船舶駕駛員無線脈搏信號采集系統

陸穎喆

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引言

海上事故發生后，海運業通常的做法是在技術方面尋求原因.其實，人類才是生產活動中最重要的因素.很多研究表明，由人為錯誤造成的海上事故占總體事故比重的80%，且該數值仍然呈上升趨勢.在引發各類海上事故的人為因素中，疲勞是一個典型的誘發因素.［1]美國海岸警衛隊通過對近年發生的279起海上事故的分析表明:約16%的海上重大事故和33%的人身傷亡事故與船員疲勞有關.［2]國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)秘書長在海安會第81次會議的開幕詞中強調:疲勞已成為造成事故的重要因素.［3]

駕駛疲勞是指駕駛一段時間后所產生的反應水平下降的一系列現象，如注意力分散、打瞌睡等.由于心率可以在作業過程中進行測試，因此心率作為評價作業性疲勞的指標之一，其應用廣于其他方法.［4]但為了減少個體心率的差異性，一般不直接將心率作為單一性的疲勞量化指標，而是采用差異較小的心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)客觀地反映疲勞程度.目前對于駕駛性疲勞的模擬研究，大多基于HRV指標.［5]本系統通過HRV的測量指標全部竇性心搏間期的標準差(Standard Deviation of NN intervals，SDNN)、心率及其變化的速率對駕駛員的疲勞程度進行量化，從而對船舶駕駛員的疲勞狀態起到及時的警示作用，防患于未然，對保障船舶安全航行具有積極的意義.

近年來，國內外已研制多種應用于臨床醫學等領域的脈象儀，對人體靜態時的脈診進行客觀化研究.本文提出一種脈搏信號采集和無線數據傳輸系統的設計方案，旨在不影響船舶駕駛員操作的情況下，對其疲勞、緊張等生理和心理狀態進行數據量化及客觀分析.這一實時系統有助于促進對船舶駕駛員狀態和人為因素影響的深入研究，保障船舶安全航行.

1 系統硬件設計

1.1 基本要求

該無線信號脈搏采集系統的主要工作是對船舶駕駛員的脈搏信號進行采集，并將脈搏信號數據無線上傳至上位機.在此基礎上，對駕駛員的情緒、壓力、疲倦等生理或心理的變化進行實時量化和客觀數據分析，以證明本系統設計方案的可行性.如船舶交會時駕駛員緊張程度的數據量化有助于對航行和避碰過程進行分析和監控;脈搏信息數據能及時反應出人體的疲倦狀態，系統根據數據報警，可及時提醒操作者保持警惕、確保船舶航行安全.

因此，該系統應達到如下基本要求:(1)人體脈搏數據的采集功能;(2)無線通信功能;(3)上位機實時數據顯示功能;(4)設置脈搏數據上、下限，超出此范圍的數據開啟報警提醒功能;(5)數據的分析和存儲功能;(6)體積小，功耗低，便于攜帶;(7)測量裝置須采取抗干擾措施.

1.2 總體結構

該無線脈搏信號采集系統主要由手腕佩戴發送系統及船載接收系統兩個子系統構成，系統框圖見圖1.手腕佩戴部分采用高速、低功耗且具有超強抗干擾能力的STC單片機進行脈搏信號數據定時采集，采集工作完成后通過無線傳輸的方式傳輸數據.無線數據傳輸采用無線收發模塊CC2500［6]，由STC單片機通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)控制其初始化及數據的發送和接收.船載接收部分的系統會將接收到的脈搏數據通過通用異步收發器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)傳送給上位機，并進行后續的一系列數據處理.

圖1 脈搏信號無線采集系統框圖

1.3 主要部分的硬件實現

1.3.1 脈搏檢測傳感器

系統采用HK-2000A型脈搏傳感器.由于采用高度集成化工藝將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件和信號調理電路集成在傳感器［7]內，因此其靈敏度較高且抗干擾性能較強，適合在運動狀態下使用，即使在駕駛過程中手部有動作或位移，也可以確保脈搏數據測量的準確性.脈搏波動一次，則該傳感器輸出一正脈沖.電源電壓為3～12 V，考慮到單片機計數器對外來脈沖計數時電平的要求是高電平大于 3 V，低電平小于0.8 V，而此脈搏檢測傳感器的輸出電平值為VVCC－1.5 V，同時又要考慮輸出電壓的衰減，因此設定傳感器工作電壓為5 V.

