高偉，盛仕偉

（1.中國電信大連分公司，遼寧大連，116028；2.大連交通大學(xué)，遼寧大連，116028）

0 引言

在進(jìn)行野外運動或在野外工作及野外軍事訓(xùn)練、行動時，受到戶外復(fù)雜多變的環(huán)境以及體能限制等因素難以避免會發(fā)生急性組織損傷情況，引發(fā)強烈的疼痛感并伴發(fā)腫脹、發(fā)熱等癥狀。此外，持續(xù)的劇烈疼痛將導(dǎo)致血壓降低、腦供血不足甚至出現(xiàn)昏厥癥狀，對傷者造成缺血神經(jīng)障礙、永久性腦損傷，甚至導(dǎo)致死亡。但野外環(huán)境復(fù)雜，通信基站無法完全覆蓋，因此傷者無法及時獲得救助。常規(guī)野外急救措施是攜帶戶外急救包進(jìn)行自救，配備急救藥品、外用醫(yī)療器械、包扎繃帶等。但戶外急救包存在沉重、空間有限、攜帶的醫(yī)藥物資有限等不足，尤其在傷勢較重情況下傷者無法實施自救，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。針對野外緊急救援方案國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并取得了一定進(jìn)展[1～3]。針對目前野外救援方案中無法采用常規(guī)通信工具發(fā)送求救信號，傷者在強烈疼痛中無法實施自救的問題，本研究設(shè)計一種由北斗導(dǎo)航模塊、生理信號采集模塊、鎮(zhèn)痛泵、聲光報警模塊構(gòu)成的野外緊急救援裝置，實現(xiàn)北斗短報文通信、生理數(shù)據(jù)實時采集、鎮(zhèn)痛泵自動控制功能，解決野外救援中救援信號及時發(fā)送，救助傷者智能化的問題[4～5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本研究設(shè)計的野外緊急救援裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，裝置由3.3V 鋰電池供電，系統(tǒng)由核心處理器和北斗模塊、鎮(zhèn)痛泵、生理參數(shù)檢測模塊、聲光報警模塊共4 個外圍模塊組成。核心處理器采用低功耗STM32 芯片，STM32 芯片采用ARM 結(jié)構(gòu)，具有低電壓、低功耗、抗干擾能力強、端口資源豐富等特點，適用于可穿戴設(shè)備和手持設(shè)備。STM32芯片作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)生理數(shù)據(jù)處理分析、北斗短報文通信數(shù)據(jù)控制、鎮(zhèn)痛泵控制、聲光信號控制。生理參數(shù)檢測模塊將心率、體溫、呼吸、血氧數(shù)據(jù)傳送給核心處理器，處理器首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)運算，當(dāng)檢測到生理參數(shù)異常時，發(fā)送報警控制信號給聲光報警模塊。ATGM336H 北斗導(dǎo)航芯片傳送定位信息給核心處理器，處理器對定位字符串進(jìn)行解析得到準(zhǔn)確的位置信息。當(dāng)處理器檢測到生理參數(shù)異常時，將位置信息和生理參數(shù)數(shù)據(jù)形成短報文，通過北斗短報文模組XM1302E 發(fā)送到指定平臺。

圖1 野外緊急救援轉(zhuǎn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

北斗模塊由高性能ATGM336H 雙模導(dǎo)航模組和XM1302E 北斗短報文模組構(gòu)成。ATGM336H 雙模導(dǎo)航模組具備全星座定位功能，內(nèi)置32 個跟蹤通道，具備體積小、高靈敏度、低功耗特點，跟蹤靈敏度達(dá)到-162dBm，支持A-GNSS 和D-GNSS，適用于可穿戴設(shè)備。本系統(tǒng)采用的ATGM336H 導(dǎo)航模塊和雙模天線分別如圖2 和圖3 所示。XM1302E 北斗短報文模組內(nèi)部集成短報文射頻基帶一體化芯片和電路，能夠?qū)DSS 衛(wèi)星信號進(jìn)行濾波并進(jìn)行低噪聲放大。XM1302E 北斗短報文模組具有高集成度、低功耗、小尺寸等特點，適用于野外應(yīng)急求救管理，尤其在野外無人區(qū)能夠發(fā)揮應(yīng)急通信的優(yōu)勢。

圖2 ATGM336H 導(dǎo)航模塊

本系統(tǒng)采用自控給液100ml 1267 型鎮(zhèn)痛泵，如圖4 所示。鎮(zhèn)痛泵穿戴在野外人員身上，采用自動結(jié)合手動控制方式工作。系統(tǒng)能夠根據(jù)傷者的生理參數(shù)自動控制鎮(zhèn)痛泵啟停，控制給藥量。當(dāng)傷者意識清醒時也可以選擇手動對鎮(zhèn)痛泵進(jìn)行控制。本系統(tǒng)鎮(zhèn)痛泵控制采用超前鎮(zhèn)痛算法，通過多生理參數(shù)的分析，對傷者疼痛強度進(jìn)行預(yù)判、提前給藥，實現(xiàn)超前鎮(zhèn)痛，減輕疼痛刺激向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞，減輕傷者癥狀。

