基于S3C2410的人員定位與生命信息系統(tǒng)的研制

摘要：針對對救援人員的生命信息數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)采集問題，給出一套救援人員生命信息系統(tǒng)的整體設計方案，并且就系統(tǒng)的組成給出了各部分的硬件及軟件的具體實現(xiàn)方法．可以完成在一千米內(nèi)ＧＰＳ心率體溫等生命位置信息的無線傳輸并且在指揮中心顯示
關鍵詞：GPS定位；生命信息監(jiān)測；無線傳輸；人機界面

1引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，地震洪水火山滑坡泥石流等各種災害造成的危害也越來越明顯，對社會產(chǎn)生的影響也越來越嚴重．國家也開始采取一些抗震減災的政策和一些措施．２００１年４月中國國際救援隊正式成立，迄今為止已經(jīng)參加過４次國際救援活動，各個省份也組織了自己的救援隊．但是我國的救援隊建設仍處于起步階段，需要不斷的完善．本文通過對救援人員隊員生命信息系統(tǒng)的研究，完成對生命信號和定位信息的提取和傳輸，并設計指揮中心數(shù)據(jù)處理和顯示的人機界面．

２系統(tǒng)總體設計

本方案由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成. 其中硬件系統(tǒng)由分機和主機兩部分組成，即救援人員隨身攜帶設備和中央數(shù)據(jù)接收以及控制中心平臺,分機采用三星32 位多功能、低功耗的嵌入式處理器S3C2410 為控制芯片。有4路傳感器能獨立采集救援人員的心電、呼吸血氧飽和度和體溫等生命信息，并且同時由GPS模塊獲得定位信息,通過無線通信傳送給主機。根據(jù)實際應用場所和條件的不同，它由數(shù)量不同的分機配以一臺或若干臺主機組成。分機負責采集救援人員的生命狀態(tài)信息，并經(jīng)無線通訊傳送給主機。主機接收生命狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，并經(jīng)處理將監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出來,能接收分機回應發(fā)射的數(shù)據(jù)或分機檢測到生理參數(shù)不正常時自動發(fā)出的數(shù)據(jù)和求救信號將接收到的數(shù)據(jù)與分機號對應存儲同時能確定其位置。軟件系統(tǒng)主要是由電子地圖、信息管理、信息查詢、行動標圖、動態(tài)態(tài)勢和和隊員動態(tài)監(jiān)控等功能模塊組成指揮中心主機端的數(shù)據(jù)處理和實時顯示程序．系統(tǒng)總體框圖如圖1所示

2.1 硬件設計

分機硬件系統(tǒng)采用模塊化設計,由以下子系統(tǒng)構成:1生命狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng);2煤氣和化學毒劑探測系統(tǒng);GPS定位子系統(tǒng);4無線通信系統(tǒng)構成.由嵌入式處理器控制采集隊員的生命狀態(tài)信號和GPS定位信息,然后通過無線數(shù)傳電臺發(fā)送回控制中心主機. 隊員生理狀態(tài)信號包括心率、呼吸、體溫、血壓等多種信號，借鑒國內(nèi)外的研制經(jīng)驗，主要選取了心率、呼吸、體溫和血氧飽和度四個生理指標作為隊員的生命狀態(tài)信號。GPS OEM板采用GARMIN系列GPS25LVS型OEM板. GPS25LVS是12通道的GPS接收機,可同時跟蹤12顆GPS衛(wèi)星,從而快速的定位.嵌入式處理器采用三星的具有ARM920T 核的采用0.18um制造工藝的32 位多功能、低功耗的嵌入式處理器S3C2410 。分機設計圖如圖2所示．S3C2410 是韓國三星公司推出的一款高檔的,可用于手持設備、智能家電等便攜產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式微處理器.該處理器擁有:獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache , MMU,支持TFT的LCD控制器,NAND閃存控制器,3路UART,4路DMA,4路帶PWM的Timer ,I/O口,RTC,8路10位ADC ,touch screen接口,2個USB主機,1個USB設備,SD主機和MMC接口,2路SPI. 最高可以運行在203MHz.

2.1.1 生命信息子系統(tǒng)

生命信息子系統(tǒng)主要是由4個傳感器和模數(shù)轉換芯片組成, 由心率傳感器、氣敏傳感器、肌血氧飽和度傳感器和體溫傳感器等完成.其中氣敏傳感器用來檢測救援隊員附近有無煤氣和有害化學氣體.4路傳感器采集生命信息后,經(jīng)過放大濾波,A/D轉換后傳送到嵌入式處理器.S3C2410本身具有8路10位的A/D轉換功能,但是由于A/D轉換需要很強的實時性,雖然系統(tǒng)移植了實時操作系統(tǒng)能夠對多任務自動調度,但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用外加A/D轉換芯片的方法,A/D轉換芯片采用在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用較多的MAX186.串行模數(shù)轉換器MAX186是一種采用主次逼近型A/D轉換技術的單片數(shù)據(jù)采集器,它將多路轉換開關,基準電壓源,時鐘電路和轉換電路集成在一塊芯片內(nèi),可以方便的與各種微處理器連接,而且需要的外圍器件少使用方便.　A/D轉換電路如圖3所示

2.1.2 定位信息子系統(tǒng)

GPS定位技術就是利用導航衛(wèi)星進行測時和測距以構成全球定位系統(tǒng),使用GPS 定位具有觀測簡便經(jīng)濟效益好的優(yōu)點,差分后可達到小于5米的定位精度,經(jīng)過特定的后處理可達到厘米級的定位精度.GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星和地面支撐系統(tǒng)都是由有關國家出資運行的用戶接收機也已實現(xiàn)標準化對用戶來說只需接收用戶接收機的信號就可以了.本系統(tǒng)采用12通道的GARMIN系列GPS25LVS型OEM板. GPS25LVS GPS OEM板輸入電壓為3.6-6V,定位精度為小于15米, 差分精度小于5米,更新率1秒,定位時間:重新捕獲小于2秒, 熱啟動約15秒,冷啟動約45秒.

