基于LabVIEW 的地震救援队员自身安全系统的设计

熊 杰，魏 勇，李雨华，林志荣

（1.黄冈师范学院 物理与电信学院，湖北 黄冈 438000；2.长江大学，湖北 荆州 434023）

0 引 言

地震给人类的生命财产造成了巨大威胁，而地震紧急救援成为挽救人类生命财产的关键[1-2]。而在大地震后的救援行动中反映出了救援队员自身安全装备的缺失：无法提供救援队员的位置信息和生理信息；无法动态显示救援队员的定位信息[3]。而在众多文献中大多讨论的是对救援设备的研究。如文献[4]提出了地震紧急救援通信系统的方案，文献[5]是对救援机器人的研究，文献[3]是论述救援训练及救援方法的思考。然而在地震救援中，救援队员自身安全装备提升的文献较少。其中文献[3]对地震救援队员自身安全系统进行研究，采用CDMA 通信技术，然而当发生大地震时考虑到移动基站可能被损坏，导致该设备不能较好的通信。文献[6]仅仅讨论对救援队员体温进行快速检测的方法。

为了重点解决上述问题，以及更好地保护地震救援队员人身安全，本文提出了一种基于LabVIEW 的救援队员定位装置，系统包括用户端和监控中心端。用户端由救援队员佩戴，监控中心端位于临时监控中心，通过LabVIEW 能够实时监测救援队员的信息。系统用户终端采用STM32 作为主控制器，能够获取GPS 信息和地震救援队员自身脉搏等信息，通过无线LoRa技术传输至监控中心，监控中心通过LabVIEW 编写的软件能够在地图上实时显示用户的定位信息，当用户遇到危险或体征信息不在正常范围时，监控中心通过软件能够显示报警。

该系统可实现救援人员自身安全保护及位置定位，并能实时上传至监控中心，因此能大大地提高救援人员的工作信心，同时又可以减少国家财产的损失。因此，设计一种能够定位救援队员经纬度及身体信息的装置是必要和有价值的。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体设计

基于LabVIEW 的救援队员安全系统的总体设计框图如图1 所示，系统主要包括用户端、监控端两部分。用户端由救援队员佩戴，主要由主控制芯片、显示模块、无线LoRa 模块、GPS 定位模块、按键、脉搏检测电路等部分组成。STM32 单片机为该系统的主控制芯片；GPS定位模块主要实现GPS 信号的获取；体温脉搏检测电路用于检测队员生命特征；显示模块用于显示时间、GPS的经纬度和脉搏信息；按键用于救援人员进行报警；无线模块用于救援队员将数据信息发送给监控中心。

监控中心端由无线LoRa 模块和PC 机组成，无线LoRa 模块接收救援队员端传输的队员信息。在PC 机中使用LabVIEW 进行上位机软件设计，通过串口与无线LoRa 模块进行通信，从而能够在界面中显示救援队员的位置信息。当救援队员端按下报警按键或者生命体征不在正常范围内时，LabVIEW 界面中会显示报警。

1.2 主控模块

在本设计中，选用的控制芯片需要与GPS 模块通信获取定位信息，与无线LoRa 模块进行无线通信，而以上两种模块均采用串口透传方式进行通信，且该系统中采用SPI 总线通信的OLED 显示模块进行数据显示。由于所需I/O 口较多，在硬件中需要使用SPI 总线，并且需要2 个串口与GPS 模块和无线LoRa 模块进行串口通信，选择STM32F103ZET6 作为该系统的主控芯片，该芯片包括 112 个通用 I/O 口，3 路共 16 通道的 12 位 A/D 输入，6 个定时器和 3 路 SPI 硬件总线，5 路 USART 串口。该控制器可以不需要外接芯片即可对GPS 模块、无线LoRa模块、OLED 显示模块和体温脉搏检测电路进行控制。

图1 救援队员定位系统设计框图

1.3 GPS 模块

本系统中GPS 采用ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模块，其是一款高性能GPS/北斗双模定位模块，如图2 所示。该模块特点包括：模块选用S1216F8-BD 模组；可通过串口与单片机进行通信；定位准确[7-9]。

该模块各参数如表1 所示。

表1 模块基本特性

STM32F103ZET6 有 3 个单独的 USART 串口，在与GPS 通信中，采用USART2，其与GPS 模块连接示意图如图2 所示，STM32 与GPS 模块硬件连接接口如图3 所示。

1.4 OLED 显示模块

该系统显示模块选用广州星翼电子科技有限公司推出的ATK-0.96 OLED 模块。该模块分辨率为128×64 Pixel，支持多种接口方式，包括 I2C 接口、串行 SPI 接口、8 位 6800 并口、8 位 8080 并口[9-10]。本系统采用 4 线制SPI 接口方式，该接口需要4 根信号线，即片选信号CS、复位信号RES、命令数据标志DC、串行时钟线D0 和D1。OLED 与STM32 硬件连接如图4 所示。本系统可显示时间、经度、纬度及脉搏信息。

图2 GPS 模块

图3 STM32 与GPS 硬件接口示意图

图4 STM32 与OLED 硬件接口示意图

1.5 无线LoRa 模块

该系统无线LoRa 模块选用基于SX1278 扩频技术的无线模块，如图5 所示，该模块是由美国升特司（Semtech）公司研制的新型基于啁啾扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）[11-12]。SX1276/8 系列芯片可视通信距离达20 km，复杂环境下通信也可达3 km，灵敏度可达-140 dBm。SX1278 在组网中采用简单的星型拓扑结构，能够较容易实现自组网。

