消防员生理参数采集与处理系统设计
2021-12-23梁梦杰魏剑鹏李驰原
梁梦杰 魏剑鹏 李驰原
摘要：近年来我国重大火灾及自然灾害时有发生，消防员在执行长时间灭火救援及应急处置任务时，由于自身体能严重消耗，无法做出正确的风险判断及时避险和撤离现场，导致个人安全受到极大威胁。文章基于软件开发平台QtCreator5.80，设计出一套针对消防员生理信号参数采集与处理系统。通过对体温、脉搏、血压等生理信号参数的检测和分析，帮助消防员及指挥员更好的监测消防员的身体状况，减少因疲劳作战而造成的伤亡情况。本系统具有低成本、实用性强、跨平台等特点，能为消防员长时间作战训练提供安全保障与支持。
关键词：消防;生理信号;Qt;监测
据有关文献统计，2000年至2017年，全国消防员牺牲共260人，受伤2549人;而2018年至2020年仅3年间，全国就有58名消防员牺牲。所以在全灾种大应急的时代背景下，对参与灭火救援及应急处置任务的消防员进行生理监测显得尤为重要。指挥中心可以根据每位消防员的生理情况合理布置任务，降低消防员的伤亡，消防员也可根据预警及时避险。
呼吸、体温、脉搏、血压是医学上称为的四大生命体征，本文主要针对消防员体温、血压及脉搏信号进行检测，研究消防员在作战时生命体征情况。本设计基于现有生理参数监护系统的设计经验，在对体温、血压及脉搏信号的特征点采集处理及监测进行了相关设计，为指挥中心确保消防救援人员生命安全，做出合理决策及部署提供重要参考。
1 消防员作战生理参数
1.1 体温
人体正常体温为36.2～37.2℃，超过37.2℃就可以确证为发烧。37.4～38℃为低热，38.1～39℃为中等发热，39.1～41℃为高热，41℃以上为超高热。消防员在作战过程中处于精神高度集中状态，全身新陈代谢明显加快，加之所穿战斗服保温效果极好，所以此时人体的体温会明显上升。若执行灭火救援任务，火场温度有时能达到上千摄氏度，若长期处于这种环境消防员将会由于体温过高而休克[1]。
1.2 血压
根据最新公布的2017版美国血压指南，人体正常血压为90～120/60～80mmHg，高血压标准定义为≥130/80mmHg。消防员会因现场情况血压有小幅度的波动，但是消防员面对重大灾害现场时经常会长时间的处于高压状况下，这时容易出现机体疲劳情况，心脏也会持续处于输出率情况。若消防员的收缩压超过210mmHg或者舒张压超过100mmHg，达到极限运动状态时，应及时撤离现场进行休息。
1.3 脉搏
正常人的脉搏跳动次数为60～100次/分钟。消防员在执行灭火作战及抢险救援任务时，将长时间处于快速新陈代谢情形，在此过程中消防员身体会进行有氧代谢运动和无氧代谢运动过程。当脉搏速率超过196次·min-1时已经进入无氧代谢运动阶段[2]，若长时间处于这种情况消防员将会出现眩晕情况，应及时撤离现场。
1.4 呼吸
正常成人呼吸频率为每分钟12～20次，每分钟的呼吸次数、呼吸频率随年龄、性别和生理状态而异。消防员作战时，若呼吸频率长时间高于50次·min-1将达到人体疲劳呼吸频率下限，此刻应及时撤离现场。
2 硬件采集设计
由傳感器收集的消防员生理信号首先被发送到A / D转换模块以进行适当的调节和放大，然后转换为数字信号。然后通过SPI接口送入STM32单片机进行平滑滤波后，交由上位机处理显示。原理图如图所示。
通过MCU采集信号，并将整理后的数据流通过串口上传到PC终端，并由上位机进行数据处理和图形绘制。MCU程序包括三个部分：“设备初始化，数据接收和处理”，流程图如图所示。
3 关键算法设计与实现
3.1 滑动平均滤波法
滑动平均滤波算法可以减少和消除干扰的不利影响。它可以作为噪声消除的低通滤波器，也可以作为高频信号产生的基线漂移的高通滤波器。在这种方法中，N个连续数据作为一个队列和一个固定长度的N，然后每次新数据被收集并放置在队列的最后，删除数据队列的队首数据，类似于窗口运动，算术平均的N数据。其中是要处理的序列，是滤波后的序列[3]。
3.2 脉搏计算算法
脉搏可以通过计算波峰或波谷之间的距离而得到脉搏，具体步骤为采集一段序列，通过查找最大值和最小值从而记录波形中峰值或谷值的位置，然后记录最大位置计算两个最值之间的时间间隔，即可求出脉搏[4]，如公式1所示：
计算脉搏的需要得到波峰之间的时间间距，所以经研究分析，利用峰值法可以进行QRS波群的检测，其实质上是根据脉搏信号的典型时域特征图分析出R波振幅大，斜率大，波形较陡。通过计算脉搏信号与时间的倒数来确定R波的位置，从而得到斜率的变化。该方法实现相对简单，计算速度快，且设计要求实时性高，软件实现相对容易，因此本设计选择峰值法检测QRS波群[5]。
由于脉搏信号的R波斜率大，幅度值最大，所以可以得到脉搏信号的导数值来确定导数前后的变化，然后依据实验设置阈值为导数最大值的N倍数，而且由于R波在心电的一阶差分信号中都表现为过零点，所以利用R波的导数过零点的特点与导数值大于阈值相结合的算法来检测R波，可以突出波的上升速率变化快的部位，进行精确定位，设脉搏信号为y（n），n=1，2，3…k，k为信号的长度，其一阶差分公式为：
上式中：为脉搏信号序列y（n+1），y（n+2），y（n-2），y（n-1），均为y（n）的移位序列。如图所示，检测到的R波如图3所示
3.3 血压计算算法
血压的高低是通过收缩压和舒张压判断，波形特征是最基本的血压测量方法，分析波形，确定波形对收缩压、舒张压处的特异性，进而确定血压。通过研究改进示波法的计算方法[6]，结合幅度系数法[7]和比值法测定血压值。综合采用微分比法和振幅系数法，提出了系统的微分比法。
4 系统软件设计与实现
系统软件的设计与实现，其中包括数据传输模块，数据分析模块，信号处理模块，显示模块的设计与实现。系统采用Qt5.8开发[8]，程序设计流程图如图4所示。
4.1 数据传输模块
单片机将采集到的传感器数据通过串口发送至上位机，上位机接收到数据后，通过各个模块进行后续的处理和运算。通用异步收发传输器[9]（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UART。UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。传输模块设计可分为三层，包括物理层、协议层、数据应用层如图5所示。
