郁 麗，郭 勇，賴武剛，徐 穎

(成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 成都 610059)

1 引言

本文在地震救援行動跟蹤與監(jiān)控實(shí)時動態(tài)信息分類的基礎(chǔ)上，研制人體生理信息和環(huán)境信息的檢測裝置，用于對地震災(zāi)害現(xiàn)場搜救隊(duì)員身體狀況的實(shí)時監(jiān)測和環(huán)境信息的檢測以及救援災(zāi)害現(xiàn)場個人位置信息和災(zāi)情信息的獲取。利用這種裝置可以對現(xiàn)場的搜救隊(duì)員進(jìn)行遠(yuǎn)程生理監(jiān)護(hù)，可以隨時掌握搜救隊(duì)員是否受傷、是否緊張疲勞等生命狀態(tài)信息。一旦搜救隊(duì)員的生命特征信息出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，可以讓搜救隊(duì)員及時撤離搜救現(xiàn)場，使搜救隊(duì)員得到及時救治，減少傷亡，避免意外的發(fā)生。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

檢測裝置的原理如圖1所示。

救援人員生命狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)搜救隊(duì)員生命信息的采集和發(fā)送功能，主要分為5部分。

（1）信號采集和調(diào)理部分

主要實(shí)現(xiàn)對搜救隊(duì)員脈搏、體溫及天然氣濃度信號的采集和初步處理。

（2）單片機(jī)處理部分

經(jīng)過調(diào)理后的無線信號傳給單片機(jī)進(jìn)行采樣和中斷控制處理，對存儲器進(jìn)行控制。

（3）存儲部分

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和存儲。

（4）ZigBee節(jié)點(diǎn)部分

RFD（精簡功能設(shè)備）節(jié)點(diǎn)對單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收。FFD（全功能設(shè)備）節(jié)點(diǎn)除了具有RFD節(jié)點(diǎn)的功能外，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和路由。

（5）電源部分

高穩(wěn)定直流＋12 V基準(zhǔn)電源經(jīng)7803SR和7805SR轉(zhuǎn)換成＋3.3 V和＋5 V電壓。

3 信息采集與處理

生命狀態(tài)信號包括脈搏、呼吸、體溫、血壓等多種信號。根據(jù)本課題的研究目標(biāo)和需求，借鑒國內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，選取了脈搏、體溫兩個生理指標(biāo)作為搜救隊(duì)員生命狀態(tài)信號，環(huán)境信息選取了天然氣濃度。

3.1 環(huán)境信息采集電路

3.1.1 氣敏傳感器工作原理

氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電信號，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。從材料上分，最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料、膠體敏感膜等。從用途上分，有廣普型和專一型。

氣敏傳感器的兩個關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。通過加熱電阻確定傳感器的工作溫度，使其工作在氣體敏感的溫度下。金屬電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個阻值隨外部氣體濃度變化的電阻，通過測試敏感材料電阻的阻值變化，得到氣體的濃度信息。本系統(tǒng)采用MQ-4型氣敏傳感器，該類型對天然氣有很高的靈敏度，穩(wěn)定性好，壽命長，響應(yīng)恢復(fù)特性快，主要用于家庭、工業(yè)的甲烷和天然氣的探測。

3.1.2 信號放大電路

傳感器輸出的電壓信號較小，需要相應(yīng)地進(jìn)行放大，放大電路的實(shí)現(xiàn)可采用AD620芯片實(shí)現(xiàn)。前置放大電路選用ADI公司的專用高精度儀器三運(yùn)放AD620。AD620是由3個精密運(yùn)放集成的差分專用儀器運(yùn)放，具有低偏移、高增益(信號可直接放大到1 000倍)、高共模擬制比的特點(diǎn)，特別適用于放大傳感器信號。信號放大電路如圖2所示。

3.2 人體生命信息的采集

本設(shè)計(jì)主要是用于搜救隊(duì)員生命特征的提取，在搜救現(xiàn)場，既要求傳感器的安裝不影響運(yùn)動，又要求可靠。針對這種特殊要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成手腕佩帶式。狀態(tài)傳感器只要佩帶在身上即可，對安裝無特殊要求；對于溫度傳感器，只要求其緊貼皮膚，保證不脫落即可測得身體表面溫度；對于脈搏信號的采集需要一個特殊傳感器，可保證在任何運(yùn)動狀態(tài)下能夠可靠、準(zhǔn)確地采集脈搏信號?；谝陨弦?，本設(shè)計(jì)選用HK-2000B脈搏傳感器。

