Mbps。MD-109T独到的嵌入式设计，使其尺寸更小，接口更灵活，让行业用户的嵌入式无线应用变得更加容易。

图2 数据采集部分电路原理图

终端软件的设计采用嵌入式Linux系统架构，利用Linux开源特性，定制所需的系统功能，包括bootloader、Linux内核及应用程序的交叉编译移植。设计部分主要涉及驱动程序设计和应用程序设计两部分。系统采用Linux内核集成串口驱动和常见的音频驱动；存储模块驱动通过加载对应的补丁实现;按键驱动则依据要求设计不同按键功能的中断处理程序；移动数据网络模块与GPS模块均采用串口与微控制器通信，只需在串口驱动的基础上进行应用开发即可。应用程序根据智能应用需求与开发需求，采用Java语言，多线程编程，主线程创建3个任务子线程，分别实现数据采集存储、数据无线传输和报警控制功能。程序运行后无线传输子线程定时向指定的服务器端上传包括HR、RR、T1等参数数据，设定任务延时为1s。应用软件主程序流程见图2。

（二）监测端软件

工作犬训练生理数值采集系统监测端软件使助训员能实时掌握犬的身体状况，确定犬的工作状态并及时停止犬作业，改善训练的质量和效率。该软件主要包括移动终端机的分组发放与登记、电子地图设置、终端机通信与数据采集测试、持续收集生理参数与定位信息、数据处理线程等功能模块，其相互之间的关联见图3。

监控端软件基于Microsoft Visual Studio 2008 C#与SQLServer2005数据库系统开发，主界面包括菜单栏、用户区和状态栏3部分。菜单栏包含发放终端机、电子地图、工作犬状态3个一级菜单，每个一级菜单设立相应操作子菜单；当终端机监测到异常的犬生理参数时，目录中对应的终端机名称以及对应分组的组名都将以红色字体显示，同时在目录表右侧的列表框中显示异常终端机的编号、异常信息和经纬度信息，鼠标右键单击目录表中的终端机编号或者列表框中对应的异常信息栏，系统将在用户区中间的绘图控件上按从上到下的顺序依次显示该终端机采集图3

到的心电图、脉搏波、血氧曲线和呼吸波形；状态栏主要用于显示系统的操作状态。