基于S3C2410的人員定位與生命信息系統(tǒng)的研制

摘要：針對(duì)對(duì)救援人員的生命信息數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，給出一套救援人員生命信息系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(shí)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(wú)線傳輸并且在指揮中心顯示
關(guān)鍵詞：GPS定位；生命信息監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳輸；人機(jī)界面

1引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，地震洪水火山滑坡泥石流等各種災(zāi)害造成的危害也越來(lái)越明顯，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的影響也越來(lái)越嚴(yán)重．國(guó)家也開(kāi)始采取一些抗震減災(zāi)的政策和一些措施．２００１年４月中國(guó)國(guó)際救援隊(duì)正式成立，迄今為止已經(jīng)參加過(guò)４次國(guó)際救援活動(dòng)，各個(gè)省份也組織了自己的救援隊(duì)．但是我國(guó)的救援隊(duì)建設(shè)仍處于起步階段，需要不斷的完善．本文通過(guò)對(duì)救援人員隊(duì)員生命信息系統(tǒng)的研究，完成對(duì)生命信號(hào)和定位信息的提取和傳輸，并設(shè)計(jì)指揮中心數(shù)據(jù)處理和顯示的人機(jī)界面．

２系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jī)和主機(jī)兩部分組成，即救援人員隨身攜帶設(shè)備和中央數(shù)據(jù)接收以及控制中心平臺(tái),分機(jī)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(dú)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(shí)由GPS模塊獲得定位信息,通過(guò)無(wú)線通信傳送給主機(jī)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所和條件的不同，它由數(shù)量不同的分機(jī)配以一臺(tái)或若干臺(tái)主機(jī)組成。分機(jī)負(fù)責(zé)采集救援人員的生命狀態(tài)信息，并經(jīng)無(wú)線通訊傳送給主機(jī)。主機(jī)接收生命狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，并經(jīng)處理將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái),能接收分機(jī)回應(yīng)發(fā)射的數(shù)據(jù)或分機(jī)檢測(cè)到生理參數(shù)不正常時(shí)自動(dòng)發(fā)出的數(shù)據(jù)和求救信號(hào)將接收到的數(shù)據(jù)與分機(jī)號(hào)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)同時(shí)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(dòng)標(biāo)圖、動(dòng)態(tài)態(tài)勢(shì)和和隊(duì)員動(dòng)態(tài)監(jiān)控等功能模塊組成指揮中心主機(jī)端的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示程序．系統(tǒng)總體框圖如圖1所示

2.1 硬件設(shè)計(jì)

分機(jī)硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),由以下子系統(tǒng)構(gòu)成:1生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);2煤氣和化學(xué)毒劑探測(cè)系統(tǒng);GPS定位子系統(tǒng);4無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)成.由嵌入式處理器控制采集隊(duì)員的生命狀態(tài)信號(hào)和GPS定位信息,然后通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送回控制中心主機(jī). 隊(duì)員生理狀態(tài)信號(hào)包括心率、呼吸、體溫、血壓等多種信號(hào)，借鑒國(guó)內(nèi)外的研制經(jīng)驗(yàn)，主要選取了心率、呼吸、體溫和血氧飽和度四個(gè)生理指標(biāo)作為隊(duì)員的生命狀態(tài)信號(hào)。GPS OEM板采用GARMIN系列GPS25LVS型OEM板. GPS25LVS是12通道的GPS接收機(jī),可同時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)圖如圖2所示．S3C2410 是韓國(guó)三星公司推出的一款高檔的,可用于手持設(shè)備、智能家電等便攜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器.該處理器擁有:獨(dú)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(gè)USB主機(jī),1個(gè)USB設(shè)備,SD主機(jī)和MMC接口,2路SPI. 最高可以運(yùn)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(gè)傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)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(lái)檢測(cè)救援隊(duì)員附近有無(wú)煤氣和有害化學(xué)氣體.4路傳感器采集生命信息后,經(jīng)過(guò)放大濾波,A/D轉(zhuǎn)換后傳送到嵌入式處理器.S3C2410本身具有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換功能,但是由于A/D轉(zhuǎn)換需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,雖然系統(tǒng)移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠?qū)Χ嗳蝿?wù)自動(dòng)調(diào)度,但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用外加A/D轉(zhuǎn)換芯片的方法,A/D轉(zhuǎn)換芯片采用在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用較多的MAX186.串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX186是一種采用主次逼近型A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的單片數(shù)據(jù)采集器,它將多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),基準(zhǔn)電壓源,時(shí)鐘電路和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路如圖3所示

2.1.2 定位信息子系統(tǒng)

GPS定位技術(shù)就是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距以構(gòu)成全球定位系統(tǒng),使用GPS 定位具有觀測(cè)簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn),差分后可達(dá)到小于5米的定位精度,經(jīng)過(guò)特定的后處理可達(dá)到厘米級(jí)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(guān)國(guó)家出資運(yùn)行的用戶接收機(jī)也已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)用戶來(lái)說(shuō)只需接收用戶接收機(jī)的信號(hào)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(shí)間:重新捕獲小于2秒, 熱啟動(dòng)約15秒,冷啟動(dòng)約45秒.

