基于LabVIEW 的地震救援隊員自身安全系統(tǒng)的設(shè)計

熊 杰，魏 勇，李雨華，林志榮

（1.黃岡師范學院 物理與電信學院，湖北 黃岡 438000；2.長江大學，湖北 荊州 434023）

0 引 言

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

為了重點解決上述問題，以及更好地保護地震救援隊員人身安全，本文提出了一種基于LabVIEW 的救援隊員定位裝置，系統(tǒng)包括用戶端和監(jiān)控中心端。用戶端由救援隊員佩戴，監(jiān)控中心端位于臨時監(jiān)控中心，通過LabVIEW 能夠?qū)崟r監(jiān)測救援隊員的信息。系統(tǒng)用戶終端采用STM32 作為主控制器，能夠獲取GPS 信息和地震救援隊員自身脈搏等信息，通過無線LoRa技術(shù)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過LabVIEW 編寫的軟件能夠在地圖上實時顯示用戶的定位信息，當用戶遇到危險或體征信息不在正常范圍時，監(jiān)控中心通過軟件能夠顯示報警。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)救援人員自身安全保護及位置定位，并能實時上傳至監(jiān)控中心，因此能大大地提高救援人員的工作信心，同時又可以減少國家財產(chǎn)的損失。因此，設(shè)計一種能夠定位救援隊員經(jīng)緯度及身體信息的裝置是必要和有價值的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

基于LabVIEW 的救援隊員安全系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要包括用戶端、監(jiān)控端兩部分。用戶端由救援隊員佩戴，主要由主控制芯片、顯示模塊、無線LoRa 模塊、GPS 定位模塊、按鍵、脈搏檢測電路等部分組成。STM32 單片機為該系統(tǒng)的主控制芯片；GPS定位模塊主要實現(xiàn)GPS 信號的獲?。惑w溫脈搏檢測電路用于檢測隊員生命特征；顯示模塊用于顯示時間、GPS的經(jīng)緯度和脈搏信息；按鍵用于救援人員進行報警；無線模塊用于救援隊員將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心端由無線LoRa 模塊和PC 機組成，無線LoRa 模塊接收救援隊員端傳輸?shù)年爢T信息。在PC 機中使用LabVIEW 進行上位機軟件設(shè)計，通過串口與無線LoRa 模塊進行通信，從而能夠在界面中顯示救援隊員的位置信息。當救援隊員端按下報警按鍵或者生命體征不在正常范圍內(nèi)時，LabVIEW 界面中會顯示報警。

1.2 主控模塊

在本設(shè)計中，選用的控制芯片需要與GPS 模塊通信獲取定位信息，與無線LoRa 模塊進行無線通信，而以上兩種模塊均采用串口透傳方式進行通信，且該系統(tǒng)中采用SPI 總線通信的OLED 顯示模塊進行數(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 個串口與GPS 模塊和無線LoRa 模塊進行串口通信，選擇STM32F103ZET6 作為該系統(tǒng)的主控芯片，該芯片包括 112 個通用 I/O 口，3 路共 16 通道的 12 位 A/D 輸入，6 個定時器和 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GPS 模塊、無線LoRa模塊、OLED 顯示模塊和體溫脈搏檢測電路進行控制。

圖1 救援隊員定位系統(tǒng)設(shè)計框圖

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。該模塊特點包括：模塊選用S1216F8-BD 模組；可通過串口與單片機進行通信；定位準確[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 個單獨的 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 根信號線，即片選信號CS、復位信號RES、命令數(shù)據(jù)標志DC、串行時鐘線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 無線LoRa 模塊

