基于北斗和LoRa 的胸带式搜救系统设计与实现

刘 硕，彭 博，李 吉，贺 祯

（军事科学院军事医学研究院卫生勤务与血液研究所，北京100039）

0 引言

近几年来，各国都在大力研制适应未来战争的可穿戴式智能监测士兵生理状态的单兵搜救装备，其中最完备的是美军的基于采集、传输、存储、分析士兵体温、脉搏、血压、呼吸、承受压力、睡眠情况、身体姿势等数据的单兵生理状态监测器（warfighter physiological status monitor，WPSM）[1]。我军近10 a 单兵穿戴式搜救装备以军人标识牌有源副牌[2]为发展主体，各单位相关科研成果显著。产品形态上有连平等[3]设计的腕表式、吴宝明等[4]设计的头戴式、秦秀真等[5]设计的胸带式等；监测的体征包括心率、体温、呼吸、血氧等；通信定位技术包括全球定位系统（global positioning system，GPS）、北斗[6]、自组网[3]、ZigBee[7]、射频识别（radio frequency identification，RFID）、超宽带（ultra wide band，UWB）[8]等技术。但这类装备主要有以下几点不足：一是通过采集光电容积脉搏波信号计算心率的方法不准确，易受战时环境影响；二是受当时芯片等组件落后等因素影响，配套装备体积大，便携性差；三是通信方式单一、通联不稳定，应用评价不高。本文针对以上研究的缺点，设计基于北斗和LoRa 的胸带式搜救系统。

1 需求分析与前期论证

现代战争以非线性、全维空间进行为特点在前线和后方同时展开，作战手段更加精确、作战距离不断延伸、作战空间不断拓展，伤员空间分布趋于总体分散、局部集中、多点发生的态势[9]。加之近年来实战化训练和应急医学救援的迅速发展，伤员生命态势实时感知能力成为现代卫勤保障的重要手段，亟须更高标准地实现伤员自主感知与精准搜救，这对单兵穿戴式搜救装备的系统性研发提出迫切需求。

本研究围绕生命采集终端形态、卫星定位技术、无线通信技术3 个核心理论节点展开搜救系统的论证研发。

1.1 生命采集终端形态——胸带式

经多次专家咨询论证，生命采集终端设计为胸带式形态贴身佩戴，并集成多种传感器元件采集生命状态。腕表式和头戴式由于外露于体表而在战场中易受撞击或火器燃烧等因素损坏，且腕表式光电脉搏波技术通过动脉血液对光的吸收量随动脉搏动变化的原理测量心率，在受伤时红色血液流经手腕处的情况或者上肢出血大臂加压包扎导致桡动脉搏动减弱时都会影响测量准确性。而胸带式设计避免了以上不足，监测心电信号更精准且稳定；将体温传感器置于胸带贴近腋窝的位置，测量结果更接近体核温度。此外由于躯干活动度小，陀螺仪传感器位于胸部将最准确测量体态信息。

1.2 卫星定位技术——北斗二代

北斗二代卫星导航定位系统是我国2013 年起自行研制、自主控制的卫星定位导航系统，具备全球范围连续被动式定位、导航和授时等服务能力[10]。其短报文通信服务功能区别于其他卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo 等），允许用户与用户、用户与地面控制中心之间进行双向数据传输，双向数据通信的信息长度为：一般用户一次可传输40 个汉字（80 B）[10]。其适用于飞行人员或特战队员等在超远距离受伤的情况，报警后通过北斗将定位信息和生命体征数据打包传输至后方，同时指挥员可以返回给伤员是否已救援的信息。

1.3 低功耗、远距离无线通信技术——LoRa

LoRa 由Semtech 公司在2013 年发布，是一种基于线性调频扩频调制技术的低功耗、远距离无线通信技术，相比其他无线射频技术具有更低功耗、长距离、高容量的特性，NwkSKey 和AppSKey 2 种密钥保证了LoRa 在网络层和应用层的高安全性，且高时间带宽积可以保证无线电信号的抗干扰性[11]。因此LoRa 在战场前线单兵感知技术手段方面具有巨大应用价值，可拓展与战术信息系统等异构网络的互联互通能力，实现较大范围批量伤员数据的实时收集与共享，从而满足战场前线伤员预警识别、搜索定位、急救分类的需求。

