民機駕駛艙人為因素生理體征數據采集系統設計

2.2 接收模塊硬件組成
接收模塊由ARM系統板和CC2430模塊組成。ARM系統板以三星公司的ARM920T架構S3C2440a芯片為核心，工作頻率400 MHz，最高533 MHz，并且配備64 MB的SDRAM內存、256 MB的Nandflash以及2 MB的Norflash。CC2430接收模塊負責分時(shí)接收各個(gè)節點(diǎn)的數據并且存入緩存。ARM系統板和CC2430模塊也是通過(guò)UART進(jìn)行通信，ARM系統通過(guò)UART控制CC2430與體征數據采集模塊通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行交互，并對數據進(jìn)行一定的預處理和過(guò)濾，并通過(guò)以太網(wǎng)傳送給遠程服務(wù)器。該模塊具有如下特點(diǎn)：性?xún)r(jià)比高、功耗小、體積小、穩定性好，有多種應用模式；接口豐富，有UART、百兆以太網(wǎng)口、USB-Host/Device、SPI、I2C、GPIO、LCD接口等，便于系統擴展；可以運行Linux操作系統，進(jìn)行多任務(wù)操作，軟件易擴展裁剪；擁有簡(jiǎn)單的用戶(hù)交互界面和輸入輸出設備，如鍵盤(pán)鼠標、LCD等，可以脫離遠程服務(wù)器進(jìn)行顯示；UART波特率可達115 200 b/s，滿(mǎn)足接收端CC2430接收多個(gè)節點(diǎn)數據的需要。
2.3 遠程服務(wù)器搭建
遠程服務(wù)器主要指軟件層面的服務(wù)器端程序，可以運行在普通PC或硬件服務(wù)器上。遠程服務(wù)器和ARM通過(guò)以太網(wǎng)通信，將ARM已經(jīng)進(jìn)行過(guò)預處理的體征數據做進(jìn)一步分析和處理，如統計分析、與其他數據協(xié)同分析、數據庫存儲等。其特點(diǎn)如下：具有高性能的計算、存儲和通信能力，可以運行具有圖形界面的操作系統；ARM作為遠程服務(wù)器的接口擴展，而遠程服務(wù)器和ARM通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行高速通信，從而實(shí)現遠程服務(wù)器的遠程操控；具有用戶(hù)交互功能，如界面和輸入輸出設備等。
3 軟件設計
系統有三部分共五個(gè)處理器：采集模塊的ARM7處理器、CC2430發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)的8051單片機、接收模塊的ARM9以及服務(wù)器的CPU。
采集模塊通過(guò)接收傳感器對AD的原始數據進(jìn)行計算和整理，按照一定的數據通信協(xié)議通過(guò)UART口傳遞到CC2430發(fā)送節點(diǎn)進(jìn)行緩存，再組包通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據協(xié)議發(fā)送到接收模塊的接收節點(diǎn)，進(jìn)行二次緩存。接收模塊的ARM也是通過(guò)UART和CC2430接收節點(diǎn)按照相互的通信協(xié)議進(jìn)行通信取得這些數據，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的融合和過(guò)濾，最終通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送到遠程服務(wù)器進(jìn)行顯示、存儲、分析等。
由此可見(jiàn)，貫穿于整個(gè)系統軟件的是各個(gè)模塊接口間的數據協(xié)議，通過(guò)一種有效和風(fēng)格統一的協(xié)議，能大大提高數據通信的效率。
3.1 采集模塊程序
接收模塊通過(guò)電極片和導聯(lián)得到模擬數據，并經(jīng)過(guò)放大電路、AD和傳感器等得到量化并具有一定意義的數字信號。ARM7將這些數字信號進(jìn)行計算預處理，對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的組包，以適應UART口的傳輸。這些數據包括7通道ECG心電數據、1通道心率數據、1通道RESP呼吸率、2通道體溫數據。共有3種數據包：心電數據、體溫和呼吸率數據、導聯(lián)連接和系統狀態(tài)數據。平均每個(gè)數據包為8 B，數據率為16 384 b/s，實(shí)時(shí)不間斷地輸出。這樣的數據率可以保證每秒有224組左右心電數據、20~30組體溫數據和狀態(tài)數據。ARM7和CC2430之間UART的波特率設置為8 400 b/s，已滿(mǎn)足數據帶寬，包括數據傳輸延時(shí)和處理延時(shí)。
為保證傳感器數據的實(shí)時(shí)性和完整性，ARM7輸出的數據一般帶有一定的冗余，所以CC2430接收到數據后要進(jìn)行數據融合以降低數據量。由于人體體溫、心率數據短期變化不明顯，所以可以降低實(shí)時(shí)性，因此該類(lèi)型數據一次發(fā)送周期內只需傳輸一組即可。而每組7通道心電數據中，3個(gè)通道可以通過(guò)其他4通道數值計算得出，因此只需保留4通道數值即可。
