熊 杰，魏 勇，李雨華，林志榮

（1.黃岡師范學(xué)院 物理與電信學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023）

0 引 言

地震給人類的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大威脅，而地震緊急救援成為挽救人類生命財(cái)產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。而在大地震后的救援行動(dòng)中反映出了救援隊(duì)員自身安全裝備的缺失：無(wú)法提供救援隊(duì)員的位置信息和生理信息；無(wú)法動(dòng)態(tài)顯示救援隊(duì)員的定位信息[3]。而在眾多文獻(xiàn)中大多討論的是對(duì)救援設(shè)備的研究。如文獻(xiàn)[4]提出了地震緊急救援通信系統(tǒng)的方案，文獻(xiàn)[5]是對(duì)救援機(jī)器人的研究，文獻(xiàn)[3]是論述救援訓(xùn)練及救援方法的思考。然而在地震救援中，救援隊(duì)員自身安全裝備提升的文獻(xiàn)較少。其中文獻(xiàn)[3]對(duì)地震救援隊(duì)員自身安全系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用CDMA 通信技術(shù)，然而當(dāng)發(fā)生大地震時(shí)考慮到移動(dòng)基站可能被損壞，導(dǎo)致該設(shè)備不能較好的通信。文獻(xiàn)[6]僅僅討論對(duì)救援隊(duì)員體溫進(jìn)行快速檢測(cè)的方法。

為了重點(diǎn)解決上述問(wèn)題，以及更好地保護(hù)地震救援隊(duì)員人身安全，本文提出了一種基于LabVIEW 的救援隊(duì)員定位裝置，系統(tǒng)包括用戶端和監(jiān)控中心端。用戶端由救援隊(duì)員佩戴，監(jiān)控中心端位于臨時(shí)監(jiān)控中心，通過(guò)LabVIEW 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)救援隊(duì)員的信息。系統(tǒng)用戶終端采用STM32 作為主控制器，能夠獲取GPS 信息和地震救援隊(duì)員自身脈搏等信息，通過(guò)無(wú)線LoRa技術(shù)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過(guò)LabVIEW 編寫(xiě)的軟件能夠在地圖上實(shí)時(shí)顯示用戶的定位信息，當(dāng)用戶遇到危險(xiǎn)或體征信息不在正常范圍時(shí)，監(jiān)控中心通過(guò)軟件能夠顯示報(bào)警。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)救援人員自身安全保護(hù)及位置定位，并能實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心，因此能大大地提高救援人員的工作信心，同時(shí)又可以減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失。因此，設(shè)計(jì)一種能夠定位救援隊(duì)員經(jīng)緯度及身體信息的裝置是必要和有價(jià)值的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 的救援隊(duì)員安全系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要包括用戶端、監(jiān)控端兩部分。用戶端由救援隊(duì)員佩戴，主要由主控制芯片、顯示模塊、無(wú)線LoRa 模塊、GPS 定位模塊、按鍵、脈搏檢測(cè)電路等部分組成。STM32 單片機(jī)為該系統(tǒng)的主控制芯片；GPS定位模塊主要實(shí)現(xiàn)GPS 信號(hào)的獲??；體溫脈搏檢測(cè)電路用于檢測(cè)隊(duì)員生命特征；顯示模塊用于顯示時(shí)間、GPS的經(jīng)緯度和脈搏信息；按鍵用于救援人員進(jìn)行報(bào)警；無(wú)線模塊用于救援隊(duì)員將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心端由無(wú)線LoRa 模塊和PC 機(jī)組成，無(wú)線LoRa 模塊接收救援隊(duì)員端傳輸?shù)年?duì)員信息。在PC 機(jī)中使用LabVIEW 進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)串口與無(wú)線LoRa 模塊進(jìn)行通信，從而能夠在界面中顯示救援隊(duì)員的位置信息。當(dāng)救援隊(duì)員端按下報(bào)警按鍵或者生命體征不在正常范圍內(nèi)時(shí)，LabVIEW 界面中會(huì)顯示報(bào)警。

1.2 主控模塊

在本設(shè)計(jì)中，選用的控制芯片需要與GPS 模塊通信獲取定位信息，與無(wú)線LoRa 模塊進(jìn)行無(wú)線通信，而以上兩種模塊均采用串口透?jìng)鞣绞竭M(jìn)行通信，且該系統(tǒng)中采用SPI 總線通信的OLED 顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。由于所需I/O 口較多，在硬件中需要使用SPI 總線，并且需要2 個(gè)串口與GPS 模塊和無(wú)線LoRa 模塊進(jìn)行串口通信，選擇STM32F103ZET6 作為該系統(tǒng)的主控芯片，該芯片包括 112 個(gè)通用 I/O 口，3 路共 16 通道的 12 位 A/D 輸入，6 個(gè)定時(shí)器和 3 路 SPI 硬件總線，5 路 USART 串口。該控制器可以不需要外接芯片即可對(duì)GPS 模塊、無(wú)線LoRa模塊、OLED 顯示模塊和體溫脈搏檢測(cè)電路進(jìn)行控制。

