CN203261362U - 单兵生理信息感知系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于无线传感器网络的单兵生理信息感知系统，包括单兵生理监测节点，具有生理感知和无线通信功能，以及多个生理信息中继节点，以无线方式逐个节点接力转发生理信息数据，最后传送到网关节点，由网关节点的USB口将生理数据上传到监控中心。监控中心及时存储来自各个单兵生理监测节点的生理数据，并可通过网关的外接无线模块与一远端指挥控制站通信，实现远程查询、专家服务。本实用新型的目的在于在保证士兵行动作战灵活性、机动性的前提下，实现数字化、网络化、实时性的低负荷士兵生理状态信息监测，及时发现对士兵生命安全造成严重威胁的情势，以便实施救护、减少人员伤亡，同时为制定科学军事训练方案提供可靠的信息依据。

Description

单兵生理信息感知系统

技术领域

本实用新型属于生理信息监测和无线通信领域，涉及一种基于无线传感器网络的单兵生理信息感知系统。

背景技术

数字化战场是现代军事发展的必然趋势，数字化单兵系统不再仅局限于具有杀伤力的武器，同时表现为拥有越来越多的数字化、信息化装备。在这种新的战争模式下，单兵作战单元的概念产生了质的飞跃，单兵系统的作战能力高低直接决定了战场上整体战斗力的强弱。

新型数字化装备不仅为士兵作战网络化提供有力的支撑，增强单个士兵的作战能力，同时使指挥员能够迅速获取战场信息，掌握战场的主动权。其中，单兵生命状态信息作为一种最重要的战场信息，在数字化战场中占有举足轻重的地位，因此需要采用数字化的单兵生理信息感知系统来获取士兵的生命状态信息。

考虑到单兵系统的特殊应用场合，目前市场化的生理监测系统不能很好的满足应用需求，主要表现在灵活、便携性方面。市场中的生理监测系统往往需要在人体特定部位放置传感器，由导线连接传感器和监测装置，监测装置需要近距离放置在使用者身旁，并且体积较大，操作较复杂。这些因素将限制士兵的机动灵活性、束缚士兵的行动，不利于任务现场的应用环境。

因此需要研制一种便携性的生理信息感知系统，系统的监测端采用可穿戴方式，轻便而不会对士兵的身心带来负担，影响士兵的战斗力；并且可以实时的传输数据到远端的监控中心。新兴的生命信息检测技术、可穿戴技术、无线传感器网络技术的发展为系统的小型化、轻量化、网络化提供技术支持，使得单兵应用需求的实现成为可能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于在保证士兵行动作战灵活性、机动性的前提下，实现数字化、网络化、实时性的低负荷士兵生理状态信息监测，能够通过无线传感器网络及时传输士兵生理信息，有预见性的感知任务现场士兵生理状态，及时发现对士兵生命安全造成严重威胁的情势，以便实施救护、减少人员伤亡，及时调度兵力资源、优化兵力部署。同时存储来自各个士兵的生理监测数据，为制定科学军事训练方案提供可靠的信息依据。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的单兵生理信息感知系统，包括有：生理信息监测节点、生理信息中继节点、网关节点、监控中心。

生理信息监测节点是可穿戴的单兵生理信息监测腰带，该腰带嵌入了多种类型的微型生理传感器，可以实现多生理参数的监测，包括士兵的心跳、呼吸、体温、体动。

所述的生理信息监测节点还嵌入了ZigBee无线通信模块，通过无线方式传输士兵的生理信息到与之相邻的生理信息中继节点。

生理信息中继节点同样配置了ZigBee无线通信模块，可以接收来自生理信息监测节点的数据，并以同样的无线方式传输信息到下一个邻近的生理信息中继节点，通过这种无线接力形式的传递，最终将信息传输到网关节点。