图5 无线LoRa 模块

该系统组网包括一个集中器和多个节点，如图6 所示。监控中心端为LoRa集中器，每个用户端均包含一个LoRa 节点，集中器采用侦听模式，其连接所有节点并侦听节点数据。设备数据使用LoRa 应用层Payload 容器承载，该Payload 容器最大可为128 B。按照预先定义的格式将设备数据装入Payload，本系统中为用户标识姓名，该标识与节点LoRa 设备的网内ID 相同。

图6 LoRa 组网示意图

在本系统中，采用一主多从模式，即监控中心为主机，多个救援队员端为从机，如图7 所示，为一个节点中STM32 与LoRa 模块的硬件连接。

图7 STM32 与LoRa 模块硬件连接

1.6 脉搏检测电路

传统的脉搏测量方法主要有三种：从心电信号中提取；从测量血压时压力传感器测到的波动计算脉率；光电容积法[13]。容积法是一种针对人体组织中脉搏信号的无创检测方法，使用时，将传感器固定在被测者的腕部检测脉搏信号，获取具有谐波特性的腕部脉搏波[14]。

本系统选用pulse sensor 脉搏传感器模块，如图8 所示。该模块是一个集成脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块，可应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕处。

图8 pulse sensor 脉搏传感器及测试显示

由于该传感器模块输出信号电压较小，脉搏信号的频带一般在0.05～200 Hz 之间，信号幅度很小，在传感器后面使用低通滤波器和运算放大器，将信号放大，使放大后的信号可以很好地被STM32 单片机的A/D 采集到。

2 系统软件设计

2.1 用户终端软件设计

用户终端系统软件设计的主流程图如图9 所示。首先进行系统初始化，包括：定时器、串口、OLED、GPS、LoRa 模块初始化等；其次通过STM32 单片机采集pulse sensor 脉搏数据和GPS 模块经纬度信息，并通过SPI 总线对OLED 显示屏进行显示。显示内容包括：时间、脉搏、经度和纬度。每个用户间隔10 min 会主动向监控中心发送用户信息及GPS 定位信息。当按下报警按键或采集的脉搏数据不在正常范围时，STM32 通过串口控制无线LoRa 模块向监控中心发送数据。

图9 用户终端主流程图

2.2 监测中心软件设计

监控中心采用LabVIEW 软件，LabVIEW 是一款普适性较高的标准仪器控制和数据采集软件，作为NI 公司主推的虚拟仪器开发平台，已经成为业界广泛应用的软件开发环境[15-16]。在监控端中PC 机与LoRa 模块进行通信，LabVIEW 软件通过串口控件获取LoRa 的数据，并进行显示。监控端软件流程图如图10 所示。

3 测试与分析

3.1 GPS 显示功能测试

通过本次实验可知，在救援人员救援过程中，用户端可以实时显示时间、救援人员的脉搏和GPS 位置信息。当救援人员感到身体异常时，可按下报警按键，该装置通过无线LoRa 模块把求救信号发送给监控中心；除此之外，该装置检测到不正常的脉搏频率时，自动触发报警装置，也可以将用户端的用户信息和GPS 定位信息发送给监控中心。在GPS调试部分，从图11可以看到，当接线正确，程序下载成功后，OLED上可以显示时间、脉搏、经纬度等信息。该救援装置显示的经纬度为：北纬30.450 23°,东经 114.921 64°，而实际通过手机 GPS 工具得到的经纬度为：北纬 30.450 254°、东经 114.921 67°，如图12 所示。

图10 监控端软件流程图

图11 用户端OLED 数据显示

图12 手机GPS 工具箱测试信息

通过计算两点之间的距离可知，它们的误差为0.004 km，计算结果如图13 所示。

图13 两点距离计算

3.2 LabVIEW 上位机信息显示

上位机软件用LabVIEW 编写，该界面主要显示用户编号及对应的经度和纬度信息，并通过报警指示灯显示是否处理报警状态。上位机LabVIEW前面板如图14所示。

图14 上位机LabVIEW 前面板

图14 中，序号为用户编号，文中测试了3 个用户，显示包括用户的经度、纬度和报警信息，其中0 为正常、1 为报警，并用报警指示灯进行显示。在测试数据中序号1，3 显示正常，序号2 报警指示灯点亮，显示非正常状态，提醒监控人员注意。

LabVIEW 程序框图如图15 所示。

图15 上位机LabVIEW 程序框图

4 结 语

该系统包括用户端与监控端两部分，用户端以STM32 系列微处理器作为主控芯片，基于无线LoRa 技术与串口技术，设计实现了救援队员终端装置显示GPS定位信息和自身脉搏信息，并能进行按键报警。在监控端，通过PC 的上位机软件LabVIEW 实现读取LoRa 模块数据，并在界面上显示用户信息以及对应的GPS 信息，通过指示灯能监测该用户脉搏是否正常，本文对救援队员自身安全系统提供了一种可行性方案。

救援队员自身安全系统是一种能够增强救援队员信心、保障队员安全的系统，在队员有危险时能够在监控中心显示，监控中心能够迅速地组织周围队员进行救助，是加强地震救援队员自身安全保障的有力装备。

救援队员自身安全系统是一个非常大的系统，在系统功能方面可拓展的地方和需要探究的地方还很多。由于LoRa 技术自身特点，在有限的频率范围内如果用户越多，系统的反应时间越慢。下一步工作将会使用LabVIEW 与地图技术相结合，确保监控中心能够在地图中实时显示救援队员定位信息。

注：本文通讯作者为魏勇。