2 搜救系统设计

搜救系统主要由单兵监测终端、搜救端和指挥端工作站组成。单兵监测终端包括胸带式生命采集终端和随身通信器2 个部分，可实时动态监测伤员的心率、呼吸、体温、体位、落水和位置信息等生命状态数据并传至后方，指挥端工作站接收伤员时间序列数据进行可视化处理和分析，搜救人员持搜救手持终端根据伤员定位与伤势信息实施搜救，达到伤员生命信息采集、传输、处理、共享、预警预测等目标，实现快速定位、辅助搜救、伤情预判、态势掌控等功能，并自动生成全域战场批量伤员时空分布信息，实时感知伤员流信息以指挥、优化卫勤力量配置。本系统总体设计架构如图1 所示。

图1 搜救系统总体设计架构

2.1 基础设施层

基础设施层基于硬件资源、网络资源、计算机资源建设，是整个系统运行和用户访问的基础[12]。基础设施层由胸带式生命采集终端、随身通信器、搜救端和指挥端工作站三大部分组成，为系统运行提供安全、稳定、可持续的基础支撑保障。

2.1.1 胸带式生命采集终端

胸带式生命采集终端主要是以弹力胸带形式佩戴于前胸，通过集成多种传感器采集人体的心率、体温、呼吸、运动状态和是否落水、烧伤等信息，再通过蓝牙将信息传至与之配对的随身通信器，如图2所示。

规划指标核实计算是对建设工程的各类技术及经济指标的计算，包含：核实建设用地红线、建筑位置、建筑间距、室外地面标高、建筑物退让用地界限、道路红线、绿线、河道蓝线、高压走廊等距离；核实各建筑单体的平面位置、层数及层高、建筑高度等；配套工程中的绿地面积、停车场规模和位置及配套的公共服务设施是否按照规划许可内容进行了建设。核实的主要指标是建筑面积、高度、容积率、绿地率、间距等。

2.1.2 随身通信器

图2 胸带式生命采集终端设计图

随身通信器将国内领先的北斗二代小型低功耗芯片和LoRa 芯片集成为卡片式设计，可多样化佩戴于腰带处、臂章处或头盔侧方等，其工作原理是：通过蓝牙实时接收胸带式生命采集终端测得的数据，利用北斗芯片进行定位，再经微控制单元（microcontroller unit，MCU）分析处理后将数据通过LoRa 或者BDM900 北斗短报文上传至工作站。随声通信器设计图如图3 所示。

图3 随身通信器设计图

2.1.3 工作站

工作站分为指挥端工作站和搜救端工作站，设计图如图4 所示。指挥端工作站由专用便携式计算机及通信基站构成，本应用场景中初步设计指挥端工作站与服务器一体位于后方指挥中心，实现信息收发、处理、分析、可视化等功能。搜救端工作站由手持式搜救终端及LoRa 基站构成，在LoRa 有效通信距离内可与随身通信器直接建立连接。

图4 工作站设计图

2.2 数据采集层

数据采集层通过多个传感器采集伤员生命状态数据。本系统在胸带式生命采集终端上集成了心率（电）传感器、温度传感器、呼吸传感器、六轴陀螺仪、落水电极等（如图5 所示），以实时获取伤员心率、心电、体温、呼吸频率、体位、落水等生命状态信息，并实时上传至随身通信器。

