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現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,戰(zhàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變,士兵的安全狀況、位置信息是指揮官、醫(yī)務(wù)兵需要掌握的重要信息。當(dāng)前,對(duì)士兵的跟蹤和監(jiān)測(cè)主要依靠視覺(jué)觀察和語(yǔ)言交流,這種方式在某些情況下會(huì)受到限制,比如士兵被部署在建筑物內(nèi)或指揮官目視區(qū)域外的封閉空間中。同時(shí),戰(zhàn)場(chǎng)上的客觀條件往往不允許士兵與指揮官通過(guò)語(yǔ)言交流來(lái)報(bào)告他的健康狀況、位置信息等[1]。近幾年,各國(guó)都在大力研制能適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的武器裝備,監(jiān)測(cè)士兵安全狀況的便攜式設(shè)備也成為研究重點(diǎn)之一。 前期我們已成功研制出了一套全數(shù)字化的野戰(zhàn)傷員搜救與信息管理系統(tǒng)[2-3],最近又進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了微型士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器,實(shí)現(xiàn)了士兵活動(dòng)、姿態(tài)和心率的實(shí)時(shí)分析和識(shí)別,指揮人員或醫(yī)務(wù)兵根據(jù)上述信息準(zhǔn)確判斷士兵的安全情況,并在必要時(shí)根據(jù)同時(shí)提供的士兵GPS信息,實(shí)現(xiàn)快速救護(hù)。 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用的特殊性要求監(jiān)測(cè)器體積小、重量輕、功耗低,佩帶方便、舒適,以不影響士兵作戰(zhàn)作業(yè)為前提。由于傳統(tǒng)的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法適應(yīng)這種特殊要求,近年來(lái),穿戴式技術(shù)已被應(yīng)用于單兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器的研究,實(shí)現(xiàn)低生理、心理負(fù)荷的監(jiān)測(cè)。由美國(guó)國(guó)防部資助的喬治亞工程技術(shù)研究所研究的Smartshirt就是一個(gè)具有襯衣外觀的基本生理信息采集系統(tǒng)[4],是生命信息檢測(cè)技術(shù)與日常衣物融合的典型樣例。我國(guó)的俞夢(mèng)孫院士、鄧親愷教授等也在研究單兵生理狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中取得一定成果,開(kāi)發(fā)出了能檢測(cè)呼吸、心電、體溫、運(yùn)動(dòng)等生理參數(shù)的腰帶、背心等[4-7],為生命狀態(tài)的辨識(shí)提供方便的載體。但目前這些研究仍沿用傳統(tǒng)多傳感器思路,將傳感器嵌入衣服或需設(shè)計(jì)一體化的監(jiān)護(hù)服,制作復(fù)雜、成本高,而有些參數(shù)如體溫對(duì)傷情評(píng)級(jí)價(jià)值有限。針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求與我軍實(shí)際,我們提出了一種基于單一加速度傳感器的更簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方案———微型士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器,作戰(zhàn)前將其粘貼在士兵左胸部,檢測(cè)士兵的活動(dòng)、姿態(tài)和心率,并通過(guò)Zigbee無(wú)線發(fā)送到單兵數(shù)字終端,由其融合兩類信息對(duì)士兵的身體狀況、是否受傷作出評(píng)價(jià)。 1總體設(shè)計(jì)和工作原理 加速度傳感器是監(jiān)測(cè)器的核心,經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選,最后我們確定采用Freescale公司的MMA7260加速度傳感器。該型加速度傳感器能高精度測(cè)量空間方位上x、y、z三軸方向上的加速度信號(hào),并輸出一個(gè)與加速度信號(hào)成正比的電壓信號(hào)[8]。圖1給出了加速度傳感器放置在人體左胸時(shí)的坐標(biāo)模型示意圖。其中,豎直向上、水平向右、正面向前分別為x、y、z三軸的正向取向。 