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

圖5 無線LoRa 模塊

該系統(tǒng)組網(wǎng)包括一個集中器和多個節(jié)點，如圖6 所示。監(jiān)控中心端為LoRa集中器，每個用戶端均包含一個LoRa 節(jié)點，集中器采用偵聽模式，其連接所有節(jié)點并偵聽節(jié)點數(shù)據(jù)。設(shè)備數(shù)據(jù)使用LoRa 應(yīng)用層Payload 容器承載，該Payload 容器最大可為128 B。按照預先定義的格式將設(shè)備數(shù)據(jù)裝入Payload，本系統(tǒng)中為用戶標識姓名，該標識與節(jié)點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，多個救援隊員端為從機，如圖7 所示，為一個節(jié)點中STM32 與LoRa 模塊的硬件連接。

圖7 STM32 與LoRa 模塊硬件連接

1.6 脈搏檢測電路

傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種：從心電信號中提?。粡臏y量血壓時壓力傳感器測到的波動計算脈率；光電容積法[13]。容積法是一種針對人體組織中脈搏信號的無創(chuàng)檢測方法，使用時，將傳感器固定在被測者的腕部檢測脈搏信號，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。該模塊是一個集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊，可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕處。

圖8 pulse sensor 脈搏傳感器及測試顯示

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

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 用戶終端軟件設(shè)計

用戶終端系統(tǒng)軟件設(shè)計的主流程圖如圖9 所示。首先進行系統(tǒng)初始化，包括：定時器、串口、OLED、GPS、LoRa 模塊初始化等；其次通過STM32 單片機采集pulse sensor 脈搏數(shù)據(jù)和GPS 模塊經(jīng)緯度信息，并通過SPI 總線對OLED 顯示屏進行顯示。顯示內(nèi)容包括：時間、脈搏、經(jīng)度和緯度。每個用戶間隔10 min 會主動向監(jiān)控中心發(fā)送用戶信息及GPS 定位信息。當按下報警按鍵或采集的脈搏數(shù)據(jù)不在正常范圍時，STM32 通過串口控制無線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)測中心軟件設(shè)計

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

3 測試與分析

3.1 GPS 顯示功能測試

通過本次實驗可知，在救援人員救援過程中，用戶端可以實時顯示時間、救援人員的脈搏和GPS 位置信息。當救援人員感到身體異常時，可按下報警按鍵，該裝置通過無線LoRa 模塊把求救信號發(fā)送給監(jiān)控中心；除此之外，該裝置檢測到不正常的脈搏頻率時，自動觸發(fā)報警裝置，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，當接線正確，程序下載成功后，OLED上可以顯示時間、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°，而實際通過手機 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GPS 工具箱測試信息

通過計算兩點之間的距離可知，它們的誤差為0.004 km，計算結(jié)果如圖13 所示。

圖13 兩點距離計算

3.2 LabVIEW 上位機信息顯示

上位機軟件用LabVIEW 編寫，該界面主要顯示用戶編號及對應(yīng)的經(jīng)度和緯度信息，并通過報警指示燈顯示是否處理報警狀態(tài)。上位機LabVIEW前面板如圖14所示。

圖14 上位機LabVIEW 前面板

圖14 中，序號為用戶編號，文中測試了3 個用戶，顯示包括用戶的經(jīng)度、緯度和報警信息，其中0 為正常、1 為報警，并用報警指示燈進行顯示。在測試數(shù)據(jù)中序號1，3 顯示正常，序號2 報警指示燈點亮，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LabVIEW 程序框圖

4 結(jié) 語

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，基于無線LoRa 技術(shù)與串口技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了救援隊員終端裝置顯示GPS定位信息和自身脈搏信息，并能進行按鍵報警。在監(jiān)控端，通過PC 的上位機軟件LabVIEW 實現(xiàn)讀取LoRa 模塊數(shù)據(jù)，并在界面上顯示用戶信息以及對應(yīng)的GPS 信息，通過指示燈能監(jiān)測該用戶脈搏是否正常，本文對救援隊員自身安全系統(tǒng)提供了一種可行性方案。

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

救援隊員自身安全系統(tǒng)是一個非常大的系統(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，在有限的頻率范圍內(nèi)如果用戶越多，系統(tǒng)的反應(yīng)時間越慢。下一步工作將會使用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時顯示救援隊員定位信息。

注：本文通訊作者為魏勇。