4.2 数据分析模块
由于单片机在发送过程中，为了数据传输的准确性，单片机会将ADC转换完成后的16位数据拆分成两个8为数据[10]，并添加了相关的帧头帧尾进行发送，而当上位机接收到数据后，需要根据数据当中特殊位对这串数据进行检验，检验帧头帧尾信息以及校验位，查看是否正确传输，并将8位数据重新组合成16位数据。具体数据接收流程图如图6所示
4.3 数据处理模块
将从数据分析模块发送过来的在处理模块mydataoperation类中的处理函数dataOperationStart（）函数开始处理，函数中分为脉搏、血压以及体温算法计算，同时由于mydataoperation从mydatanaysis中接受的数据所代表的生理参数不同，所以需要设置类型为QList
5 测试结果与分析
首先需要进行算法的测试，在开始测试之前首先应该检查各测试模块接触是否良好，在确认接触无误后可以进行测试。图7是数据处理后所得结果，原始的信号能够很好把各个特征点显示出来，由于算法的原因，在處理血压数据时，不能很好的采集到平均压，同时由于仍然受幅度法的限制，致使显示的时候，会出现偏差，这是后期需要解决的问题。
Qt跨平台功能减轻了开发者再次开发的成本，一次编辑就可在多系统平台运行，本次设计正是基于Qt强大的跨平台，使得该应用程序不用二次开发。通过调试发现，软件整体功能已完善，能根据采集到的数据显示相应的生理参数和波形。
6 结语
本文设计并实现了一个用于消防员生理参数检测与处理的数据处理系统，整个系统的结构分为上位机和下位机。数据处理系统是生理参数检测与处理系统的上位机，实现了血压、脉搏、体温的连续实时记录。从项目开发的角度对数据处理系统进行了需求分析和总体设计，并对数据处理系统进行了测试。该系统主要是针对采集后的数据处理及显示进行研究，未来可以结合各种传感器进行监测，并配合定位系统实时监控消防员位置，以便指挥员进行人员调度，最大程度的保护消防员人身安全。
参考文献：
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[3]陳天祥.无创连续血压监测中数据处理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2017：26-34.
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[8]戴巍，霍亚，马尚昌，刘钧.Qt下基于组件的嵌入式软件框架设计及实现[J].计算机应用，2016，36（S1）：257-261.
[9]俞庆，姜文刚.UART在FPGA上的设计与实现[J].电子测量技术，2012，35（11）：76-79+123.
[10]张亚群，游亚戈，吴必军，王坤林.基于ADC0809的16通道数据采集系统[J].计算机工程，2010，36（13）：222-223+226.
Design of firefighter's physiological
parameters collection and processing system
Liang Mengjie1 ，Wei Jiampeng2，Li Chiyuan3
（1.Graduate School of China People's Police University;2. Shenzhen University;3. School of Rescue and Command Of China People's Police University）
Abstract：In recent years， catastrophe fires and natural disasters have occurred frequently in China， and the scale has continued to expand. When firefighters perform long time firefighting and rescue operations， they are unable to make correct risk judgment to evacuate the scene in time due to their own serious physical exertion， resulting in great threat to personal safety. Based on the software development platform Qt Creator5.80， this paper designs a set of physiological signal parameter acquisition and processing system for firefighters. Through the detection and analysis of physiological signal parameters such as body temperature， pulse， blood pressure， etc.， it helps firefighters and commanders to better monitor the physical condition of firefighters and reduce casualties caused by fatigue. This system has the characteristics of low cost， strong practicability， cross-platform， etc.， and provides safety guarantee and support for firefighters' long-term combat training.
Keywords： fire protection; physiological signal; Qt; monitoring
