一种无人化伤员生命信息感知系统的设计与实现

曹育森 李钊 雷涛 朱明明 夏娟娟 张林媛 王健琪 路国华

0 引言

自然灾害、战争等复杂环境给伤员搜寻提出了严峻考验，大范围的遇险区域使伤员搜寻效率低下，从而错失伤员的最佳救援时间。另外，如果救援人员能够及时获取伤员的位置信息及生命状态对提升救援效果至关重要[1]。

现阶段伤员搜寻装备主要包括单兵搜寻装备和伤员搜寻无人机。常见的单兵搜寻装备有胸带式、腕带式以及手持式的搜寻终端[2-3]，主要监测的生命体征包括呼吸、心率、血氧等。这类装备存在以下几点不足：一是需要提前配发，而且容易造成使用人员行动上的不方便；二是当这些设备受到撞击、火烧等损坏后会降低伤员生命信息采集精度；三是搜救端工作站使用汽车作为通信中转载体，部署救援方案时机动性较差[4]。为解决穿戴式技术的局限性，研究人员通过无人机搭载多种传感器对大面积遇险区域进行伤员搜寻，可有效提升伤员搜寻的效率[5-8]。

近年来，空军军医大学研制出我军首台伤员搜寻无人机，融合红外热像仪、可见光相机和激光测距，可实现搜寻区域内地面伪装伤员(伤员掩藏于草丛或丛林中)和遇险飞行员的快速、准确搜寻。但当无人机发现伤员目标后，还需及时获取伤员伤情，这对伤员后续救援、后送转运也极为重要。针对以上提出的问题，本研究拟研发一种基于LoRa、无人机数传和生物雷达的无人化伤员生命信息感知系统，创新性地结合非接触式生命感知、远距离无线通信以及无人机灵活部署等技术优势，降低胸带式、头戴式以及手持式等搜救装备在使用上的不便，减少因外界因素干扰对伤员信息采集产生的误差，解决在搜救过程中应满足的速度快、覆盖广、通信距离远、部署灵活等特性的问题。

1 系统总体设计

在伤员生命信息感知过程中需要解决的两个重要问题分别为：伤员信息的获取、信息的远距离传输。为此，本系统在设计时采用模块化，分别由生命感知终端、空中通信端和地面站处理端3个模块组成。系统总体设计如图1所示。

图1 伤员感知系统总体设计Figure 1 General design of casualty awareness system

生命感知终端采用生物雷达非接触式的采集伤员呼吸信号，在目标点处抛投多个集成GPS、生物雷达和通信模块的生命感知终端(图2)，对伤员信息进行采集。空中通信端(图3)搭载于无人机上，采用地面组网以及空中通信中转的方式扩大伤员感知范围。地面站处理端负责伤员生命信息和位置信息等数据的可视化处理、大数据分析、伤情等级评估等操作，为搜寻人员提供有效的救援依据。

图2 生命感知终端Figure 2 Life aware terminal

伤员感知系统的工作流程为：当救援人员实施救援时，使用无人机将多个生命感知终端投送于待检测区域，采用LoRa模块多发一收的工作模式进行组网通信，将多个终端的信息发送至空中通信端。空中通信端搭载于无人机上，负责将伤员信息(呼吸数据、位置信息、LoRa通信质量、定位卫星质量)传输至无人机进行中继，并由无人机数传模块远距离传输至地面站处理端，对感知终端节点分布、工作状态、伤员呼吸信号、LoRa通信质量、卫星定位质量做出分析和实时反馈。

针对以上提出的设计要求，系统当前需要实现的关键性能指标有两个：一是伤员信息的准确采集，对于伤员的呼吸数据能够做到实时且准确的反馈；二是结合LoRa与无人机数传，将伤员信息的通信传输范围扩大，从而实现伤员生命信息的远距离感知。

2 系统实现

2.1 生命感知终端

生命感知终端集成了生物雷达传感器、STM32单片机及LoRa模块、GPS/北斗双模定位模块[9]。当搜寻无人机发现疑似伤员目标，定点抛投多个伤员感知终端于目标伤员区域，采集伤员呼吸信号，实时发送至空中通信端，生命感知终端实物图如图2所示。

其中，生物雷达传感器(型号为JC122-3.3UA6)可以发射不对称的宽波束信号，当正常人呼吸时，胸腔会对雷达传感器发射出来的微波进行反射产生回波信号，经过放大与滤波即可得到较为理想的波形，通过观察这个波形可以判断伤员的生理状况[10-12]。利用生物雷达具有较广的感知范围(水平角度：±40°，垂直角度：±16°)的特性，通过在伤员目标的不同角度及距离进行抛投多个生命感知终端，实施伤员呼吸信号的检测。

2.2 空中通信端

空中通信端搭载于无人机上，负责将生命感知终端和地面站处理端进行上下连接，采用LoRa及无人机数传将数据进行传输，首先生命感知终端在检测到生命信号后自主报警同时将伤员生命信息传输至空中通信端，后由无线电发送机传输至地面站处理端，空中通信端实物图如图3所示。

