CN102256379A - 地震救援人员生命信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震救援人员生命信息采集系统，包括救援人员佩戴的用于采集生命信息并无线传输的无线通信终端，其特征在于所述系统进一步包括人工散布的用于找寻和建立路由信息并且转发网络通信数据的无线路由器和负责建立、配置网络以及对网络数据集中处理的无线协调器。无线通信终端将采集到的救援人员的生命信息无线传输至相邻的无线路由器，无线路由器根据路由算法将数据远距离中转至无线协调器，无线协调器将所收集的各救援人员的生命信息进行处理并实施监控。本系统，保障了救援人员在实施救援行动过程中的生命安全。

Description

地震救援人员生命信息采集系统及方法

技术领域

本发明属于救灾救援技术领域，具体涉及一种地震救援人员生命信息采集系统及方法。

背景技术

中国属于地震频发国家，根据《国家防震减灾规划(2006-2020年)》，到2020年，中国基本具备综合抗御6.0级左右、相当于各地区地震基本烈度的地震的能力，大中城市和经济发达地区的防震减灾能力达到中等发达国家水平。我国目前在地震救援技术和装备方面远远落后于发达国家。

在地震救灾中，及时了解救援人员的生命信息对保障救援人员的生命和提高救援效率有极其重要的作用。地震救援的前提：保障救援人员的安全，及时了解救援信息！

本发明提出了一种地震救援人员生命信息采集系统及方法。地震救援指挥人员和医护人员通过使用本系统，可以远程接收到救援人员的生命信息并采取相应的措施，为营救、调度、安排工作争取宝贵的时间。保障了救援人员在实施救援行动过程中的生命安全。

发明内容

本发明目的在于提供一种地震救援人员生命信息采集系统及方法，解决了地震灾害发生后，指挥人员和医护人员如何获知救援人员的生命信息，更好地保护救援人员生命安全的问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种地震救援人员生命信息采集系统，包括救援人员佩戴的用于采集生命信息并无线传输的无线通信终端，其特征在于所述系统进一步包括人工散布的用于找寻和建立路由信息并且转发网络通信数据的无线路由器和负责建立、配置网络以及对网络数据集中处理的无线协调器。无线通信终端将采集到的救援人员的生命信息无线传输至相邻的无线路由器，无线路由器根据路由算法将数据远距离中转至无线协调器，无线协调器将所收集的各救援人员的生命信息进行处理并实施监控。本系统，保障了救援人员在实施救援行动过程中的生命安全。

优选的，无线通信终端包括采集救援人员生命信息的信号采集模块、对救援人员生命信息进行处理的信号处理模块以及向无线协调器传输救援人员生命信息的信号传输模块。

优选的，所述信号采集模块包括采集救援人员生命信息的传感器和运动状态的加速度传感器，并将采集到的信息送给信号处理模块。

优选的，所述信号处理模块包括采样保持模块、信号放大器、模数转换器和微处理器，所述采样保持模块接收信号采集模块的救援人员生命信息保持经信号放大器放大后由模数转换器转换成数字信号输送给微处理器处理；所述信号传输模块包括无线传输模块，所述救援人员生命信息经处理后无线传输至无线协调器。

优选的，所述无线通信终端包括用于显示指挥信息的显示模块。

优选的，所述采集救援人员生命信息的传感器包括血压传感器、心电传感器、血氧传感器、体温传感器、呼吸传感器。

优选的，所述无线路由器包括无线传输模块和功率放大器，用于远距离中转无线通信终端和无线协调器所传输的无线信号。

优选的，所述无线协调器包括无线传输模块和功率放大器，用于发送救援指挥中心的指挥信息，并接收来自各无线通信终端的救援人员生命信息。

优选的，所述无线协调器包括接口模块，用于与计算机进行通信。

本发明的另一目的在于提供一种地震救援人员生命信息采集的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

优选的，所述地震救援人员生命信息采集方法可以按照如下步骤进行：

(1)无线协调器负责将各散布的无线路由器组建网络，并进行相关的网络配置；

(2)无线路由器找寻和建立无线通信终端与无线协调器之间的路由信息；

(3)无线通信终端循环等待接收来自无线协调器的指挥信息，并且周期性测量救援人员生命信息；

(4)无线通信终端将救援人员生命信息无线传输至相邻的无线路由器；

(5)无线路由器根据路由算法将数据远距离中转至无线协调器；

(6)无线协调器将所收集的整个网络的各救援人员的生命信息进行处理并实施监控。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1、低功耗，无线通信终端无线发射功率约为1毫瓦，在待机模式下，两节普通5号干电池可使用1个月到半年。特别是地震发生后，供电条件受限的环境，这是一个非常有力的优势。