网关节点包括有ZigBee通信模块、GPRS模块、3G模块和WLAN模块。ZigBee模块实现与相邻的生理信息中继节点的通信，接收来自士兵的生理信息。通过GPRS模块、3G模块和WLAN模块，实现与远端指挥控制站的互联。

所述的网关节点通过USB口与监控中心相连，将接收的生理信息数据上传到监控中心。

监控中心以台式电脑为主，在其上设计了登陆界面、监控界面以及生理信息数据库。登陆界面根据用户类型设置不同权限，分为普通用户和管理员。普通用户只具有查阅信息的权利，管理员不仅可以查阅信息，并且可以更改相关设置。监控界面以直观的图形方式实时显示士兵的呼吸、心跳、体温、体动波形，并在后台程序中分析各个腰带的生理参数，评估士兵的生理状态，发现异常状况后及时反馈。生理信息数据库将各个士兵的生理信息监测腰带所采集的单兵生理数据及相关个体信息存储在监控中心端的服务器中，以便结合医学相关的专业背景知识做进一步的数据处理与统筹分析工作。

本实用新型的特点在于生理信息监测节点采用可穿戴的生理信息监测腰带，佩戴舒适，轻便易拆卸，避免了传统通过在人体上布设繁琐连接线的监测模式所带来的不便；并且生理信息监测节点多参数的生理信息监测模式比单参数的模式提供了更加全面的士兵生理状态信息，可以进行更加可靠、准确的士兵状态评估，提高决策的准确度、可信度。同时，以无线中继方式代替传统的有线网络，极大加强网络布署的灵活性，方便在任务现场迅速展开网络架设；并且网络的鲁棒性也得到改善，当个别设备出现故障，网络的自组织功能根据网络的动态变化自适应调整传输路径，同时可及时更换通信设备，保障整个系统的有效运行。监控中心端的网关还可以实现与远端指挥控制站的互联，形成一种时间域、空间域、信息域的多维度扩展系统。

附图说明

图1为本实用新型的系统总体框图；

图2为生理信息监测腰带的示意图；

图3为心电感知模块框图；

图4为体温感知模块框图；

图5为体动感知模块接口示意图；

图6为生理信息监测节点结构示意图；

图7为中继节点结构示意图；

图8为网关节点结构示意图；

图9为监控中心端软件界面功能示意图。

其中，附图标记说明如下：

1软搭扣    2呼救按钮    3ZigBee通信模块    4开关按钮

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。

如图1所示，本实用新型的单兵生理信息感知系统包括：生理信息监测节点、生理信息中继节点、网关节点、监控中心、远端指挥控制站。

在军事训练和特殊任务现场，士兵将生理信息监测节点，即生理信息监测腰带穿戴在腰部，在士兵进行任务行动过程中，由生理信息监测腰带中嵌入的多个生理传感器，采集士兵的生理信息，包括心跳、呼吸、体温、体动。同时生理信息监测节点中嵌入的ZigBee无线通信模块负责将所采集的士兵生理数据以无线方式传输到相邻的生理信息中继节点，多个中继节点以接力的形式，无线传输生理信息直至到达网关节点。网关节点通过USB口上传数据到监控中心。监控中心为一台式电脑，负责实时显示心跳、呼吸、体温、体动的波形，并从医学角度分析各生理参数中所指示的该士兵生理状态，及时将生理数据保存在生理信息数据库中。远端指挥控制站可以通过网关节点的各类模块，如GPRS模块、3G模块、WLAN模块，实现远程数据查询、下载，专家咨询分析，向监控中心下达命令指示。

图2为生理信息监测腰带的示意图。士兵在穿戴该腰带时，通过软质尼龙搭扣1，将腰带系在腰部，与身体紧密贴合，保证士兵在运动过程中不轻易出现脱落，并具有便于拆卸、操作简单的特点，适用于快速穿戴的场合。呼救按钮2是为士兵设置的突发状况按钮，当士兵自身处于危急生理状态中时，可以主动按下呼救按钮2，该信息会迅速反馈到监控中心，以便医护人员实施救援。各种生理传感器是内嵌在腰带与身体接触的面中，这些生理传感器所采集的士兵生理数据通过ZigBee通信模块3实现实时、无线传输。开关按钮4用于启动腰带进行工作。只有当士兵按下该按钮时，腰带才开始采集士兵的生理数据，并加入到无线传感器网络中，向相邻中继节点发送士兵的生理信息数据。