圖1 救援隊(duì)員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.3 GPS 模塊

本系統(tǒng)中GPS 采用ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊，其是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，如圖2 所示。該模塊特點(diǎn)包括：模塊選用S1216F8-BD 模組；可通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信；定位準(zhǔn)確[7-9]。

該模塊各參數(shù)如表1 所示。

表1 模塊基本特性

STM32F103ZET6 有 3 個(gè)單獨(dú)的 USART 串口，在與GPS 通信中，采用USART2，其與GPS 模塊連接示意圖如圖2 所示，STM32 與GPS 模塊硬件連接接口如圖3 所示。

1.4 OLED 顯示模塊

該系統(tǒng)顯示模塊選用廣州星翼電子科技有限公司推出的ATK-0.96 OLED 模塊。該模塊分辨率為128×64 Pixel，支持多種接口方式，包括 I2C 接口、串行 SPI 接口、8 位 6800 并口、8 位 8080 并口[9-10]。本系統(tǒng)采用 4 線制SPI 接口方式，該接口需要4 根信號(hào)線，即片選信號(hào)CS、復(fù)位信號(hào)RES、命令數(shù)據(jù)標(biāo)志DC、串行時(shí)鐘線D0 和D1。OLED 與STM32 硬件連接如圖4 所示。本系統(tǒng)可顯示時(shí)間、經(jīng)度、緯度及脈搏信息。

圖2 GPS 模塊

圖3 STM32 與GPS 硬件接口示意圖

圖4 STM32 與OLED 硬件接口示意圖

1.5 無(wú)線LoRa 模塊

該系統(tǒng)無(wú)線LoRa 模塊選用基于SX1278 擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線模塊，如圖5 所示，該模塊是由美國(guó)升特司（Semtech）公司研制的新型基于啁啾擴(kuò)頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）[11-12]。SX1276/8 系列芯片可視通信距離達(dá)20 km，復(fù)雜環(huán)境下通信也可達(dá)3 km，靈敏度可達(dá)-140 dBm。SX1278 在組網(wǎng)中采用簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠較容易實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)。

圖5 無(wú)線LoRa 模塊

該系統(tǒng)組網(wǎng)包括一個(gè)集中器和多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖6 所示。監(jiān)控中心端為L(zhǎng)oRa集中器，每個(gè)用戶端均包含一個(gè)LoRa 節(jié)點(diǎn)，集中器采用偵聽(tīng)模式，其連接所有節(jié)點(diǎn)并偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)備數(shù)據(jù)使用LoRa 應(yīng)用層Payload 容器承載，該P(yáng)ayload 容器最大可為128 B。按照預(yù)先定義的格式將設(shè)備數(shù)據(jù)裝入Payload，本系統(tǒng)中為用戶標(biāo)識(shí)姓名，該標(biāo)識(shí)與節(jié)點(diǎn)LoRa 設(shè)備的網(wǎng)內(nèi)ID 相同。

圖6 LoRa 組網(wǎng)示意圖

在本系統(tǒng)中，采用一主多從模式，即監(jiān)控中心為主機(jī)，多個(gè)救援隊(duì)員端為從機(jī)，如圖7 所示，為一個(gè)節(jié)點(diǎn)中STM32 與LoRa 模塊的硬件連接。

圖7 STM32 與LoRa 模塊硬件連接

1.6 脈搏檢測(cè)電路

傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要有三種：從心電信號(hào)中提??；從測(cè)量血壓時(shí)壓力傳感器測(cè)到的波動(dòng)計(jì)算脈率；光電容積法[13]。容積法是一種針對(duì)人體組織中脈搏信號(hào)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法，使用時(shí)，將傳感器固定在被測(cè)者的腕部檢測(cè)脈搏信號(hào)，獲取具有諧波特性的腕部脈搏波[14]。

本系統(tǒng)選用pulse sensor 脈搏傳感器模塊，如圖8 所示。該模塊是一個(gè)集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊，可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測(cè)，佩戴于手指、耳垂和手腕處。

圖8 pulse sensor 脈搏傳感器及測(cè)試顯示

由于該傳感器模塊輸出信號(hào)電壓較小，脈搏信號(hào)的頻帶一般在0.05～200 Hz 之間，信號(hào)幅度很小，在傳感器后面使用低通濾波器和運(yùn)算放大器，將信號(hào)放大，使放大后的信號(hào)可以很好地被STM32 單片機(jī)的A/D 采集到。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 用戶終端軟件設(shè)計(jì)

用戶終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程圖如圖9 所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括：定時(shí)器、串口、OLED、GPS、LoRa 模塊初始化等；其次通過(guò)STM32 單片機(jī)采集pulse sensor 脈搏數(shù)據(jù)和GPS 模塊經(jīng)緯度信息，并通過(guò)SPI 總線對(duì)OLED 顯示屏進(jìn)行顯示。顯示內(nèi)容包括：時(shí)間、脈搏、經(jīng)度和緯度。每個(gè)用戶間隔10 min 會(huì)主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)送用戶信息及GPS 定位信息。當(dāng)按下報(bào)警按鍵或采集的脈搏數(shù)據(jù)不在正常范圍時(shí)，STM32 通過(guò)串口控制無(wú)線LoRa 模塊向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖9 用戶終端主流程圖