當(dāng)人體處于步行、跑動(dòng)等活動(dòng)姿態(tài)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生x、y、z三軸方向上的速度變化,即加速度信號(hào)。很明顯,活動(dòng)強(qiáng)度越大,速度的變化也越大越頻繁,加速度信號(hào)就越強(qiáng),反之。通過(guò)對(duì)活動(dòng)狀態(tài)下的三軸信號(hào)檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)x軸方向的加速度信號(hào)對(duì)活動(dòng)反應(yīng)非常明顯,可用于基于閾值理論的靜止、步行、跑動(dòng)姿態(tài)的判斷。此外,當(dāng)士兵處于靜止姿態(tài)時(shí),加速度傳感器z軸方向上檢測(cè)到的信號(hào)主要由心跳引起。檢測(cè)此時(shí)的加速度信號(hào),經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理和算法實(shí)現(xiàn),可檢測(cè)心率的變化[9-10]。同時(shí),重力加速度的恒定存在,可為我們檢測(cè)更詳細(xì)的士兵活動(dòng)姿態(tài)提供有效幫助。通過(guò)分析重力加速度在三軸方向上的分布,我們可以直接判斷出士兵處于站立、平躺還是側(cè)臥姿態(tài)。結(jié)合同一時(shí)刻交流和直流信號(hào),士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器就能較完整地反映士兵在該時(shí)段的狀態(tài)信息;在發(fā)生靜止?fàn)顟B(tài)(可能的危險(xiǎn)狀態(tài))時(shí),通過(guò)心率的檢測(cè)來(lái)判斷士兵的安全情況;在需要快速救援時(shí),利用傷員搜救與信息管理系統(tǒng)的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取士兵當(dāng)前的位置信息,有效提高救援效率。 2硬件設(shè)計(jì) 如圖2所示,整個(gè)士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器由活動(dòng)與姿態(tài)檢測(cè)、信號(hào)放大濾波、數(shù)據(jù)采樣與無(wú)線發(fā)送幾部分組成。 
監(jiān)測(cè)器的工作流程如下:MMA7260傳感器檢測(cè)三軸方向上的加速度信號(hào),信號(hào)的直流部分直接經(jīng)CC2430單片機(jī)I/O口輸入并采樣,隔直后的交流信號(hào)經(jīng)由模擬電路做濾波放大處理后再輸入CC2430單片機(jī)進(jìn)行采樣,采樣后的數(shù)據(jù)一并通過(guò)Zigbee無(wú)線通信發(fā)送給單兵數(shù)字終端。終端系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)處理接收的數(shù)據(jù),確定佩戴者所處的姿態(tài)與安全狀態(tài)。 2.1MMA7260傳感器 MMA7260QT是Freescale公司生產(chǎn)的一款表面微機(jī)械積分電容加速度傳感器,由表面微機(jī)械電容敏感元件(g-cell傳感器)和CMOS信號(hào)調(diào)節(jié)器ASIC組成[8]。它能在x、y、z三軸方向上以較高的靈敏度檢測(cè)物體在低重力水平下的墜落、傾斜、移動(dòng)、震動(dòng)、搖擺等物理變化, 6 mm×6 mm×1.45 mm的小巧封裝使其適合在便攜式設(shè)備中使用。 MMA7260加速度傳感器具有體積小、成本低、功耗低、高靈敏度的優(yōu)異特性,這既保證了整個(gè)監(jiān)測(cè)器體積小、質(zhì)量輕、易佩戴,又能有效地采集運(yùn)動(dòng)引起的加速度信號(hào)用于人體活動(dòng)、姿態(tài)和心率監(jiān)測(cè)。 2. 2電源電路和模擬電路 電源電路負(fù)責(zé)向整個(gè)監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)中的元器件提供穩(wěn)定電壓?？紤]到監(jiān)測(cè)器的可穿戴性,我們選用鋰電池對(duì)整個(gè)電路供電。同時(shí),為使數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)不產(chǎn)生干擾,數(shù)字電路采用+3. 3 V供電,模擬電路采用±3. 0 V供電。電源電路中我們選用了低電流、DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器MAX1797產(chǎn)生穩(wěn)壓+3. 3 V給數(shù)字電路供電;選用低功耗、低壓差3. 0 V線性穩(wěn)壓器TPS76030芯片產(chǎn)生+3.0 V電壓和負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器ADM660產(chǎn)生-3. 0V電壓給模擬電路供電。模擬電路用作加速度信號(hào)的濾波放大處理,圖3為x軸信號(hào)處理的濾波放大電路。 