圖4 1267 型鎮(zhèn)痛泵

生理參數(shù)檢測模塊采用一次性生理電極實時采集戶外人員的心率、體溫、呼吸、血氧等生理參數(shù)，當(dāng)生理參數(shù)異常并超過閾值時通過XM1302E 北斗短報文模組發(fā)送求救信息，同時啟動鎮(zhèn)痛泵，根據(jù)實時生理參數(shù)控制給藥量。系統(tǒng)的心率和血氧飽和度檢測電路如圖5 所示，檢測電路采用紅外光譜法，通過對不同波長紅外輻射數(shù)據(jù)對血氧飽和度和心率數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。紅外光譜法具有快速準(zhǔn)確，抗干擾力強等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測儀器。系統(tǒng)采用的一次性生理電極具有導(dǎo)電性好、粘貼牢靠、對皮膚無刺激、安全衛(wèi)生的特點。聲光報警模塊由LED 燈和喇叭組成，STM32 芯片的2 個控制端口分別控制LED 燈閃爍和喇叭發(fā)聲，其中喇叭通過驅(qū)動電路實現(xiàn)控制信號放大。系統(tǒng)采用聲光報警具有較強的警示作用，便于救援人員實現(xiàn)快速定位。

圖5 血氧和心率采集電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程如圖6 所示，系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)行初始化，并檢測各個模塊的工作狀態(tài)，如果模塊出現(xiàn)異?；蛏硇盘枡z測電極未粘貼則進(jìn)行聲音提示。系統(tǒng)初始化結(jié)束后首先檢測“求救按鍵”，如果用戶未進(jìn)行手動求救，系統(tǒng)實時檢測血氧、心率、體溫和呼吸數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合評價，當(dāng)分析結(jié)果顯示身體狀況異常時將自動啟動求救模式，發(fā)出聲光報警信號。如果用戶進(jìn)行手動求救，則啟動ATGM336H導(dǎo)航模塊確定準(zhǔn)確的位置信息，并啟動XM1302E 北斗短報文模組將位置信息和生理參數(shù)信息形成北斗短報文發(fā)送到指定平臺。此外，綜合評判生理狀況后適時啟動鎮(zhèn)痛泵，采用超前鎮(zhèn)痛法進(jìn)行給藥。如果傷者意識清醒且痛感強烈，可以手動增加給藥量。

圖6 主程序流程圖

北斗短報文程序流程如圖7 所示，首先啟動ATGM336H雙模導(dǎo)航模組并通過串口接收位置信息。位置信息需要進(jìn)行解析并判斷信息的有效性，如果信息接收有誤或者位置信息無效則重新接收信息。接收到有效位置信息后可以解析出經(jīng)緯度、海拔等原始數(shù)據(jù)。然后啟動XM1302E 北斗短報文模組，將位置信息和生理信號數(shù)據(jù)封裝為北斗短報文發(fā)送到指定平臺。

圖7 北斗短報文程序流程圖

ATGM336H 雙模導(dǎo)航模組串口信息格式為全球定位系統(tǒng)和導(dǎo)航設(shè)備交換信息的NMEA 標(biāo)準(zhǔn)格式，通用NMEA 語句以‘$’作為起始符，兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”，中間是數(shù)據(jù)信息，以＜CR＞和＜LF＞作為結(jié)束。NMEA 數(shù)據(jù)信息有十幾種，常用的語句名包括“GGA”全球定位信息、“GLL”地理定位信息、“VTG”地面速度信息、“GSA”當(dāng)前衛(wèi)星信息等。例如GGA 語句中包括定位時間、經(jīng)緯度、質(zhì)量因子、水平精度因子、海拔等字段，主要用于獲取準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本研究給出一種結(jié)合北斗定位和短報文技術(shù)的野外緊急救援系統(tǒng)的設(shè)計方案，彌補目前野外救援裝置缺少生理數(shù)據(jù)實時檢測分析，缺少自動給藥鎮(zhèn)痛功能，無法在無通信基站環(huán)境發(fā)送求救信號的不足。系統(tǒng)采用具有自主核心技術(shù)的ATGM336H 導(dǎo)航模塊實現(xiàn)定位，采用北斗短報文模組XM1302E 實現(xiàn)短報文發(fā)送；采用自主設(shè)計的生理信號采集電路實現(xiàn)血氧、心率、體溫和呼吸數(shù)據(jù)檢測；采用融合算法實現(xiàn)生理數(shù)據(jù)的分析與評判；采用超前鎮(zhèn)痛給藥法實現(xiàn)鎮(zhèn)痛藥劑的自動注射。系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗、穩(wěn)定性、安全性、可靠性，在軟件設(shè)計方面首創(chuàng)性采用多數(shù)據(jù)融合分析算法與超前鎮(zhèn)痛給藥算法，為野外人員的生命安全提供保障。