2.2 監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用LabVIEW 軟件，LabVIEW 是一款普適性較高的標(biāo)準(zhǔn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件，作為NI 公司主推的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，已經(jīng)成為業(yè)界廣泛應(yīng)用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[15-16]。在監(jiān)控端中PC 機(jī)與LoRa 模塊進(jìn)行通信，LabVIEW 軟件通過(guò)串口控件獲取LoRa 的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。監(jiān)控端軟件流程圖如圖10 所示。

3 測(cè)試與分析

3.1 GPS 顯示功能測(cè)試

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可知，在救援人員救援過(guò)程中，用戶端可以實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、救援人員的脈搏和GPS 位置信息。當(dāng)救援人員感到身體異常時(shí)，可按下報(bào)警按鍵，該裝置通過(guò)無(wú)線LoRa 模塊把求救信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控中心；除此之外，該裝置檢測(cè)到不正常的脈搏頻率時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，也可以將用戶端的用戶信息和GPS 定位信息發(fā)送給監(jiān)控中心。在GPS調(diào)試部分，從圖11可以看到，當(dāng)接線正確，程序下載成功后，OLED上可以顯示時(shí)間、脈搏、經(jīng)緯度等信息。該救援裝置顯示的經(jīng)緯度為：北緯30.450 23°,東經(jīng) 114.921 64°，而實(shí)際通過(guò)手機(jī) GPS 工具得到的經(jīng)緯度為：北緯 30.450 254°、東經(jīng) 114.921 67°，如圖12 所示。

圖10 監(jiān)控端軟件流程圖

圖11 用戶端OLED 數(shù)據(jù)顯示

圖12 手機(jī)GPS 工具箱測(cè)試信息

通過(guò)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離可知，它們的誤差為0.004 km，計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。

圖13 兩點(diǎn)距離計(jì)算

3.2 LabVIEW 上位機(jī)信息顯示

上位機(jī)軟件用LabVIEW 編寫(xiě)，該界面主要顯示用戶編號(hào)及對(duì)應(yīng)的經(jīng)度和緯度信息，并通過(guò)報(bào)警指示燈顯示是否處理報(bào)警狀態(tài)。上位機(jī)LabVIEW前面板如圖14所示。

圖14 上位機(jī)LabVIEW 前面板

圖14 中，序號(hào)為用戶編號(hào)，文中測(cè)試了3 個(gè)用戶，顯示包括用戶的經(jīng)度、緯度和報(bào)警信息，其中0 為正常、1 為報(bào)警，并用報(bào)警指示燈進(jìn)行顯示。在測(cè)試數(shù)據(jù)中序號(hào)1，3 顯示正常，序號(hào)2 報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，顯示非正常狀態(tài)，提醒監(jiān)控人員注意。

LabVIEW 程序框圖如圖15 所示。

圖15 上位機(jī)LabVIEW 程序框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)包括用戶端與監(jiān)控端兩部分，用戶端以STM32 系列微處理器作為主控芯片，基于無(wú)線LoRa 技術(shù)與串口技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了救援隊(duì)員終端裝置顯示GPS定位信息和自身脈搏信息，并能進(jìn)行按鍵報(bào)警。在監(jiān)控端，通過(guò)PC 的上位機(jī)軟件LabVIEW 實(shí)現(xiàn)讀取LoRa 模塊數(shù)據(jù)，并在界面上顯示用戶信息以及對(duì)應(yīng)的GPS 信息，通過(guò)指示燈能監(jiān)測(cè)該用戶脈搏是否正常，本文對(duì)救援隊(duì)員自身安全系統(tǒng)提供了一種可行性方案。

救援隊(duì)員自身安全系統(tǒng)是一種能夠增強(qiáng)救援隊(duì)員信心、保障隊(duì)員安全的系統(tǒng)，在隊(duì)員有危險(xiǎn)時(shí)能夠在監(jiān)控中心顯示，監(jiān)控中心能夠迅速地組織周圍隊(duì)員進(jìn)行救助，是加強(qiáng)地震救援隊(duì)員自身安全保障的有力裝備。

救援隊(duì)員自身安全系統(tǒng)是一個(gè)非常大的系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能方面可拓展的地方和需要探究的地方還很多。由于LoRa 技術(shù)自身特點(diǎn)，在有限的頻率范圍內(nèi)如果用戶越多，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間越慢。下一步工作將會(huì)使用LabVIEW 與地圖技術(shù)相結(jié)合，確保監(jiān)控中心能夠在地圖中實(shí)時(shí)顯示救援隊(duì)員定位信息。

注：本文通訊作者為魏勇。