從傳感器MMA7260采集的x軸加速度信號(hào)首先通過(guò)C24和R17組成的高通濾波器(截止頻率為0. 2Hz)去除極低頻信號(hào),然后經(jīng)第一級(jí)放大5倍,同時(shí)以3. 5Hz為截止頻率做低通濾波處理,消除噪聲和運(yùn)動(dòng)偽差等引起的干擾信號(hào)。信號(hào)傳輸?shù)降诙?jí)時(shí),取3倍對(duì)信號(hào)繼續(xù)放大。并且,在該級(jí)對(duì)信號(hào)做電平抬升處理,抬升電壓(0. 9 V)由運(yùn)放TLC2264的正輸入端輸入。后續(xù)電路中的D10、R22和C35實(shí)現(xiàn)去負(fù)壓和電壓保持的功能。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、抬升、去負(fù)壓處理后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行A/D采樣。對(duì)于y軸和z軸使用的模擬電路,其原理是完全一致,只是放大倍數(shù)不相同。x、y軸信號(hào)用于靜止、步行、跑動(dòng)姿態(tài)檢測(cè),放大倍數(shù)較低,15倍左右; z軸信號(hào)用于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)心率的檢測(cè),放大倍數(shù)較高,200倍左右。 2.3A /D轉(zhuǎn)換和Zigbee通信模塊 信號(hào)經(jīng)模擬電路濾波放大處理后,送單片機(jī)進(jìn)行采樣。本次設(shè)計(jì)選用的采樣芯片CC2430集微處理器和無(wú)線發(fā)送功能于一身,其完成的工作包括:采集放大器輸出的加速度信號(hào),采樣頻率為50Hz;將采集數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到單兵數(shù)字終端。CC2430是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng),支持2. 4 GHz IEEE802. 15. 4/Zigbee協(xié)議。它是一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案,這種方案能夠提高性能并滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2. 4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。另外, CC2430結(jié)合了1個(gè)8位增強(qiáng)型8051控制器,具有32/64/128 Kb可編程閃存和8 Kb RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、AES128協(xié)同處理器以及21個(gè)可編程I/O引腳[11]。 CC2430采用的是近距離的Zigbee無(wú)線通信技術(shù),表1列出了它與其他主要無(wú)線傳輸技術(shù)的參數(shù)比較。 
從表中我們可以看出, Zigbee技術(shù)在便攜式系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì):低功耗、低成本、理想的傳輸距離等。CC2430以0. 18μm CMOS工藝制成,性能穩(wěn)定、功耗低,可確保短距離通信的有效性和可靠性,支持高數(shù)據(jù)率下的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng),適于配置在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中。Zigbee技術(shù)的通信質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì),是我們選擇CC2430的重要原因。 3軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分:數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換,Zigbee無(wú)線通信和士兵活動(dòng)、姿態(tài)判斷和心率檢測(cè)。 CC2430芯片的8051內(nèi)核要控制MMA7260處于休眠或工作狀態(tài),選用P0. 4口作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口;模擬數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換,選用P0. 0 ~P0. 2、P0. 5~P0. 7口作為x、y、z三軸數(shù)據(jù)直流、交流下的數(shù)據(jù)輸入口。模數(shù)轉(zhuǎn)換通過(guò)芯片自帶的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成,采用定時(shí)中斷方式,采樣頻率為50 Hz。士兵活動(dòng)、姿態(tài)判斷和心率檢測(cè)由單兵數(shù)字終端完成。活動(dòng)與姿態(tài)軟件流程如圖4所示。  
根據(jù)圖4的流程和重力加速度在x、y、z某一軸上的分布,就可以實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的士兵活動(dòng)狀態(tài)判斷。在靜止情況下,系統(tǒng)加速度傳感器檢測(cè)的信號(hào)主要由心跳引起,對(duì)此時(shí)的信號(hào)做算法處理,可有效檢測(cè)士兵的心率。在模擬電路中,我們分別采用0. 2 Hz、3 Hz作為濾波器的高通、低通截止頻率對(duì)z軸信號(hào)進(jìn)行濾波,并采用兩級(jí)放大電路將信號(hào)放大200倍。圖5所示的流程圖即為z軸信號(hào)硬件處理之后的軟件處理。如圖中流程所示,以當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)為截止時(shí)間,取60 s的z軸采樣數(shù)據(jù)保存到數(shù)組中,然后初始化心率變量c、固定閾值thr、變量指針P;接著將采樣數(shù)據(jù)做差分運(yùn)算后與閾值thr比較,當(dāng)變量大于閾值時(shí),我們認(rèn)為檢測(cè)到一次心跳的峰值,同時(shí)將指針后移30個(gè)地址單位,再將新變量與閾值比較;如果變量不大于閾值,將指針后移一個(gè)地址單位指向新變量。