2、低成本，不仅无线通信终端和散布的无线路由器的价格低，尤为重要的是，一旦组建好网络，无须缴纳网络通讯费，可为抗震救援节省大量资金。另外无线通信终端、无线路由器和无线协调器所使用的嵌入式微处理器和存储器要求也非常低。

3、网络容量大，由一个无线协调器组建无线网络最多可以容纳65536个无线通信终端和无线路由器。在同一个区域内可以同时存在最多100个这样的无线网络。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的实施例中地震救援人员生命信息采集系统网络架构示意图；

图2为本发明的实施例中微处理器接口定义图；

图3为本发明的实施例中无线通信终端电路图；

图4是本发明的实施例中无线路由器电路图；

图5为本发明的实施例中无线协调器电路图；

图6为本发明的实施例中无线协调器工作流程图；

图7为本发明的实施例中无线路由器工作流程图；

图8为本发明的实施例中无线通信终端工作流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例某地区地震救援人员生命信息采集系统

如图1，本实施例的地震救援人员生命信息采集系统采用如图1所示的网络通信系统结构，其中包括无线通信终端、无线路由器和无线协调器。该网络是无基础设施的网络，网络中的无线协调器完全不同于Wi-Fi网络中的接入点，它是一个起网络控制中心作用的全功能设备，它不单为网络控制而存在，还可以有自己的应用。就硬件电路而言，无线协调器与无线路由器没有区别，只是根据构建网络的需要，无线协调器承担了控制中心的任务。某个地震区域由人工散布无线路由器，这些无线路由器通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中所需要的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。在这个网络中，救援人员所佩戴的无线通信终端体积小、重量轻，使用简便。无线通信终端通过多跳中继的方式将数据传到无线路由器上，最后由无线路由器将所收集的整个网络的数据传到救援指挥中心的无线协调器进行集中的处理。

地震的发生具有突发性、预测难度大的特点，震级、震中位置、搜救资源等因素将直接影响人员伤亡的程度，如果震中位置离城市较近，震级越大，人员伤亡也就越惨重，地震救援人员生命信息采集系统按如下步骤进行运行：

首先，无线协调器负责将各散布的无线路由器和无线通信终端组建网络，并进行相关的网络配置。然后，无线路由器找寻和建立无线通信终端与无线协调器之间的路由信息。最后，无线通信终端循环等待接收来自无线协调器的指挥信息，并且通过生命信息采集模块进行人体生命体征信息以及运动状态信息的采集。救援人员在实施救援的过程中，可以通过无线通信终端的无线通信模块将这些信号发送出去。无线路由器根据路由算法将数据远距离中转至无线协调器。无线协调器将所收集的各救援人员的生命信息进行处理并实施监控。救援指挥人员和医护人员通过使用本系统，可以远程接收到救援人员的生命信息并采取相应的措施，为营救、调度、安排工作争取宝贵的时间。保障了救援人员在实施救援行动过程中的生命安全。

以下对地震救援人员生命信息采集系统的各个部分进行详细描述：

本实施例中无线通信终端、无线路由器和无线协调器的微处理器均采用TI公司出品的CC2430微处理器芯片。CC2430芯片整合了射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430芯片的主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；较宽的电压范围(2.0～3.6V)。数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能。集成了14位模数转换的ADC。集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。

CC2430芯片采用7mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类，引脚定义如图2所示，各引脚描述如下：