HK-2000B脈搏傳感器利用高度集成化工藝將力敏組件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償組件、感溫組件、信號調(diào)整電路集成在傳感器內(nèi)，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等特點(diǎn)，非常適用于無創(chuàng)心血管功能測試和中醫(yī)脈象診斷。通過對傳感器施加一定的預(yù)壓力可獲取人體腕部的橈動脈脈搏信號，輸出信號的電壓范圍為－0.2～0.8 V。脈搏信息采集部分原理如圖3所示。

3.3 信號調(diào)理模塊

傳感器輸出的脈搏信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)整，放大后由單片機(jī)的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理模塊采用LM324構(gòu)成同相放大電路，并在同相輸入端加0.2 V的輸入電壓，抬高脈搏信號，做基線調(diào)整。選用2片CD4051單8路可編程模擬開關(guān)自動調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，使輸出的脈搏信號電壓滿足且最大地分布在ADC的0～Vcc輸入電壓范圍。

采用MSP430F149單片機(jī)，該芯片有16位RISC結(jié)構(gòu)微處理器，指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D轉(zhuǎn)換器，超低功耗；它帶有60 KB閃存，12位A/D轉(zhuǎn)換器和硬件乘法器。12位A/D轉(zhuǎn)換器要求模擬信號的輸入范圍為0～Avcc，HK-2000B脈搏傳感器輸出信號的電壓范圍為-0.2～0.8 V，在這里可以考慮將信號放大1～3倍。

經(jīng)調(diào)理后的信號傳給無線發(fā)送模塊進(jìn)行編碼和幀處理，再經(jīng)2.4 GHz天線發(fā)送。從接收端天線接收來的射頻信號經(jīng)過兩次下變頻后變成兩路正交信號(I和Q)，片內(nèi)集成的CCA(空閑信道評估)模塊根據(jù)接收到的基帶信號的能量進(jìn)行空閑信道評估檢測。CCA和前端的LNA(低噪聲放大器)都要受到AGC(自動增益控制)的控制。數(shù)字接收端通過差分碼片檢測 (DCD)后經(jīng)過相關(guān)器對直接序列擴(kuò)頻(DSSS)進(jìn)行解擴(kuò)，經(jīng)過符號同步檢測和包處理以后最終得到接收到的數(shù)據(jù)。通過SPI傳送到MCU。MCU把處理后的數(shù)據(jù)傳輸給ARM9處理。當(dāng)ARM9處于忙碌狀態(tài)時，MCU采取中斷方式將數(shù)據(jù)首先存儲在存儲器中，待收到ARM9的調(diào)度指令后再從存儲器中提取出存儲的數(shù)據(jù)傳輸給ARM9處理。具體流程如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件的設(shè)計(jì)分為兩部分：ZigBee部分MC13192的軟件設(shè)計(jì)和MSP430F149單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 MC13192的軟件設(shè)計(jì)

由調(diào)理電路對生理信息以150 Hz的采樣頻率進(jìn)行采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)傳輸給GT60按照IEEE802.14.4協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式封裝，再添加上幀頭、幀尾和判別位。當(dāng)數(shù)據(jù)封裝完成后交給MC13192進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送出去。其軟件流程如圖5所示。

4.2 MSP430F149單片機(jī)的軟件流程

系統(tǒng)啟動后先初始化執(zhí)行自檢程序，在各模塊的參數(shù)讀取完畢并配置完成后，MSP430 F149開始讀取生命信息的輸入并處理，在一定的控制信號下送給存儲器存儲，并交給S3C2410處理。具體過程如圖6所示。

4.3 ZigBee和傳感器可擴(kuò)展性討論

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模型(OSI)。每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。ZigBee Alliance定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與安全層的規(guī)范。ZigBee節(jié)點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍(最大可以擴(kuò)展到65 000個節(jié)點(diǎn))，因此適用于大范圍搜索工作。ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，自身的低功耗和低成本也延長了設(shè)備的工作時間，降低了整體的成本。ZigBee協(xié)議的傳輸速率為250 kbit/s，能滿足脈搏、溫度等信號數(shù)據(jù)傳輸量不大的生理信號的傳輸。

5 結(jié)束語

本文針對降低搜救中搜救隊(duì)員傷亡率和及時掌控災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境的需求，為保障搜救隊(duì)員的安全，提出了一種可行的監(jiān)測系統(tǒng)。其終端裝置由搜救隊(duì)員隨身攜帶，在不影響正常搜救工作的情況下，將其自身生命信息及環(huán)境參數(shù)通過無線收發(fā)模塊實(shí)時傳輸?shù)降孛嬷笓]中心。作者對方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)時地進(jìn)行人體生理參數(shù)及外部環(huán)境信息的監(jiān)測，且系統(tǒng)體積小、功耗低，可與控制中心進(jìn)行高速實(shí)時有效的數(shù)據(jù)通信。該設(shè)計(jì)方案是有效可行的。

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