1.3.2 單片機控制采集電路

系統采用的控制器是宏晶公司推出的高速、低功耗且抗干擾能力強的單片機STC12LE5608AD，其供電電壓為2.2～3.6 V.本系統設計的是便攜式手腕佩戴脈搏信號檢測無線發送系統，因此必須考慮電池掉電的情況.該單片機的外部掉電檢測電路可在掉電時及時將數據保存進EEPROM，其空閑模式和掉電模式能為系統大大降低功耗.單片機控制電路原理圖見圖2，采集電路見圖3.由圖3可知，脈搏傳感器輸出脈搏信號的脈沖直接進入單片機的外部中斷引腳INT1(P3.3)中.通過這種方法不僅可以獲得心率，還能獲取相鄰2次心跳間隔的時間.

圖2 單片機控制電路

圖3 采集電路

單片機通過SPI對無線收發芯片CC2500進行控制.SPI是一種全雙工、高速的通信總線，在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸，有主模式和從模式兩種操作模式.在STC單片機中，SPI總線是由 SCLK(串行時鐘)，MISO(主入從出)，MOSI(主出從入)和SS(從機選擇)構成的，其中提供SPI串行時鐘的設備為SPI主機或主設備，其他設備為SPI從機或從設備.

UART集成在單片機芯片中，構成一個用于控制計算機和串行設備芯片的串行口，通過RS-232C標準使計算機與串行設備通信.在接收狀態下，串行數據通過單片機引腳RXD(P3.0)寫入此串行口的專用緩沖寄存器(SBUF);在發送狀態下，通過單片機引腳 TXD(P3.1)從SBUF中讀出串行數據.與SPI不同，UART按照波特率完成雙向通信，因此將定時器T1作為波特率發生器，并在選擇串行工作方式1時，由公式

得出定時器T1的計數初值.式中:fOSC為晶振頻率;S為串行口波特率的倍增位.當S=1時，串行口波特率加倍.此系統中波特率不需要加倍，因此S=0.當波特率為9 600 bit/s，晶振頻率為11.059 2 MHz時，便可得計數初值為253，即0xfd.

1.3.3 串口電平轉換電路

RS-232C用正負電壓表示邏輯狀態，高達±15 V;而TTL以高低電平表示邏輯狀態，常用的只有5 V.因此，為了能與計算機串口連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的轉換.由于系統所用單片機的工作電壓為3.3 V，采用MAX3232芯片進行電平轉換，見圖4.

圖4 電平轉換電路

由于單片機系統的數據存儲能力和數據處理能力有限，而且現場實時性要求較高，故通過RS-232C接口將數據傳給上位機，由上位機完成存儲及后續的處理工作.

1.3.4 無線收發電路

系統的無線收發功能由Chipcon公司推出的頻率為 2.400 0～2.483 5 GHz的無線收發芯片CC2500完成.CC2500支持多種調制方式，包括FSK，GFSK，OOK和 MSK，最高傳輸速率可達500 Kbit/s，完全滿足每10 s發送1次脈搏采樣數據、每次1個字節的傳輸速率要求.CC2500電路見圖5，其工作電壓為1.8～3.6 V(與單片機通過SPI相連時無須電平轉換)，外圍元件極少.如用偏阻R171設置一個精確的偏電流;C122，C132，L121和 L131形成一個平衡轉換器，用于將CC2500上的微分RF端口轉換成單端RF信號.為了節約電能，射頻芯片通常采用休眠模式.CC2500的無線喚醒器(Wakeup On Radio，WOR)功能能很好地防止芯片在休眠時丟失信息.［8]

圖5 CC2500電路

CC2500通過標準SPI與單片機相連［9]，對主要操作參數和64 bit傳輸/接收FIFO進行控制.SPI中，SI和SO分別為CC2500的數據輸入和輸出端口，SCLK為數據傳輸的同步時鐘，CSn為片選信號，低電平有效.另外，還有2個通用輸出口GDO0和GDO2，根據電平跳變來判斷是否收到或完成發射數據.GDO腳通常與單片機帶中斷功能的IO口相連，而本系統中GDO0與單片機引腳INT0(P3.2)相連，從而輔助CC2500實現無線通信功能.

2 系統軟件設計

本系統的軟件部分分為脈搏信號采集、無線發送以及無線接收、上位機處理三大結構.