图3所示的心电感知模块包括：电极、前置放大、工频陷波、低通滤波、二级放大、A/D转换。心电感知模块采用衣物纺织纤维上的氯化银接触式电极降低极化电势的方法记录心电信号。前置放大的实施可采用具有高输入阻抗、高共模抑制能力、高稳定增益的精密差动电压增益放大器件AD620。工频陷波采用对称性双T型陷波器来消除市电供电电网正常的50Hz正弦波形上叠加的许多高电压的尖峰脉冲信号对心电信号的干扰。50Hz工频陷波的一具体实施例可由两个MAX4075芯片和一个MAX4198芯片构成。低通滤波器可采用归一化设计的Butterworth四阶低通滤波，设置截止频率f为110Hz。二级放大的实施可采用低噪声、低功耗的TLC2254芯片。

其中，呼吸的监测可采用阻抗式测量方法，即在心电电极上施加高频信号，接收心电信号的同时测得人体阻抗变化。

图4所示的体温感知模块包括：基准电路、测量电桥、电压跟随器、前置放大、二级放大、A/D转换。为保证体温测量电桥的输入端获得稳定电压，可设计基准电路，在电源输入端处接入三端可调分流基准源TL431。体温测量的实现主要是采用惠斯登电桥作为信号检测变化电路的传感器电桥，具体实施例选用正温度系数热敏电阻传感器Pt100构成测量电桥的一只桥臂。由测量电桥获取的差分信号需要接入电压跟随器，以便隔离后级电路对电桥电路的影响。同时为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，该体温感知模块的放大电路采用两级放大。模块中的放大器件可选用通用型低功耗集成四运放LM324。

图5为体动感知模块接口示意图。身体运动采用三维加速度传感器MMA7260测量。MMA7260加速度传感器的硬件电路极其简单，仅需与ADC之间增加阻容滤波电路。MMA7260内部采用了开关电容滤波器，有时钟噪声产生，需要在MMA7260的Xout、Yout和Zout三个输出端分别接RC滤波器。

以上图3、4、5中的A/D转换可由集成化芯片中自带的AD转换功能模块实现，也可采用专用的AD芯片以达到更高精度的模数转换，一具体的实施例中可采用低功耗、低噪声、完整模拟前端的AD7792芯片。

图6所示生理信息监测节点由传感器模块和ZigBee无线通信模块组成。传感器模块包括各类传感器件及相应的信号调理电路。ZigBee无线通信模块核心组成部分包括微控制器MSP430和无线射频器件CC2420。微控制器MSP430中移植基于构件的TinyOS操作系统，无线射频芯片CC2420按照ZigBee协议进行通信。串口转USB接口用于程序的下载、烧写。电源部分由3V的纽扣电池供电。

中继节点结构如图7所示。其无线通信部分的主要部件同生理信息监测节点的ZigBee无线通信模块一样也是由微控制器MSP430和无线射频器件CC2420组成。所不同的是中继节点只完成无线通信功能，没有生理信息监测节点中的传感器模块。

图8中的网关节点需要实现的功能比监测节点和中继节点复杂，不仅有无线通信功能，还要负责维护整个网络的运行，因此实施例中采用功能更强大的ARM控制器。此外，该节点中还设置了不同用途的接口，如USB和RS232接口。ZigBee通信模块与监测节点和中继节点中的相同。外接无线模块可以是WLAN、3G或GPRS模块中的一种。JTAG调试接口用于程序的下载、烧写。以太网控制器芯片CS89200A实现与互联网的连接通信。网关节点的供电方式可以是USB供电或是用电源线连接市电。