图5 数据采集层结构组成图

2.3 数据传输层

图6 数据传输层组成图

数据传输层通过与数据采集层和数据处理层的上下连接，经过各级通信网络进行信息传输。经科学论证，选择由蓝牙、北斗二代、LoRa 组成本系统的数据传输层（如图6 所示），从而保证网络安全、稳定、可靠。首先，胸带式生命采集终端监测的生命体态数据通过蓝牙以1 次/s 频率传输至随身通信器，正常生命状态下随身通信器以1 次/10 min 进行北斗传输、1 次/min 进行LoRa 传输；主动或自动报警后，随身通信器即时将伤员生命状态信息先通过北斗卫星通信短报文技术传输至指挥端工作站，在有效距离内再通过LoRa 传输至搜救端工作站；指挥端工作站也将特定搜救信息通过北斗分发至搜救端工作站。

2.4 数据处理层

数据处理层包含单兵端数据处理和指挥端数据处理2 个层面，如图7 所示。

图7 数据处理层组成图

指挥端数据处理依托工作站服务器CPU 执行，主要作用是将报警后传输到服务器的批量伤员生命状态相关的时间序列和位置信息数据进行以下3 种分析处理：一是生命数据挖掘，将带有时间戳的数据绘制成时间序列图，并分析挖掘其特有的伤情自主预警信息；二是伤情转归预测，对历史批量数据进行清洗、学习和训练，选择基于多因素回归模型或神经网络模型等方法，优化、构建伤情风险评估及预后模型，对伤后致命并发症和死亡风险进行预警预测；三是定位信息可视化，通过地理信息系统（geographic information system，GIS）对批量伤员进行定位和时空分布标记，实时感知伤员流信息。

图8 上报生命状态数据流程图

2.5 应用服务层

应用服务层结合了项目需求和用户需求来建设系统应用（如图9 所示），面向指挥员、搜救人员等用户，提供以下3 类共5 项应用服务功能：（1）伤情预判功能：一是伤员生命状态可视化功能，将伤员按照伤势分类为紧急处置、优先处置、常规处置、期待处置，分别标记为红色、黄色、蓝色、黑色，并为后续多种应用服务提供基础；二是基于时间序列数据机器学习的伤情自主预警与转归预测功能，实现失血性休克、气道梗阻、张力性气胸的风险预警预测等。（2）快速定位功能：一是在GIS 上标记批量伤员定位信息；二是标记同一伤员在连续时间内的定位信息形成运动轨迹图，根据地图信息智能化构建后送导航路线。（3）前后方信息交互功能，确保在适宜营救条件下成功营救伤员。此三类功能主要集中于研发的桌面应用软件中，由登录界面、实时监测界面、预警预测界面和人员管理界面等组成。以图10 所示的界面为例，左上方为实时统计数据，包括伤员人数、监测总人数、北斗连接数、LoRa 连接数；中央为雷达监测图，用于以不同颜色显示伤员与工作站的方位；右侧为伤员报警生命状态一览表，可通过不同伤情等级对伤员进行筛选。

图9 应用服务层组成图

2.6 用户操作层

用户操作层的使用对象主要为指挥员、搜救人员和伤员。本系统为各级用户设计了易于使用的人机交互界面和操作模式，有以下几项应用场景：

（1）伤员主动或系统自动报警。随身通信器装有防误触设计的报警按键，伤员受伤后可自行按下报警键主动报警；伤员受伤昏迷时，系统将通过内置算法自主判定生命异常状态，自动触发报警。

（2）伤员与指挥员信息交互。指挥员收到报

警信息后，通过北斗返回信号使随身通信器指

示灯变色且闪烁表示“确认收到”；当伤员被俘或身处险境不宜被救时，可长按2 次随身通信器报警按键，将拒绝救援信息传至后方，指挥员可设置“通信静默”模式。

图10 应用服务层软件部分界面

（3）指挥员掌控减员态势。卫勤指挥员根据伤员可视化定位和伤情等态势信息，指挥建制卫生力量对重伤员集中区域重点搜救；根据伤员运动轨迹图，实时感知伤员流信息，指挥机动卫勤力量和卫生运力向后送路线交汇点转移配置，为指挥员提供决策支持。