HRV是人體心臟波動周期存在的微小差異，通常情況下是指逐次心跳間R波間期的微小漲落.要得到正確的HRV數據，就要獲得逐次心跳.研究發現，隨著疲勞程度的加深，SDNN明顯上升，而其他時域指標的變化不很明顯.［10]所以，本系統選用的時域指標是SDNN，單位為ms.心搏間期是2次正常心跳之間的平均時間，單位為ms.此外，系統還通過MATLAB對5個10 s的脈搏信號數據進行心跳速率變化的分析.因此，本系統不僅需要定時采集心跳數，還需獲得相鄰2次心跳的間隔時間.脈搏信號脈沖直接進入單片機外部中斷INT1，即P3.3引腳.每當一次脈沖來到時，便觸發一次單片機外部中斷.中斷程序中自定義一個計數器，對來到的脈沖進行累加，相鄰2次脈沖間隔時間的測量也在中斷程序中進行.定時中斷程序判斷定時器0是否已經到10 s.由外中斷請求信號啟動定時器0和定時器1，下一個脈沖來到時，讀取定時器值并重新開啟定時器.以此類推，便可采集到10 s內的心跳數以及2次心跳的間隔時間.采樣發送主程序、外部中斷程序和定時中斷程序的流程見圖6～8.

圖6 采樣發送主程序流程

圖7 外部中斷程序流程

圖8 定時中斷程序流程

在發送端，單片機通過SPI初始化CC2500的發射頻率、波段、發射功率、地址碼、地址位數、數據位數及收發模式等，然后使其處于空閑狀態，單片機再將采集到的脈搏數據通過SPI寫入CC2500的發射寄存器，開啟CC2500的發射模式，CC2500自動給要發射的數據加上前導碼和校驗位，并與地址碼一起發送出去，等待GDO0從低到高產生電平跳變，這樣CC2500就完成一次數據發送，而后單片機進入下一個采集周期.

在接收端，單片機同樣配置CC2500，然后開啟其為接收狀態，GDO0產生電平跳變，表明有數據到來，此時應讀取0x3B和0x3F這2個狀態寄存器的值，它們是用來判斷接收數據幀是否超長或是否接收失敗的.當這2個寄存器的信息滿足要求時，單片機才能通過 SPI從CC2500接收寄存器讀取數據，并通過UART將數據傳到上位機，然后等待接收下一組數據.接收部分程序流程見圖9.

圖9 接收部分程序流程

3 實驗結果分析

上位機程序具有數據分析、報警、實時顯示及數據存儲等一系列功能.利用航海模擬器模擬船舶駕駛航行中的各種突發情況以及容易引起疲勞駕駛的環境，對分析對象的脈搏數據進行采集.［11]采集時間為10 min，時間間隔為10 s，將采集的心跳數據通過上位機進行HRV分析.隨著疲勞程度的加深，SDNN值明顯上升，而斜率可以反映出心跳變化速率以及以第i個10 s為中心點、前后共5個10 s心跳數據的變化趨勢.斜率小表明當前心跳比較平緩.當心跳有波動時，斜率將會有明顯的變化.斜率突然急速下降，隨后又緩慢變化，則視急速下降點為疲勞報警點，即斜率變化最快的時期為進入疲勞狀態，之后斜率緩慢變化的時期為進入嚴重疲勞瞌睡狀態，故而心跳反而趨于平穩.同時，斜率快速上升可以體現出緊張的程度.其中一組較明顯反映分析對象進入疲勞狀態的數據見表1.由表1可知，第9個10 s的測試點為疲勞狀態報警閾值點.采集到的心跳值及其斜率見圖10，從中可以看出心跳變化的趨勢，更能通過斜率得出心跳變化的速率.

表1 部分模擬駕駛的HRV分析結果

圖10 采集的心跳數及其斜率變化

4 結束語

以低功耗、低成本的CC2500射頻收發芯片為傳輸模塊，并將低功耗、高速、高集成度且抗干擾能力強的STC12LE5608AD單片機作為控制器，設計一套便攜式、低功耗的實時脈搏信號無線采集系統，為海上航行人員的疲勞狀態和導致海上事故的人為因素研究提供硬件支持和基礎數據，具有操作方便、測量直觀、體積小等優點.對HRV的數值分析證明本系統具有一定的可靠性，同時也具有較強的實用價值.船舶駕駛員心理和生理狀態的變化與船舶安全駕駛之間關系的后續處理及分析有待于進一步研究.

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