图9显示了监控中心端软件界面的各个功能。软件平台的启动界面是登陆界面，并设置用户权限，分为普通用户和管理员。普通用户只有查阅权限，而管理员则几乎不受限，可进行任意查询和修改作业。登陆后，用户进入到波形显示界面，一旦某个生理信息监测腰带被启动，其数据传到监控中心，该士兵的各个生理参数波形就实时出现在波形显示界面中。并且波形显示界面有单端显示和多端显示两种模式，单端显示只显示某一个士兵的生理参数波形，多端显示可同时显示多个士兵的生理参数波形。这些上传的士兵生理数据都被自动存储在服务器的生理信息数据库中，可供用户进行后期查询。波形记录保存功能是根据需求针对某个士兵的生理参数波形进行个别记录保存，之后可启动波形回放分析功能对所保存的士兵生理参数波形单独进行分析处理。为了加强对士兵生理状态的监控力度，设置了两个互为补充的功能界面，求救信号显示界面和警示信号显示界面。求救信号显示界面是士兵主动触发求救按钮时弹出的界面窗口，以避免危急状态下监控中心未能及时判断危情发生。而警示信号显示界面是监控中心端进行实时分析判断士兵生理状态，发现异常生理状态时弹出的界面窗口。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能用来限制本实用新型的实施范围，凡依据本实用新型所做出的均等改进皆应属于本实用新型的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种单兵生理信息感知系统，其特征在于，包括有：生理信息监测节点、生理信息中继节点、网关节点、监控中心，其中，

单兵生理信息监测节点负责采集士兵的生理信息，并将采集的信息通过无线方式发送到邻近的中继节点；多个生理信息中继节点将收到的数据无线接力逐个传送到网关节点，最后由网关节点通过USB接口将士兵的生理信息数据上传到监控中心的计算机，并在监控中心端实时显示士兵的生理参数波形，同时对所上传的生理数据进行保存、分析。

2.根据权利要求1所述的单兵生理信息感知系统，其特征在于，生理信息监测节点采用了可穿戴的单兵生理信息监测腰带来实现生理监测。

3.根据权利要求2所述的单兵生理信息监测腰带，其特征在于，该腰带嵌入了多种类型的微型生理传感器，可以实现多生理参数的监测，包括士兵的心跳、呼吸、体温、体动。

4.根据权利要求1所述的单兵生理信息感知系统，其特征在于，该系统中的生理信息监测节点和中继节点配置了ZigBee无线通信模块，以无线方式传输生理信息到下一个邻近的节点，通过这种无线接力形式逐个传递生理信息，最终将信息传输到网关节点。

5.根据权利要求1所述的单兵生理信息感知系统，其特征在于，网关节点包括有ZigBee通信模块、GPRS模块、3G模块和WLAN模块；ZigBee模块实现与相邻的生理信息中继节点的通信，接收来自士兵的生理信息，之后通过USB口上传生理信息数据到监控中心；通过GPRS模块、3G模块和WLAN模块，

实现与远端指挥控制站的互联，实现远程信息查询、监控。

6.根据权利要求1所述的单兵生理信息感知系统，其特征在于，该系统的监控中心端设计了登陆界面、监控界面以及生理信息数据库；登陆界面根据用户类型设置不同权限，分为普通用户和管理员，普通用户只具有查阅信息的权利，管理员不仅可以查阅信息，并且可以更改相关设置；监控界面以直观的图形方式实时显示士兵的呼吸、心跳、体温、体动波形，并在后台程序中分析各个腰带的生理参数，评估士兵的生理状态，发现异常状况后及时反馈；生理信息数据库将各个士兵的生理信息监测腰带所采集的单兵生理数据及相关个体信息存储在监控中心端的服务器中，以便结合医学相关的专业背景知识做进一步的数据处理与统筹分析工作。

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