60 s數(shù)據(jù)檢測(cè)完畢時(shí),輸出心率變量c。 4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 根據(jù)以上設(shè)計(jì)完成的士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器,結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成“藥貼”方式粘貼在人體左胸部,下面分別介紹活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和心率檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)情況。 4. 1士兵活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè) 戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵活動(dòng)狀態(tài)總體上不外乎靜止、步行、跑動(dòng)3種,各自可以根據(jù)強(qiáng)度大小劃分更細(xì)致。步行和跑動(dòng)屬于較高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),我們使用x軸數(shù)據(jù)可以識(shí)別它們,如圖6所示。 圖6中是10 s靜止站立、10 s步行、10 s跑動(dòng)、10 s步行、10 s靜止站立連續(xù)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的數(shù)據(jù)波形圖。我們觀察圖中波形,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的程度由小到大依次為:靜止<步行<跑動(dòng)。由于3種姿態(tài)下的數(shù)據(jù)離散程度具有非常明顯的差異,所以我們選用描述數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)識(shí)別這3種姿態(tài)。 將計(jì)算得到的當(dāng)前樣本標(biāo)準(zhǔn)差s與低強(qiáng)度步行和低強(qiáng)度跑動(dòng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差s1、s2相比較,我們就可以區(qū)分靜止、步行、跑動(dòng)姿態(tài),判斷流程如圖4中所示。同時(shí),檢測(cè)重力加速度在x、y、z軸上的分布,可以分析出士兵更詳細(xì)的姿態(tài),如直立(行走、跑動(dòng))、匍匐(平躺、側(cè)臥)前行、或靜止(平躺、側(cè)臥、仰臥)[12]。 表2列出了對(duì)6位年齡在20~30歲之間的受試者的檢測(cè)結(jié)果(每位受試者接受10組檢測(cè),每組測(cè)試時(shí)間為30 s)。 表2列出了6位受試者活動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果,表中數(shù)字是檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際姿態(tài)相符合的次數(shù)。其中,受試者A、D為男性,受試者E和F為女性。每位受試者接受10組姿態(tài)檢測(cè),分別為靜止、步行、跑動(dòng)各3組、4組、3組。根據(jù)程序設(shè)計(jì)流程圖,每3 s進(jìn)行進(jìn)行1次姿態(tài)識(shí)別,即每組30s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行10次識(shí)別輸出。除了受試者E的識(shí)別正確率為98%以外,其余受試者的識(shí)別正確率都為100%。我們通過(guò)分析受試者E的跑動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在這兩次錯(cuò)誤識(shí)別中,受試者E的跑動(dòng)強(qiáng)度很低,與步行的加速度信號(hào)相似,引起系統(tǒng)的錯(cuò)誤識(shí)別。對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的士兵來(lái)說(shuō),其運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度通常較大,而且很低強(qiáng)度的跑動(dòng)和步行的區(qū)分意義也不大,故這種錯(cuò)誤識(shí)別不會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)士兵狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。   