引脚	引脚名称	描述
			1	P1_7	数字端口1.7
2	P1_6	数字端口1.6
			3	P1_5	数字端口1.5
4	P1_4	数字端口1.4
			5	P1_3	数字端口1.3
6	P1_2	数字端口1.2
			7	DVDD	为数字端口提供2.0～3.6V数字电源
8	P1_1	数字端口1.1，具有20mA驱动能力
			9	P1_0	数字端口1.0，具有20mA驱动能力
10	RESET_N	复位，低电平有效
			11	P0_0	数字端口0.0
12	P0_1	数字端口0.1
			13	P0_2	数字端口0.2
14	P0_3	数字端口0.3
			15	P0_4	数字端口0.4
16	P0_5	数字端口0.5
			17	P0_6	数字端口0.6
18	P0_7	数字端口0.7
			19	XOSC_Q2	32MHz晶体振荡器引脚2
20	AVDD_SOC	2.0～3.6V模拟供电连接处
			21	XOSC_Q1	32MHz晶体振荡器引脚1
22	RBIAS1	参考电流的外部精密偏置电阻
			23	AVDD_RRE	2.0～3.6V模拟供电连接处
24	RREG_OUT	1.8V稳压器供电输出
			25	AVDD_IF1	1.8V供电接收带通滤波器
26	RBIAS2	外接精密电阻，43欧姆1％
			27	AVDD_CHP	1.8V供电，用于相位检测
28	VCO_GUAR	连接保护环的压控振荡器
			29	AVDD_VCO	1.8V供电，用于VCO
30	AVDD_PRE	1.8V供电，用于预分频器
			31	AVDD_RF1	1.8V供电，用于LNA、牵制偏置和PA
32	RF_P	正RF信号
			33	TXRX_SWITCH	为PA提供校准电压
34	RF_N	负RF信号
			35	AVDD_SW	为LNA/PA开关提供1.8V电源
36	AVDD_RF2	为接收和传输混频器提供1.8V供电
			37	AVDD_IF2	为传输低通滤波器提供1.8V电源
38	AVDD_ADC	为ADC模拟部分提供1.8V电源
			39	AVDD_ADC	为ADC数字部分提供1.8V电源
40	AVDD_DGU	为数字噪声隔离提供电源
			41	AVDD_DRE	为数字内核提供2.0～3.6V数字电源
42	DCOUPL	1.8V数字供电退藕
			43	XOSC_Q2	32.768kHz晶体振荡器引脚2
44	XOSC_Q1	32.768kHz晶体振荡器引脚1
			45	P2_2	数字端口2.2
46	P2_1	数字端口2.1
			47	DVDD	为数字端口提供2.0～3.6V数字电源
48	P2_0	数字端口2.0

血氧饱和度测量模块(SpO2)采集血氧饱和度和脉率，具体电路连接方式如图3所示。它具有体积小，灵活安装，高可靠性和测量准确度高等特点，能够提供快速、准确的血氧饱和度和脉率测量。另外，它单电源5V工作，低功耗设计，可以显示体积描记波和脉搏强度，具有简单的串口连接，易于集成，通讯协议与BCI的通讯协议完全兼容。血氧饱和度的测量单位为％，脉率的测量单位为BPM。串口通讯采用RS232口，支持4800/115200波特率可选。血氧饱和度测量范围0-100％，脉率测量范围25～250次/分。血氧饱和度的分辨率为1％，脉率的分辨率为1BPM。血氧饱和度的测量精度达±2％(70-100％)脉率的测量精度达±2％(25-250BPM)。血氧饱和度(SpO2)测量模块与微处理器采用串口通讯方式连接，采用4针插座，用来与上位机通讯和提供电源，引脚定义如下：PIN1：TXD，PIN2：RXD，PIN3：GND，PIN4：+5V。采用5针插座与探头连接，定义如下：R_LED：红光输出，IR_LED：红外光输出，GND：地，Opto+：输入正，Opto-；输入负。串口通讯数据格式为：起始位+8位数据位+1位停止位，无校验；波特率可以设置为：4800baud、115200baud。血氧饱和度(SpO2)测量模块所采集到的数据为：5字节格式，每秒钟60个包，第7位为同步位。

