基于S3C2410的人員定位與生命信息系統的研制

摘要：針對對救援人員的生命信息數據和定位數據采集問(wèn)題，給出一套救援人員生命信息系統的整體設計方案，并且就系統的組成給出了各部分的硬件及軟件的具體實(shí)現方法．可以完成在一千米內ＧＰＳ心率體溫等生命位置信息的無(wú)線(xiàn)傳輸并且在指揮中心顯示
關(guān)鍵詞：GPS定位；生命信息監測；無(wú)線(xiàn)傳輸；人機界面

1引言

隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的快速發(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害造成的危害也越來(lái)越明顯，對社會(huì )產(chǎn)生的影響也越來(lái)越嚴重．國家也開(kāi)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(guò)４次國際救援活動(dòng)，各個(gè)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(guò)對救援人員隊員生命信息系統的研究，完成對生命信號和定位信息的提取和傳輸，并設計指揮中心數據處理和顯示的人機界面．

２系統總體設計

本方案由硬件系統和軟件系統兩部分組成. 其中硬件系統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據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(shí)由GPS模塊獲得定位信息,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳送給主機。根據實(shí)際應用場(chǎng)所和條件的不同，它由數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(wú)線(xiàn)通訊傳送給主機。主機接收生命狀態(tài)信息數據，并經(jīng)處理將監測數據顯示出來(lái),能接收分機回應發(fā)射的數據或分機檢測到生理參數不正常時(shí)自動(dòng)發(fā)出的數據和求救信號將接收到的數據與分機號對應存儲同時(shí)能確定其位置。軟件系統主要是由電子地圖、信息管理、信息查詢(xún)、行動(dòng)標圖、動(dòng)態(tài)態(tài)勢和和隊員動(dòng)態(tài)監控等功能模塊組成指揮中心主機端的數據處理和實(shí)時(shí)顯示程序．系統總體框圖如圖1所示

2.1 硬件設計

分機硬件系統采用模塊化設計,由以下子系統構成:1生命狀態(tài)監測系統;2煤氣和化學(xué)毒劑探測系統;GPS定位子系統;4無(wú)線(xiàn)通信系統構成.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(guò)無(wú)線(xiàn)數傳電臺發(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(gè)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(shí)跟蹤12顆GPS衛星,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(kāi)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數據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,1個(gè)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

生命信息子系統主要是由4個(gè)傳感器和模數轉換芯片組成, 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(lái)檢測救援隊員附近有無(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(yíng)/D轉換需要很強的實(shí)時(shí)性,雖然系統移植了實(shí)時(shí)操作系統能夠對多任務(wù)自動(dòng)調度,但考慮到系統的穩定性,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據采集系統中應用較多的MAX186.串行模數轉換器MAX186是一種采用主次逼近型A/D轉換技術(shù)的單片數據采集器,它將多路轉換開(kāi)關(guān),基準電壓源,時(shí)鐘電路和轉換電路集成在一塊芯片內,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

GPS定位技術(shù)就是利用導航衛星進(jìn)行測時(shí)和測距以構成全球定位系統,使用GPS 定位具有觀(guān)測簡(jiǎn)便經(jīng)濟效益好的優(yōu)點(diǎn),差分后可達到小于5米的定位精度,經(jīng)過(guò)特定的后處理可達到厘米級的定位精度.GPS系統的衛星和地面支撐系統都是由有關(guān)國家出資運行的用戶(hù)接收機也已實(shí)現標準化對用戶(hù)來(lái)說(shuō)只需接收用戶(hù)接收機的信號就可以了.本系統采用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)間及定位數據, 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(shí)UTC) , 111111111 (緯度) , N/ S ( 北/ 南) , yyyy1yyyy ( 經(jīng)度) , E/ W ( 東/ 西) , x(定位狀態(tài)) , xx (使用的衛星數) , xxx ( HDOP 值) , 0/ -xxxx (天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸子系統

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

　系統初步考慮用擴頻基帶處理芯片Ｗ９３１０來(lái)實(shí)現生命信息和定位信息的擴頻、解擴處理，然后經(jīng)過(guò)射頻模塊ＷＨＴ９２６１組成一完整的無(wú)線(xiàn)擴頻系統，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據處理顯示系統

軟件系統由電子地圖、信息管理、信息查詢(xún)、行動(dòng)標圖、動(dòng)態(tài)態(tài)勢和和隊員動(dòng)態(tài)監控等功能模塊組成，各個(gè)模塊集成在同一個(gè)界面下，他們之間既相互聯(lián)系又相對獨立，綜合運用各種數字化信息技術(shù)，使救援現場(chǎng)整個(gè)范圍內資源實(shí)現最佳配置，并且可以實(shí)時(shí)監控所

有救援隊員，與硬件系統一起實(shí)現了救援隊指揮、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數據，將隊員的實(shí)時(shí)位置以逐幀列表方式顯示隊員編號、經(jīng)維度、速度、方向、時(shí)間和日期數據．

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據，與標準生命數據對比，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(huà)面．可以正常的輪詢(xún)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(shí)現三維電子地圖顯示，進(jìn)一步的完整和方便救援工作高效率的展開(kāi)．軟件系統的總體框圖如圖4所示

4結束語(yǔ)

救援隊員生命信息系統綜合了ＧＰＳ定位技術(shù)、擴頻通信技術(shù)和嵌入式處理器等先進(jìn)的技術(shù)完成了對救援隊員的生命信息監控．在救援現場(chǎng)遇到突發(fā)情況或者意外狀況時(shí)，可以使救援隊員在很短時(shí)間內收到警報，及時(shí)的采取應急措施或者迅速的撤離現場(chǎng)，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(dòng)的高效進(jìn)行．同時(shí)指揮人員可通過(guò)該系統監測隊員的位置情況，方便的了解救援進(jìn)行態(tài)勢合理的實(shí)現人員調度以及指揮管理的自動(dòng)化和數字化．一定程度上對救援隊的現代化建設起積極促進(jìn)作用．綜上所述，本系統能完成預定目標采集救援隊員的生命信號和位置數據并且在中心通過(guò)人機交互界面顯示，是一種先進(jìn)可行的救援系統．

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):

１.首次將ＧＰＳ差分定位，嵌入式處理器，擴頻通信等先進(jìn)技術(shù)應用到救援裝備上，綜合各種功能模塊，實(shí)現了系統的集成設計．

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(shí)施機動(dòng)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(guān)指揮．

參考文獻

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