（4）辅助卫生人员搜救伤员。卫生人员根据搜救端工作站显示卫星定位信息向伤员集中地靠拢，当进入LoRa 通信有效距离后搜救端工作站与随身通信器建立连接，实时获取伤员生命状态信息，根据伤情先重后轻的顺序有序实施搜救，并在火线外通过搜救端工作站将电子伤票信息填写完整，通过北斗传输至指挥端工作站。

3 性能测试

本系统已完成样机的设计与实现，正在开发模具取得国家相关标准认证，内部测试主要结果如下：

（1）生理参数监测稳定。实验人员穿戴本系统单兵监测终端，测定剧烈运动后报警的心率和呼吸数据，通过与传统方式真实测量值对比，结果无差异，但测量体温值比真实值偏低，正在通过收集更多数据建立校正模型予以解决。另外通过模拟不同体位、跌落及落水场景，均可准确监测到体位、跌落和落水数据。

（2）北斗信号不够稳定。将随身通信器与基站放置在同一位置，进行系统内北斗定位水平相对位置精度测试，测试结果为相对精度可达5 m 以内。在华北城市测试时，存在北斗信号“南强、北弱”的现象，后续将调整天线型号和方向角度并在不同场景下进一步调试。

（3）LoRa 通联较稳定、可靠。调整随身通信器与基站天线角度，保证视距内通信无干扰情况下，分别测试60 min 内在视距为900、1 000、1 100 m 时的数据通信成功率，其中900 m 时可达到100%，1 000 m时为95%以上，1 100 m 时低于10%。后续将在丛林、高原、海上等不同环境下完善通信性能参数，并验证复杂电磁环境下的稳定性与保密性。

4 讨论

4.1 佩戴舒适性有待提升

在应用测试中胸带式生命采集终端的舒适性评价暂没有腕表式高，但其心电测量技术相比光电容积脉搏波技术在测量心率等指标的精准性、稳定性方面具有较大优势。对部队调研过程中92.7%的人员表示，在作战时间24 h 内的情况下，相比舒适性更注重精准性和稳定性，以确保受伤后生命安全。未来将研究石墨烯等材料的柔性传感器和专业人体工学设计的电子织物[13]集成于胸带以提升舒适性。

4.2 监测需更精准多样化

本设计原计划加入手环模块，通过光电容积脉搏波信号与胸部心电信号结合计算脉搏传输时间的算法来推算血压值[14]，但实验后暂未能较好地解决时间同步性等问题，计算的血压值与实际值偏差较大，因此未来研究将重点攻克血压测量精准性。随着各类传感器元件发展迭代不断加快，现有技术精准性、可行性和适用性还有很大创新潜力。此外，通过监测数据建立的伤情预警与转归预测模型还有待系统科学论证。

4.3 创新传输模式前伸阶梯

本系统应用的“先北斗再LoRa”模式创新了传统搜救通信方式，避免了当前“先局域网（自组网）再广域网（GPS/北斗）”的严格阶梯性数据链导致的延时性和复杂电磁环境下的不可靠性，为后方指挥员第一时间感知减员态势做出决策指挥提供了有力支撑[15]。但当前LoRa 芯片牢牢掌握在美国Semtech 公司，存在战时无法保障技术可控性和数据绝对安全的缺点，未来亟须国内自主研发替代芯片。

5 结语

本文设计的基于北斗和LoRa 的胸带式搜救系统测试结果良好，有效提升了伤员自主感知能力，可初步实现精准搜救。在深入拓展信息化、逐步进入智能化作战的今天，随着生命体征采集传感器芯片和电池性能的不断发展完善，北斗二号、三号、天通等卫星通信技术的研发迭代，无人机、物联网、大数据技术引发的无人化和智能化革命浪潮，穿戴式单兵搜救系统将逐步创新、完善，实现战场伤员态势实时智能感知，为未来战场联合搜救智能化卫勤指挥保障奠定基础。