基于UWB技术的健康定位手表设计与实现

2023-11-13郭江涛

矿业安全与环保 2023年5期

樊荣,郭江涛,王飞

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039)

随着我国智能矿山建设的推进,大量智能装备在煤矿井下开始推广应用[1-3]。定位终端作为工作人员的常用设备,主要应用于人员精确定位和双向通信(撤离报警、紧急求救)等方面[4-6]。但是,目前大多定位终端不具备生命体征监测功能,不能实现对健康数据的实时监测[7-8]。健康手表可以监测人体心率、血氧和体温等指标,并通过蓝牙传输到手机上,但又不具备精确定位和实时在线监测功能[9-10]。煤矿井下UWB精确定位系统中的定位终端主要设备形式为标识卡和信息矿灯[11]:标识卡具有精确定位、撤离报警、紧急求救等功能;信息矿灯可实现照明和精确定位[12-13]。但这些设备无法满足矿山智能化建设对员工安全健康监测及预警的需求[14-15]。

笔者设计了一种基于UWB技术的具有健康监测功能的定位手表(以下简称“手表”),同时具有精确定位功能、心率/血氧/体温等生命体征监测功能,为智能矿山建设提供了一种具有健康监测功能的定位终端,满足了定位终端智能化、多样化需求[16]。

1 手表设计

1.1 工作原理

手表利用TOF定位算法实现矿井巷道精确定位[17],同时采用UWB通信技术将生命体征健康数据传输至服务器,以完成人员精确定位与生命体征指标的数据融合,实现位置信息和健康数据的实时监测。手表工作原理如图1所示。

图1 手表工作原理图

由图1可见,手表工作过程主要涉及服务器、工业以太环网、定位基站和手表等4个部分。手表实时监测人体心率、血氧和体温等生命体征指标,周期性地与定位基站进行TOF定位,将精确定位信息和健康数据通过工业以太环网传输至服务器,从而实现人员位置信息和健康数据的实时监测;服务器及软件监测到生命体征、位置信息数据异常,即向手表发送报警信息,如果没有得到回复,立即启动预警,通知事故周围人员前往查看情况,同时提示调度室人员展开救援。

1.2 硬件设计

手表主要硬件包括nRF52832蓝牙芯片、UWB模块、心率/血氧传感器、温度传感器、三轴传感器、按键、液晶屏、蜂鸣器和振动电动机等,其硬件设计框图如图2所示。

图2 手表硬件设计框图

UWB模块用于接入定位基站,实现UWB精确定位和数据通信;nRF52832蓝牙芯片作为主控MCU,蓝牙连接智能手机,为用户本地呈现心率、血氧和体温等生命体征指标参数;心率/血氧传感器和温度传感器用于监测人体心率、血氧和体温等生命体征指标;三轴传感器用于检测运动状态,进行低功耗休眠控制,以降低手表平均功耗[18-19];按键、液晶屏、蜂鸣器和振动电动机等部件用于人机交互。

1.3 软件设计

手表主要任务包括:监测人体心率、血氧和体温等生命体征指标;与定位基站进行TOF定位;检测携带人员运动状态;检测按键、触发求救信息和确认报警信息。

手表完成初始化配置后,设置500 ms休眠/唤醒定时器。休眠时关闭外设以降低功耗;定时唤醒后,检测按键是否被长按、监测温度传感器和心率/血氧传感器数据、检测手机蓝牙连接及携带人员运动状态。手表根据运动状态(静止或移动),采用不同周期进行TOF定位和传输健康数据,同时判断是否接收到报警信息。手表工作流程如图3所示。

图3 手表工作流程

2 关键技术研究

2.1 UWB精确定位算法

矿井巷道属于线型结构,安装定位基站的距离和方向决定了定位基站的有效覆盖范围[20]。假设定位基站左边为正(+)、右边为负(-),通信距离为400 m,定位基站覆盖范围示意图如图4所示。

图4 定位基站覆盖范围示意图

手表与定位基站采用TOF定位算法进行点对点测距(见图5),获得测距结果一般需要通信3次[17]:测距请求帧(POLL)、测距响应帧(RESP)、测距数据帧(FINAL)。

图5 TOF点对点测距流程图

手表与定位基站之间距离计算公式如下:

d=[(TRR-TSP)-(TSR-TRP)+(TRF-TSR)-(TSF-TRR)]c/4

(1)

式中:TSP为测距请求帧的发送时间戳;TRP为测距请求帧的接收时间戳;TSR为测距响应帧的发送时间戳;TRR为测距响应帧的接收时间戳;TSF为测距数据帧的发送时间戳;TRF为测距数据帧的接收时间戳;c为光速,取3.0×108m/s。

根据矿井巷道的一维线性空间特点,定位基站的2个UWB天线必须成对安装[20],二者之间距离为dΔ(≥1 m)。UWB精确定位方向判断机制如图6所示。

图6 UWB精确定位方向判断机制

手表与定位基站的左、右UWB天线的测距值分别为d1和d2,判断手表方向的机制如下:

1)当d1dΔ时,手表位于定位基站的左边,距离为d1,方向为正;

2)当d2dΔ时,手表位于定位基站的右边,距离为d2,方向为负;

3)当d1≤dΔ且d2≤dΔ时,手表位于定位基站的左、右UWB天线中间,距离为d1或d2。

2.2 生命体征监测技术

采用高度集成的心率/血氧传感器监测心率和血氧值,通过蓝牙芯片nRF52832的I2C接口与传感器进行通信,配置传感器寄存器,发送地址命令给传感器,以获得被测人员PPG(电容积脉搏波法)信号原始数据。

心率检测算法如图7所示。手表每隔5 min启动1次采集数据,每次采集连续20 s,先计算20 s内心率值,然后得到1 min心率值。

图7 心率检测算法实现流程

血氧检测算法如图8所示,获得传感器2个灯(红外和红色)的PPG数据,根据血氧的计算原理推算出血氧值。

图8 血氧检测算法实现流程

采用非接触式红外温度传感器监测人体温度,蓝牙芯片nRF52832通过I2C接口与传感器进行通信,实时测量人体温度。手表每隔1 min启动1次采集数据,获取体温值。

2.3 低功耗休眠机制

手表体积受限、电池容量较小,通过低功耗休眠机制降低平均功耗至关重要。通过分析三轴传感器的x轴、y轴和z轴3个方向的加速度值检测手表运动状态[18],其算法如图9所示。

图9 运动状态检测算法流程图

取x轴、y轴和z轴3个方向的加速度值(Dx、Dy、Dz)三者绝对值之和进行判定:大于判定阈值(DT),状态值(S)设定为1;否则状态值(S)设定为0。连续读取10次状态值(S1,S2,…,S10),若10次状态值之和S和>5,则判定为移动状态;若S和<3,则判定为静止状态;若S和为3、4、5,则运动状态维持不变。

手表根据运动状态动态调整工作模式,如表1所示,实现低功耗休眠控制,降低手表平均功耗。

表1 工作模式说明

3 试验结果及分析

为了测试手表TOF定位功能,在煤矿灾害防控全国重点实验室清水溪实验巷道内搭建测试平台,如图10所示。布置2台基站、10个手表和1台电脑,2台基站之间距离约为400 m,均采用增益为16 dB的定向天线,天线安装高度约为2.0 m、距巷道壁约0.8 m。手表佩戴于测试人员手腕上,实时监测人体心率、血氧和体温。