采集模塊的CC2430充當Zigbee終端設備，因此初始化時(shí)，應該根據接收模塊的Zigbee協(xié)調器所定期發(fā)出的同步命令進(jìn)行注冊，接入Zigbee星型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，然后等待接收端協(xié)調器發(fā)出的體征數據發(fā)送命令。當命令傳送時(shí)，立刻將緩存中的數據通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到接收模塊的CC2430節點(diǎn)。
在Zigbee的幀格式中，體征數據包含在MAC協(xié)議數據單元中，而MAC協(xié)議數據單元又由MAC頭、MAC有效負荷、MAC尾組成，最大長(cháng)度為127 B，如果使用長(cháng)地址，MAC頭和MAC尾要占掉25 B，而短地址只需要9 B。在本系統中，考慮到體征數據的數據量較大，而節點(diǎn)數較少，所以應該采取短地址以增加通信效率，因此每次傳輸體征數據118 B，所以發(fā)送時(shí)需要進(jìn)行分幀。
3.2 接收端CC2430程序
接收端的CC2430模塊作為Zigbee的協(xié)調器，即星型網(wǎng)絡(luò )的中心，與生理體征采集模塊的CC2430類(lèi)似，主要完成UART通信和Zigbee通信兩項任務(wù)。
接收端CC2430初始化時(shí)建立一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )，并且定期搜尋是否有新接入的Zigbee終端設備，若有則通知其注冊?？紤]到數據量，終端設備節點(diǎn)的上限為4個(gè)。以輪詢(xún)的方式向已注冊的節點(diǎn)終端發(fā)送傳輸命令，得到各個(gè)節點(diǎn)所連接的生理體征采集模塊的數據，并寫(xiě)入緩存，同時(shí)打上時(shí)間戳，完成一次接收周期。
另外，CC2430以中斷方式接收ARM端UART傳來(lái)的命令，并且將緩存數據通過(guò)UART返回給ARM系統。
3.3 ARM系統板程序
ARM系統板的軟件架構以L(fǎng)inux為主，主要分成內核層、中間層以及應用層。
內核層包括設備驅動(dòng)、內核API以及簡(jiǎn)單的文件系統；中間層包括一些圖形和網(wǎng)絡(luò )通信的開(kāi)源庫，如QT和JRTPLib等；應用層運行核心的數據處理程序。
ARM系統數據處理程序通過(guò)基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接收遠程服務(wù)器的命令，對ARM接收端的CC2430發(fā)出指令，以控制和接收體征數據采集模塊通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的生理體征數據，并且對數據做進(jìn)一步的融合和篩選，降低數據流量，加強針對性，按照數據協(xié)議加包加尾，發(fā)送到遠程服務(wù)器。ARM系統需要定期與CC2430進(jìn)行時(shí)間校對，以確保CC2430在接收數據時(shí)打的時(shí)間戳盡可能保持時(shí)間同步。
另外，ARM系統還可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶(hù)界面，顯示這些體征數據波形和數值，并且接收用戶(hù)的指令，從而使ARM即使和遠程服務(wù)器沒(méi)有相連的情況，也可以脫離服務(wù)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互。
3.4 遠程服務(wù)器數據處理程序
由于本系統中遠程服務(wù)器的功能主要是采集，所以數據處理在于簡(jiǎn)單的統計分析，設計數據庫存儲功能，并且為上層應用模塊提供處理接口，同時(shí)設計用戶(hù)界面顯示結果和接收用戶(hù)輸入的指令。
遠程服務(wù)器的核心是網(wǎng)絡(luò )編程，通過(guò)基于TCP/IP的數據通信協(xié)議控制ARM完成最終的體征數據采集傳輸，并且將這些數據在界面上畫(huà)圖顯示波形，同時(shí)將數據存入數據庫，并提供數據處理和分析的底層接口。
4 實(shí)現過(guò)程
系統實(shí)現過(guò)程中的難點(diǎn)在于：采集生理體征數據的準確性、Zigbee多節點(diǎn)下的延時(shí)控制和數據完整性、數據融合和數據協(xié)議、系統裝配等。
4.1 生理體征數據的準確性
體征數據的準確性主要依賴(lài)于傳感器芯片的質(zhì)量，傳感器相關(guān)電路的設計以及數據計算的正確性。為了盡可能地保證數據采集的準確性，生理體征采集模塊通過(guò)采購大型廠(chǎng)商的OEM模塊實(shí)現，該模塊的軟硬件架構和前文所提到的設計基本保持一致。