其中，具体内容可以为：

本实施例采用的运动传感器为ADXL330传感器。其原理在：人体的任何运动从开始到结束，其运动肢体的每一部位的加速度是一直在改变的。如果重复任一动作，其加速度的变化规律也是非常接近的。所以，只要将三轴加速度传感器放在被测人肢体的某个特征点上，就可准确地将该特征点在运动过程中X、Y、Z三个加速度分量采集出来。然后，通过对加速度分量进行数学计算，就可以得到该点的运动轨迹及动态过程等信息。将多个特征点所采集到的数据进行综合分析，就可得出被测人体运动的详细信息，从而实现了运动信息的数字化。

ADXL330是一个三轴(x轴、y轴和Z轴)模拟输出的加速度传感器，通过DXL30测量出任意时刻三个方向的加速度分量，就可计算出传感器所在空间点此刻的运动方向、空间位置等信息，通过对信息的处理，得到该点动作的详细数据。对人体的多个特征点同时进行检测，并对数据进行综合分析，就可以得到人体运动的信息。ADXL330是热对流式三轴加速度传感器，有信号调理电压输出，最大测量范围为±2g，X和Y轴的带宽从0.5Hz到1600Hz，Z轴带宽从0.5Hz到550Hz，具有良好的零g偏压稳定性和良好的灵敏度精确度。利用微处理器内部集成的模数转换器对加速度传感器ADXL330的三轴输出进行采集。

救援人员在实施救援行动的过程可以通过无线通信终端的显示模块获知指挥中心的调度指令，本实施例中采用Nokia 3310图形84＊48点阵液晶显示屏。该液晶显示屏与CC2430的接口为SPI，工作电压3.3V。如图3所示，Nokia 3310的串行总线包括片选信号线SCE、串行时钟信号线SCLK及串行数据信号线D/C和SDIN，其中D/C为数据输出信号SO，SDIN为数据输入信号SI，遵循SPI接口标准协议。端口P1_4定义为Csn用于选择Nokia 3310，Csn为逻辑“0”时，用于写入器件或从器件中读出数据的同步；Csn为逻辑“1”时，SCLK被禁止。Csn的下降沿启动器件间的相互通信，Csn的上升沿则停止器件间的相互通信。该LCD的控制驱动芯片为PCD8544。PCD8544是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为驱动48行84列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。

由于CC2430的射频接口为差分信号接口电路，需要通过巴伦和阻抗匹配电路方可与单端2.4G天线连接，其连接电路如图3所示，其中电感L1、L2、L3和电容C1以及印制电路板走线Trace构成巴伦和阻抗匹配电路。

本实施例中无线路由器是在CC2430芯片上扩展了2.4GHz射频前端芯片CC2591。CC2591是一款高性能的低成本前端，适用于诸如无线传感网络、传感器、工业、消费类电子以及音频设备等所有2.4GHz无线系统。该器件可为TI公司所有当前及未来2.4GHz RF收发器、发送器以及片上系统产品提供无缝接口，不仅能够加速开发进程，同时还能改善RF性能。该产品集成了可将输出功率提高+22dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6dB的低噪声放大器，从而能够显著增加无线系统的覆盖范围。如图4所示，CC2430与CC2591配合构成PA+LNA无线收发模块。电容C1、C2、C3和电感L2、L3以及电阻R2构成巴伦和阻抗匹配电路。工作载频为2.4GHZ，采用扩频技术，而且CC2430具有优异的选择性和灵敏度等RF性能，这使得工作在2.4GHz ISM频带的不同设备能很好地共存，并能在更长的距离范围内提供更可靠的通信；CC2430数据速率达250kbps，码片速率达2Mchips/s，功率达19dBm，灵敏度达-105dBm，收发距离在1公里左右。

本实施例中无线协调器的射频前端与无线路由器结构相同。无线协调器与电脑是通过串口进行通信，串行通信数据采用标准的RS232电平，因此其串行通信口需要经过电平转换后与CC2430的串行口相连，进行数据的接收和处理。如图5所示，DB9插座的引脚2和引脚3分别与电平转换芯片MAX3232的R1IN和T1OUT，此间信号为RS232电平，分别为RS232_TX和RS232_RX；CC2430的引脚P0_2和P0_3分别与电平转换芯片MAX3232的R1OUT和T1IN，此间信号为TTL电平，分别为UART_RX和UART_TX。在这里，电脑与微处理器CC2430的串行通信的通信参数设定为：数据传输率115200bit/s，数据位8bit，停止位I bit，无奇偶校验。