图3 空中通信端Figure 3 Air communication terminal

LoRa无线通信模块(型号为SX1278)负责搭建地面采集与空中转发的通信链路。LoRa模块分为发送端与接收端，位于无人机上的LoRa接收模块经配置后可以与相同信道、速率上的多个LoRa发送模块建立通信网络，完成与地面的LoRa发送模块对伤员信息的传递[13-15]。

LoRa配置流程图如图4所示。配置成功后，可将LoRa的配置信息及传感器的初始化信息打印出来(图5)。另外，也可通过观察黄色的LED灯来进行判断LoRa是否配置成功，LoRa模块配置成功后黄色的LED灯会闪烁两次然后灭掉。无人机数据模块通过串口通信的方式获取LoRa接收到的伤员信息，并将其通过无线电转发至地面站端。

图4 LoRa配置流程图Figure 4 LoRa configuration flowchart

图5 LoRa配置信息打印Figure 5 LoRa configuration information print

2.3 地面站处理端

地面站处理端由信号接收装置及软件系统组成，伤员感知系统软件界面如图6、图7所示，感知终端采集概览页面主要包括终端总数统计、各区域终端分布统计，各区域终端工作状态统计以及感知终端可视化分布图。在一次搜寻任务中通过将搜寻区域分为多个分区的形式进行伤员的总体感知，终端工作状态分为定位成功、定位失败、正常检测、异常检测。其中异常检测表示该节点定位成功且有生命体征的检测。通过可视化地图对多个异常检测的节点进行不同颜色的标记。

图6 系统软件主界面图Figure 6 Main interface diagram of system software

图7 感知终端节点信息图Figure 7 Perceive terminal node information graph

如图7所示，通过点击地图上的异常检测节点观察节点属性，实现伤员呼吸信号、位置信息、卫星质量及LoRa通信质量的总体概览，以更好地规划伤员搜寻方案，以最短的时间对有效救援目标实现紧急救治。伤员感知系统采用大数据可视化的解决方案，对战场伤员信息进行统计，可以使得后勤救援人员能够更有效地掌握救援目标信息，灵活调动救援队伍。

3 系统性能测试

本系统完成了生命感知终端及空中通信端样机的设计与实现，可以实现的基本功能包括：人体呼吸信号的采集、远距离传输以及多个伤员终端的LoRa组网功能。主要测试结果如下。

(1) 生命信息的准确采集。在平躺者的受试者周围分别放置多个感知终端，测定在不同呼吸强度下的呼吸数据，测量结果表明与实际呼吸状况无差异，正在通过设计各种躺卧姿势下呼吸状况的差异完善检测效果。如图8所示，较为规律部分的波形为检测到呼吸信号的波形，后者为未检测到生命信号的波形。将生物雷达模块放置人体胸腔前1 m的位置进行检测，逐次增加0.5 m。经测试，生物雷达检测人体呼吸信号的有效距离可达3 m以上。

图8 呼吸波形显示Figure 8 Breathing waveform display

(2) LoRa结合无人机数传有效扩大通信范围，通信质量稳定。在较为空旷的场外环境下测试系统最大通信距离。其中，LoRa通信距离为L1(图9)，无人机数传模块与遥控器的空中通信距离为L2(图10)，系统通信距离L=L1+L2。经过多组测试结果分析得出结论：系统最大通信距离L最大可达3 km以上。

图9 LoRa传输距离Figure 9 LoRa transmission distance

图10 无人机数传通信距离Figure 10 Air communication distance

测试步骤如下。

① 将数传模块与遥控器的位置固定，保持L2不变，改变LoRa发送端与接收端之间的距离。逐次增加L1，分别测试1 000 m、1 500 m、1 600 m时的信号强度与丢包率，其中1 500 m时通信稳定，无数据丢失，1 500 m时丢包率为5%，1 600 m时大于50%。

② 将LoRa接收端与发送端位置固定，保持L1不变，改变T12接收机与遥控器之间的距离。逐次增加L2，在1 500 m时通信质量稳定。在后续的不同环境下的测试过程中将完善通信协议，提升系统无线通信抗干扰性。

4 讨论

4.1 伤情感知数据有待挖掘

在感知伤员的测试过程中，使用生物雷达可以有效地感知到生命体的存在，但尚未通过数据分析判定伤情等级。对伤员伤情的等级加以判定将使感知结果更加精细，为救援任务提供有效的依据。在后续的研究中将结合深度学习，掌握不同呼吸状况下的内在规律，自主对伤情等级做出判定。

4.2 抛投感知终端需改进

在设计抛投感知终端时，外部包装采用较为柔软的泡沫材料以缓冲坠落的冲击，但对于较为复杂的环境，如草地、水面、泥沼等环境尚未进行测试，在后续的实验中将对感知终端的抗摔性、防水、稳定着陆等性能做进一步优化。

5 结论

本系统结合生物雷达、LoRa及无人机数传的模式，创新了搜寻通信方式，实现了伤员呼吸信号的检测和远距离传输。采用地空结合的搜寻方式快速部署，灵活执行救援任务，达到及时获取伤员呼吸信号等信息的目的。本系统为救援方案的规划提供有力依据，降低伤员搜寻难度，有效提高了伤员搜寻效率。伤员搜寻与无人机、物联网、大数据等技术的结合，将颠覆传统的搜寻方式。非接触式伤员感知系统也将不断改进，为新时代智能化伤员搜寻奠定基础。