該OEM模塊符合CE要求的功能安全設計以及IEC60601族所有心電、體溫監測相關(guān)標準，可靠性好、數據準確性高。
4.2 Zigbee多節點(diǎn)下的延時(shí)控制和數據完整性
實(shí)際測試得到生理體征傳感器模塊的數據速率為16 384 b/s左右，通過(guò)傳感器模塊發(fā)射端CC2430的篩選，可以使每個(gè)Zigbee節點(diǎn)的實(shí)際輸入數據速率為6 400 b/s左右，而Zigbee網(wǎng)絡(luò )的發(fā)送速率最高為250 kb/s，理論上可以滿(mǎn)足多個(gè)生理體征傳感器模塊通過(guò)Zigbee節點(diǎn)接入Zigbee網(wǎng)絡(luò )以分時(shí)復用的模式與ARM接收端通信。
實(shí)驗表明，除了上述數據率限制因素，還要加入Zigbee傳輸延時(shí)、節點(diǎn)切換延時(shí)。CC2430數據篩選處理延時(shí)，尤其是切換和處理延時(shí)，由于CC2430緩存有限，最高約為1 KB，因此比較合理的節點(diǎn)個(gè)數在1~4個(gè)。如果節點(diǎn)過(guò)多，則節點(diǎn)數據處理延時(shí)和節點(diǎn)切換延時(shí)會(huì )使得單個(gè)節點(diǎn)的數據總延時(shí)成倍加大。如果數據緩存超過(guò)了上限，則會(huì )出現數據不完整的情況。
當1~4個(gè)節點(diǎn)接入時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)的數據總延時(shí)并不大，在100 ms級別，不超過(guò)1 s，具有良好的實(shí)時(shí)性，說(shuō)明限制節點(diǎn)個(gè)數的瓶頸為CC2430的緩存上限?？梢缘贸鼋Y論，控制延時(shí)和數據完整性主要在于降低數據處理延時(shí)和節點(diǎn)切換的延時(shí)，通過(guò)合理的算法以及數據協(xié)議的設計，可以提升有限緩存空間的使用效率。
另外，實(shí)時(shí)性的控制必須加入時(shí)間戳的方法及時(shí)間同步的技術(shù)，以確保數據產(chǎn)生時(shí)間的相對準確性，也可對于延時(shí)進(jìn)行量化的計算。
4.3 數據融合和數據協(xié)議
數據融合和數據協(xié)議是整個(gè)系統上層通信的關(guān)鍵，Zigbee網(wǎng)絡(luò )帶寬和硬件性能是有限的，因此好的上層數據協(xié)議，能夠很好地提升數據通信效率，同時(shí)方便軟件實(shí)現和風(fēng)格統一。
本設計實(shí)現中，數據以組包的形式傳遞，各接口數據包協(xié)議統一設計為：數據包頭+數據類(lèi)型+數據長(cháng)度+數據實(shí)際內容（載荷）+數據校驗。這使數據協(xié)議的處理能夠統一方法，提升軟件代碼的重用性和效率，加強了數據的傳輸效率和準確性。
數據融合主要按照分級數據篩選的方式進(jìn)行，每一級都有一套數據篩選和重新進(jìn)行排列組合的規則和方法，以適應不同級之間的傳輸。這能大大降低數據傳輸量，提升數據的傳輸效率，并且能夠滿(mǎn)足不同的數據需求。
4.4 系統裝配
生理體征采集模塊在采集飛行員體征數據的同時(shí)，對飛行員執行任務(wù)的影響要降低到最小，因此，對模塊的體積有很高的要求。傳感器模塊和CC2430要盡可能地貼近，節省體積，并且使用電池使整個(gè)模塊變成一個(gè)便攜式設備。接收模塊也應該盡量做到小巧，不影響駕駛艙的設備擺放和工作。
本文討論的民機駕駛艙人為因素生理體征數據采集系統的設計，采用目前比較流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式電子技術(shù)，利用Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將飛行員具有代表性的生理體征數據(心電圖、心率、體溫、呼吸率)采集到ARM系統上進(jìn)行初步處理和篩選，再通過(guò)以太網(wǎng)傳給遠程服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步復雜的分析并儲存。這樣的工作模式對于民機人為因素理論研究具有重要的實(shí)踐意義。
系統的最大優(yōu)點(diǎn)是利用物聯(lián)網(wǎng)的成熟技術(shù)實(shí)現了生理體征數據采集的模塊化設計，提高了數據采集能力，提升了系統的可靠性、穩定性和便攜性，同時(shí)方便系統的功能擴展，以便開(kāi)展更多人為因素相關(guān)數據的采集。
系統的下一步改進(jìn)方向是優(yōu)化各個(gè)接口之間的通信協(xié)議，從而更好地改善數據融合和傳輸效率，進(jìn)一步增強擴展性并提升各設備對象的管理能力，從而接入更多類(lèi)型的數據采集設備。
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