通過(guò)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(yǔ)句. NMEA －0183 格式以“ ＄”開(kāi)始, 以“ CR > L F > ”結(jié)束, 主要語(yǔ)句有: GPGGA , GPGLL , GPVTG, GPRMC ,GPZDA , PKODA ,PDODG1 , PKODG7 , GPGSA , GPGSV等, 其中GPGGA 為定位輸出語(yǔ)句, 包括時(shí)間及定位數(shù)據(jù), 應(yīng)用比較廣泛, 其具體格式如下(未采用DGPS) :

＄GPGGA , hhmmss (協(xié)調(diào)世界時(shí)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(yàn)和) CR > L F >．

2.1.3 無(wú)線傳輸子系統(tǒng)

　考慮到救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)多種情況，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種傳輸方式,如GPRS、數(shù)傳電臺(tái)和以太網(wǎng)的方法,還可以擴(kuò)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(zāi)現(xiàn)場(chǎng)通信基本比較困難，所以系統(tǒng)主要考慮用擴(kuò)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(kuò)頻基帶處理芯片Ｗ９３１０來(lái)實(shí)現(xiàn)生命信息和定位信息的擴(kuò)頻、解擴(kuò)處理，然后經(jīng)過(guò)射頻模塊ＷＨＴ９２６１組成一完整的無(wú)線擴(kuò)頻系統(tǒng)，傳送生命信息和定位信號(hào)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(dòng)標(biāo)圖、動(dòng)態(tài)態(tài)勢(shì)和和隊(duì)員動(dòng)態(tài)監(jiān)控等功能模塊組成，各個(gè)模塊集成在同一個(gè)界面下，他們之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，綜合運(yùn)用各種數(shù)字化信息技術(shù)，使救援現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)范圍內(nèi)資源實(shí)現(xiàn)最佳配置，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所

有救援隊(duì)員，與硬件系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)了救援隊(duì)指揮、控制、通信、及后勤保障等功能的一體化，完成救援隊(duì)員生命信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主要功能如下

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

２隊(duì)員生命信息跟蹤：接收隊(duì)員便攜設(shè)備收集的生命信號(hào)數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)生命數(shù)據(jù)對(duì)比，列表顯示．異常信號(hào)發(fā)出警告．

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

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

4結(jié)束語(yǔ)

救援隊(duì)員生命信息系統(tǒng)綜合了ＧＰＳ定位技術(shù)、擴(kuò)頻通信技術(shù)和嵌入式處理器等先進(jìn)的技術(shù)完成了對(duì)救援隊(duì)員的生命信息監(jiān)控．在救援現(xiàn)場(chǎng)遇到突發(fā)情況或者意外狀況時(shí)，可以使救援隊(duì)員在很短時(shí)間內(nèi)收到警報(bào)，及時(shí)的采取應(yīng)急措施或者迅速的撤離現(xiàn)場(chǎng)，保證了救援隊(duì)員的生命安全，最大限度的減少傷亡，保障救援行動(dòng)的高效進(jìn)行．同時(shí)指揮人員可通過(guò)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)隊(duì)員的位置情況，方便的了解救援進(jìn)行態(tài)勢(shì)合理的實(shí)現(xiàn)人員調(diào)度以及指揮管理的自動(dòng)化和數(shù)字化．一定程度上對(duì)救援隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè)起積極促進(jìn)作用．綜上所述，本系統(tǒng)能完成預(yù)定目標(biāo)采集救援隊(duì)員的生命信號(hào)和位置數(shù)據(jù)并且在中心通過(guò)人機(jī)交互界面顯示，是一種先進(jìn)可行的救援系統(tǒng)．

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

１.首次將ＧＰＳ差分定位，嵌入式處理器，擴(kuò)頻通信等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到救援裝備上，綜合各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)．

２.可以把自己收集到的信息傳回指揮中心和隊(duì)友． 可保持與隊(duì)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(qiáng)按上級(jí)指揮中心命令或同級(jí)救援隊(duì)員請(qǐng)求實(shí)施機(jī)動(dòng)救援的能力，提高反應(yīng)速度.

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

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