本发明的实施例中无线协调器工作流程图如图6所示：

首先，进行硬件电路以及软件的初始化；

然后，选择合适的频道，创建一个新的无线网络，配置好网络ID号，并在上位机中显示网络ID号和频道号；

接下来，即进入无线监控状态等待，并监视空气中的无线信号；

若接收到救援人员生命，则将救援指令上传至上位机，然后继续进行监控；

若扫描到上位机有下达救援调度指令，则发送救援调度指令至所有的无线路由器和相邻的无线通信终端。

本发明的实施例中无线路由器工作流程图如图7所示：

首先，进行硬件电路以及软件的初始化；

然后，根据自身的网络地址加入已建立的无线网络；

接下来，即进入无线监控状态等待，并监视空气中的无线信号，并根据对信号帧的解析判断是何种信号；

若接收到控制帧，则将根据控制的类型进行相应的控制或配置处理；

若接收到数据帧，则将根据数据帧的目的地址转发相应的数据至其他无线路由器或作为自身子节点的无线通信终端；

本发明的实施例中无线通信终端工作流程图如图8所示：

首先，进行硬件电路以及软件的初始化；

然后，发送欲加入无线网络的信号；

若加入成功，则进入无线监控状态；否则，继续申请加入；

接下来，即进入无线监控状态等待，并监视空气中的无线信号；

若到达采集信息的时间，则采集救援人员生命信息，并无线发送出去；

若接收到指挥命令，则通过显示模块显示指挥命令。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地震救援人员生命信息采集系统，包括救援人员佩戴的用于采集生命信息并无线传输的无线通信终端，其特征在于所述系统进一步包括人工散布的用于找寻和建立路由信息并且转发网络通信数据的无线路由器和负责建立、配置网络以及对网络数据集中处理的无线协调器。

2.根据权利要求1所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述无线通信终端包括采集救援人员生命信息的信号采集模块、对救援人员生命信息进行处理的信号处理模块以及向无线协调器传输救援人员生命信息的信号传输模块。

3.根据权利要求2所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述信号采集模块包括采集救援人员生命信息的传感器和运动状态的加速度传感器，并将采集到的信息送给信号处理模块。

4.根据权利要求2所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述信号处理模块包括采样保持模块、信号放大器、模数转换器和微处理器，所述采样保持模块接收信号采集模块的救援人员生命信息保持经信号放大器放大后由模数转换器转换成数字信号输送给微处理器处理；所述信号传输模块包括无线传输模块，所述救援人员生命信息经处理后无线传输至无线协调器。

5.根据权利要求1所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述无线通信终端包括用于显示指挥信息的显示模块。

6.根据权利要求3所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述采集救援人员生命信息的传感器包括血压传感器、心电传感器、血氧传感器、体温传感器、呼吸传感器。

7.根据权利要求1所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述无线路由器包括无线传输模块和功率放大器，用于远距离中转无线通信终端和无线协调器所传输的无线信号。

8.根据权利要求1所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述无线协调器包括无线传输模块和功率放大器，用于发送救援指挥中心的指挥信息，并接收来自各无线通信终端的救援人员生命信息。

9.根据权利要求1所述的地震救援人员生命信息采集系统，其特征在于所述无线协调器包括接口模块，用于与计算机进行通信。

10.一种利用权利要求1所述的地震救援无线通信的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)无线协调器负责将各散布的无线路由器组建网络，并进行相关的网络配置；

(2)无线路由器找寻和建立无线通信终端与无线协调器之间的路由信息；

(3)无线通信终端循环等待接收来自无线协调器的指挥信息，并且周期性测量救援人员生命信息；

(4)无线通信终端将救援人员生命信息无线传输至相邻的无线路由器；

(5)无线路由器根据路由算法将数据远距离中转至无线协调器；

(6)无线协调器将所收集的整个网络的各救援人员的生命信息进行处理并实施监控。

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