通過RS-232串口與嵌入式處理器連接,串口輸出NMEA－0183版本2.0的ASCⅡ語句. NMEA －0183 格式以“ ＄”開始, 以“ CR > L F > ”結束, 主要語句有: GPGGA , GPGLL , GPVTG, GPRMC ,GPZDA , PKODA ,PDODG1 , PKODG7 , GPGSA , GPGSV等, 其中GPGGA 為定位輸出語句, 包括時間及定位數(shù)據(jù), 應用比較廣泛, 其具體格式如下(未采用DGPS) :

＄GPGGA , hhmmss (協(xié)調世界時UTC) , 111111111 (緯度) , N/ S ( 北/ 南) , yyyy1yyyy ( 經(jīng)度) , E/ W ( 東/ 西) , x(定位狀態(tài)) , xx (使用的衛(wèi)星數(shù)) , xxx ( HDOP 值) , 0/ -xxxx (天線高度) , M (單位米) , 0/ - xxx (地理高度) , M(單位米) , 3 hh (校驗和) CR > L F >．

2.1.3 無線傳輸子系統(tǒng)

　考慮到救災現(xiàn)場多種情況，本系統(tǒng)可實現(xiàn)多種傳輸方式,如GPRS、數(shù)傳電臺和以太網(wǎng)的方法,還可以擴充ＧＳＭ模塊用短消息的方式傳送數(shù)據(jù)到指揮中心，但是一般救災現(xiàn)場通信基本比較困難，所以系統(tǒng)主要考慮用擴頻通信的方式發(fā)送生命信息和定位信息．

　系統(tǒng)初步考慮用擴頻基帶處理芯片Ｗ９３１０來實現(xiàn)生命信息和定位信息的擴頻、解擴處理，然后經(jīng)過射頻模塊ＷＨＴ９２６１組成一完整的無線擴頻系統(tǒng)，傳送生命信息和定位信號到指揮中心．如圖1所示

3軟件部分指揮中心數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由電子地圖、信息管理、信息查詢、行動標圖、動態(tài)態(tài)勢和和隊員動態(tài)監(jiān)控等功能模塊組成，各個模塊集成在同一個界面下，他們之間既相互聯(lián)系又相對獨立，綜合運用各種數(shù)字化信息技術，使救援現(xiàn)場整個范圍內(nèi)資源實現(xiàn)最佳配置，并且可以實時監(jiān)控所

有救援隊員，與硬件系統(tǒng)一起實現(xiàn)了救援隊指揮、控制、通信、及后勤保障等功能的一體化，完成救援隊員生命信息系統(tǒng)的設計

主要功能如下

１隊員位置跟蹤功能：接收隊員便攜設備發(fā)送回的ＧＰＳ數(shù)據(jù)，將隊員的實時位置以逐幀列表方式顯示隊員編號、經(jīng)維度、速度、方向、時間和日期數(shù)據(jù)．

２隊員生命信息跟蹤：接收隊員便攜設備收集的生命信號數(shù)據(jù)，與標準生命數(shù)據(jù)對比，列表顯示．異常信號發(fā)出警告．

３電子地圖標圖：將指定隊員的定位信息在救援地區(qū)二維電子地圖上標圖．電子地圖可以任意縮小放大還原和切換畫面．可以正常的輪詢和任意標圖．

可擴充的功能有輔助指揮決策功能還可以結合ＧＩＳ實現(xiàn)三維電子地圖顯示，進一步的完整和方便救援工作高效率的展開．軟件系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示

4結束語

救援隊員生命信息系統(tǒng)綜合了ＧＰＳ定位技術、擴頻通信技術和嵌入式處理器等先進的技術完成了對救援隊員的生命信息監(jiān)控．在救援現(xiàn)場遇到突發(fā)情況或者意外狀況時，可以使救援隊員在很短時間內(nèi)收到警報，及時的采取應急措施或者迅速的撤離現(xiàn)場，保證了救援隊員的生命安全，最大限度的減少傷亡，保障救援行動的高效進行．同時指揮人員可通過該系統(tǒng)監(jiān)測隊員的位置情況，方便的了解救援進行態(tài)勢合理的實現(xiàn)人員調度以及指揮管理的自動化和數(shù)字化．一定程度上對救援隊的現(xiàn)代化建設起積極促進作用．綜上所述，本系統(tǒng)能完成預定目標采集救援隊員的生命信號和位置數(shù)據(jù)并且在中心通過人機交互界面顯示，是一種先進可行的救援系統(tǒng)．

本文作者創(chuàng)新點:

１.首次將ＧＰＳ差分定位，嵌入式處理器，擴頻通信等先進技術應用到救援裝備上，綜合各種功能模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成設計．

２.可以把自己收集到的信息傳回指揮中心和隊友． 可保持與隊友和指揮中心的信息溝通，協(xié)同救援能力將明顯提高，能增強按上級指揮中心命令或同級救援隊員請求實施機動救援的能力，提高反應速度.

3.在指揮中心列表顯示各隊員的定位和狀態(tài)信息，方便指揮員總體調度宏觀指揮．

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