一种单兵体温实时采集与监控系统*

陈文璨，徐 勇，吴元亮，李 岩

（陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

近年来，世界军事强国对士兵生命体征监控研究不断加强，监控装备与技术不断改进提高。2016年3 月，美军提出构建“战场医疗互联网”概念，意在建设战术环境下各种生物传感器及其传感网络，用于实时监控前线士兵体温、血压、心率与呼吸等生命体征信息，便于后方及时组织战场施救。

我军也有相关部门着手开始相关体制与技术研究，但是均处于早期起步阶段。无论是传感采集技术方面，还是传感信息中继传输方面，均存在许多问题与难点，需要进一步研究讨论。所以，本项目的开展也是对陆军作战前线救护智能化信息化改革的一种尝试[1-5]。

本系统创新点与特色在于以下几个方面：

（1）采用无线无源半导体测温传感技术，方便与未来单兵电子身份识别标签集成，便于使用与维护，特别适合战场应用；

（2）系统拓展性强，后期可以探索利用无人机或者北斗短报文等多种方式实现传感信息中继传输，进一步增强系统应用前景。

随着技术的不断进步，本系统应用前景非常广阔，主要表现在：

（1）传感电子标签可以增补传感信息种类，如心率、呼吸与血压监测信息，进一步提高系统实用价值；

（2）改用有源或者半有源供电方式，进一步拓展传感信息传输距离。

相信生命体征信息采集与监控将在未来智能化战场快速救护领域发挥越来越重要的技术支撑作用。

1 解决的主要问题

本设计主要实现在恶劣战场环境中，后方指挥所通过监控受伤战士配戴的监护系统自动报警发出的求救信号，获取伤员的精确坐标和生命体征信息，实现有战士受伤就能立刻展开救护工作，实现伤情传递由“人工报告”向“无线传输”转变，实现伤情采集由“人工采集”向“数字监测”转变，实现伤员搜救由“概略搜寻”向“精准定位”转变，实现后方指挥中心及时掌控前线兵力情况，为作战部署与伤员抢救提供重要依据。

2 功能设计

本设计是一套用于提高战场即时救护水平、集远程生命体征实时监护与定位于一体的前线单兵生命体征采集与监控系统。该系统的设计功能与目的主要包括以下几个方面：

（1）实时定位我方作战单兵位置信息；

（2）实时监护管理作战单兵生命体征信息，本次项目主要监护单兵体温；

（3）发现任何体征信息不正常立刻告警提示，本项目中体温过高过低信息均会告警。

为此，本系统主要包括3 部分子功能模块，具体为实时测温子模块、传感信息中继转发子模块和上位机实时显示与告警程序模块。系统整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构与功能

2.1 实时测温子模块

该模块是整个传感监护系统的底层，采用无源无线半导体测温芯片测温。基于该测温芯片自制一款无源电子标签，测温电子标签与测温读写器之间采用超高频RFID 技术完成测温读温。

2.2 传感信息中继转发子模块

前线单兵的体温信息需要实时传输给后方监控，系统选用了战术电台作为信息传输中继。所以，本子模块功能主要是完成读温信息从读温器到电台的中继转发控制。设计中选用STM32 ARM 芯片控制传感信息和北斗定位信息的上传与转发。

2.3 上位机实时显示与告警程序模块

后方指挥所采用电脑终端实时监控前线单兵体征与位置信息，所以系统第三部分为上位机显示告警程序模块。采用Qt 框架设计编写了一套程序，专门用于显示战士体温与地理位置信息，便于后方实时监控并组织救援。

3 技术架构

本系统采用物联网技术架构如表1 所示，主要包含4 层架构。感知层由半导体温度传感器和北斗定位模块构成，传输层由超高频射频识别无线传输和RS485 有线传输组成，控制层主要基于计算机与ARM STM32 模块构成，软件采用Qt 环境设计编程。

表1 技术架构

4 系统架构

本系统架构如图2 所示。

系统由4 部分组成：第1 部分为无线测温手环，用来实时采集体温信息；第2 部分为传感信息中继转发模块，将无线手环体温信息实时转发给战术电台；第3 部分为前线与后方通信电台，借助电台将体征信息传输给后方基地；第4 部分为后方基地显示告警程序，实时显示监控前方士兵体征信息。

图2 系统架构

4.1 无线测温手环

无线测温手环佩戴在单兵手上，用来测量单兵体温。测温电子手环如图3 所示，标签性能如表2所示，并对其进行了灵敏度仿真，结果如图4 所示。

图3 测温电子手环

表2 标签性能

4.2 利用单片机实现温度信息的实时中继转发

基于STM32 开发RFID 读温器至战术电台信息中继模块，实现体温信息借助电台实时向后方传送，中继过程如图5 所示。

图4 灵敏度

图5 温度信息实时中继转发过程

4.2.1 RFID 读温器

根据需求自主设计连接读写器的通信接口电路，核心控制器件为STM32 芯片。通信接口电路通过TTL 串口与读写器通信，实现命令发送、温度数据接收。通过RS485 与数传模块通信，实现命令接收和温度数据的转发。图6 为通信接口电路板的实物图。

图6 实物

读写器核心器件R2000 芯片采用载波消除技术，读取速度更快，集数据接收、解调、基带信号处理、传送功能于一体，相位噪声更低。另外，外围电路应用TD301D485H 集成隔离电源，使输入输出隔离，能够有效抑制电路干扰对RS485 总线的影响。

4.2.2 战术电台信息中继模块

温度数据和定位数据分别通过串口通信汇集中继模块，再通过串口与数传模块通信（鉴于保密原因，本项目暂时选用一对433 MHz 数传收发模块代替军用战术电台作为信息中继）。数传模块之间以无线方式通信，接收端以串口方式送入计算机。总体实物图如图7 所示。

图7 中继模块与数传电路实物

4.3 后方基地终端实时显示监控前线单兵生命体征信息

上位机主要由登录界面、注册界面、主界面、实时温度监控界面以及定位系统界面5 部分组成。

通过串口通信给下位机发送一个获取温度的信号，从而接收从下位机温度读写器发送过来的数据流并进行解析，读取出温度数据，实现温度的实时读取。同时，根据温度数据绘制出动态变化的曲线，根据曲线的波动变化预测人员安全情况。

在定位系统中主要有北斗数据解析和地图显示两部分，可以接收北斗数据并解析出经纬度信息。

温度监控界面和温度报警界面分别如图8 和图9 所示。选择定位系统后，界面如图10 所示，可实时定位人员位置信息。

图8 温度监控界面

图9 温度报警界面

图10 定位显示界面

5 结语

由此可见，此系统可以加强对执行任务人员体征信息的掌控，为更及时的救援提供条件。鉴于目前市场上暂时没有无源无线测试血压、呼吸以及心率等体征信息的芯片，所以本次项目设计仅仅以体温信息监控作为无源无线战场体征信息测试的一个特殊案例，后续将进一步寻找无源测试更多体征信息的技术方案。