4·2心率檢測(cè) 當(dāng)士兵處于靜止?fàn)顟B(tài),特別是士兵長(zhǎng)時(shí)間保持非活動(dòng)姿態(tài)時(shí),這往往意味著士兵的安全處境不容樂(lè)觀。利用加速度傳感器高靈敏度的特性我們進(jìn)行了心率檢測(cè)的設(shè)計(jì)(圖7),輔助指揮員、醫(yī)務(wù)兵識(shí)別士兵的安全狀況。 圖7是受試者保持靜止站立姿態(tài)下檢測(cè)的10 s鐘心跳數(shù)據(jù)波形圖,我們可以清晰地識(shí)別出這11次心跳。每次心跳過(guò)程都伴隨有一個(gè)尖脈沖,代表一次心臟搏動(dòng)。由此我們得出:只要對(duì)加速度檢測(cè)的z軸信號(hào)進(jìn)行合理的濾波放大處理,我們可以有效地計(jì)算出士兵的心率。當(dāng)士兵處于靜止?fàn)顟B(tài)(站立、平躺、側(cè)臥)時(shí),如果心率處于正常值變化范圍,我們可以認(rèn)為士兵是處在戰(zhàn)略性靜止中,比如隱蔽、觀察敵情;當(dāng)士兵心率很低時(shí),指揮官和醫(yī)務(wù)兵就有必要進(jìn)一步判斷士兵是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)中。對(duì)處在危險(xiǎn)狀態(tài)下(負(fù)傷)的士兵,醫(yī)務(wù)兵可以根據(jù)GPS系統(tǒng)提供的士兵位置信息,實(shí)施快速救援。 我們對(duì)進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)的6名受試者同時(shí)進(jìn)行了心率檢測(cè),每名受試者的檢測(cè)時(shí)間為300 s。在這300 s時(shí)間內(nèi),前60 s數(shù)據(jù)進(jìn)行1次心率檢測(cè);當(dāng)時(shí)間大于60 s后,每隔10 s檢測(cè)1次心率,即300 s內(nèi)進(jìn)行25次心率檢測(cè)。受試者A的心率檢測(cè)數(shù)據(jù)為: {71, 71, 71, 70, 71, 72, 70, 68, 71, 71,72, 71, 70, 71, 70, 71, 72, 71, 69, 71, 71, 70, 70, 71,71}。與同時(shí)進(jìn)行的ECG檢測(cè)的心率71次相比較,心率檢測(cè)的大體范圍是一致的,在(71±2)范圍內(nèi)波動(dòng)。我們認(rèn)為檢測(cè)的心率在(±1)范圍內(nèi)為有效,受試者A、F的心率檢測(cè)有效率分別為92%, 92%, 96%, 92%, 92%, 92%。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,心率檢測(cè)不能達(dá)到每次都完全正確(以ECG檢測(cè)的心率為標(biāo)準(zhǔn)),但是誤差范圍是可控的,沒(méi)有出現(xiàn)心率檢測(cè)值出現(xiàn)很大偏差的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器對(duì)活動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)和靜止(危險(xiǎn))情況下心率的檢測(cè)都能達(dá)到預(yù)期效果。 5結(jié)論 采用單一加速度傳感器設(shè)計(jì)的士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器滿足了穿戴式技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的要求:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體較小、功耗低、長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。整個(gè)監(jiān)測(cè)器的體積僅為42 mm×31 mm×12 mm,重量?jī)H為100g(含電池),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“藥貼”形式,佩戴在士兵身上不會(huì)影響士兵的正常運(yùn)動(dòng)。此外,采用低功耗的CC2430芯片實(shí)現(xiàn)Zigbee通信,使監(jiān)測(cè)器即使在電池供電下仍能保持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該監(jiān)測(cè)器能夠正確采集和傳輸加速度信號(hào),不斷更新數(shù)據(jù)信息,實(shí)時(shí)檢測(cè)士兵狀態(tài)和心率,較好滿足監(jiān)測(cè)士兵狀態(tài)的任務(wù)。由于采用的加速度傳感器量程為1. 5 g,本監(jiān)測(cè)器目前還不能準(zhǔn)確檢測(cè)緩慢的呼吸活動(dòng),以后我們將尋找更靈敏的加速度傳感器來(lái)研究突破。在數(shù)據(jù)處理的算法上,還可以進(jìn)行深入研究,找出加速度信號(hào)處理的最佳算法,實(shí)現(xiàn)活動(dòng)、心率等的更準(zhǔn)確檢測(cè)?？偟膩?lái)說(shuō),我們研制的士兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器能較好滿足士兵狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的需要,為指揮官和醫(yī)務(wù)兵提供士兵的狀態(tài)信息,將成為野戰(zhàn)傷員搜救與信息管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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