基于海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)主控部分的研制

蘇秋玲，洪范宗，董少良，王偉

中國(guó)人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 泉州 362000

基于海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)主控部分的研制

蘇秋玲，洪范宗，董少良，王偉

中國(guó)人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 泉州 362000

目的 基于海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)，研制其移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)的主控部分，用于救護(hù)信息的無(wú)線傳輸與定位。方法 以全志A20雙核處理器為核心，加載Linux內(nèi)核的Android系統(tǒng)，完成電源管理、按鍵控制、USB存儲(chǔ)及串口控制的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信及GPS定位的硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，并結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行終端機(jī)的防水處理與應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果 主控部分實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)士信息的存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸及定位，以及異常情況下的按鍵主動(dòng)報(bào)警。結(jié)論 移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)的主控部分可以很好地對(duì)派遣救護(hù)所需的信息進(jìn)行傳輸與定位，對(duì)于快速獲取海訓(xùn)中的戰(zhàn)士信息，進(jìn)而提升搜救效率具有重要意義。

海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)；移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)；無(wú)線傳輸；GPS定位

軍事訓(xùn)練是提高戰(zhàn)斗力的基本手段。積極推進(jìn)軍事訓(xùn)練向信息化方向轉(zhuǎn)變，是部隊(duì)順應(yīng)中國(guó)特色軍事變革趨勢(shì)的重要任務(wù)[1]。近年來(lái)，隨著周邊海域領(lǐng)土糾紛及國(guó)際形勢(shì)的日益復(fù)雜化，部隊(duì)裝備與戰(zhàn)法更新迅速，機(jī)動(dòng)化、多功能化、水陸兩棲化能力不斷增強(qiáng)[2]，這就需要以多樣化的海訓(xùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的高效應(yīng)對(duì)。為了保障多樣化軍事訓(xùn)練任務(wù)的醫(yī)療救護(hù)需求，做好非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)時(shí)的醫(yī)療救護(hù)實(shí)踐[3-4]，需要建立信息化條件下的海上訓(xùn)練醫(yī)療救護(hù)體系[5-6]。但是目前國(guó)內(nèi)外在海上救護(hù)上仍多采用為各艦艇配備GMDSS（海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)）和AIS（船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)），針對(duì)海上突發(fā)事件以船只為單位進(jìn)行搜尋救護(hù)的方法[7]，這種方法主要依靠救護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，往往在發(fā)現(xiàn)傷病員后再實(shí)施援救時(shí)已錯(cuò)過(guò)了最佳搶救時(shí)機(jī)。

而海上訓(xùn)練時(shí)發(fā)生意外的官兵常伴隨有生理參數(shù)的非正常變化。研究表明，通過(guò)監(jiān)測(cè)生理參數(shù)的變化可以加強(qiáng)監(jiān)控中心對(duì)人體身體狀況的掌握程度，降低異常情況下的反應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化針對(duì)單兵的一線救護(hù)保障。目前眾多學(xué)者研究了功能多樣的單兵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是針對(duì)海上訓(xùn)練的一線救護(hù)系統(tǒng)則很少。為此，筆者構(gòu)建了海訓(xùn)移動(dòng)救護(hù)系統(tǒng)[8]，能夠?yàn)楹Ｓ?xùn)官兵提供一種信息化救護(hù)管理模式。本文重點(diǎn)探討其移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)的主控部分的研制。

1 整體框架

海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)包括移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)（由生理參數(shù)采集模塊和主控模塊構(gòu)成）及指揮中心遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)平臺(tái)，移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（圖1）。移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)為雙處理器控制的移動(dòng)救護(hù)終端，其中一個(gè)處理器采用STM32F103ZET6（LQFP144）作為主控芯片，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與控制電路完成心電、血氧、體溫等生理參數(shù)的采集[9]；另一個(gè)處理器采用全志A20作為主控芯片，加載Android系統(tǒng)，用于完成應(yīng)用所需的電源管理、按鍵控制、USB存儲(chǔ)及串口控制的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信及GPS定位的硬件電路開(kāi)發(fā)及應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)主控模塊應(yīng)用原理框圖，見(jiàn)圖2。采集模塊與主控模塊之間通過(guò)串口通訊，可通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)終端與PC機(jī)的程序讀寫，并由DC電路完成隔離與串口通信的電源轉(zhuǎn)換。

圖1 海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)原理框圖

圖2 移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)主控模塊應(yīng)用原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)使用功耗是終端工作時(shí)長(zhǎng)的重要因素之一，主控板中特別對(duì)其電源部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 電源控制原理圖

主控板電源通過(guò)MOS管LPM9013控制供電，當(dāng)不需要給模塊供電時(shí)，可以關(guān)掉使能端信號(hào)EMAC-PWR-EN，以減小系統(tǒng)的待機(jī)功耗。電源輸出（EMAC-VCC）部分則通過(guò)10 μ f的電容進(jìn)行控制。

2.2 按鍵控制設(shè)計(jì)

為提供異常情況下主動(dòng)報(bào)警的按鍵功能，主控板設(shè)計(jì)了用戶按鍵，并將按鍵連接到嵌入式處理器的外部中斷，當(dāng)按鍵按下時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生低電平觸發(fā)外部中斷，并在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳送。

2.3 存儲(chǔ)控制設(shè)計(jì)

為通過(guò)USB接口控制外置存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，主控板上設(shè)計(jì)了USB OTG，其自帶有限流開(kāi)關(guān)，接上拉電阻到3.3V帶使能斷檢測(cè)信號(hào)；同時(shí)USB接口預(yù)留ESD器件的位置，通過(guò)ESD防護(hù)二極管可以轉(zhuǎn)換成27-33pF的到地電容，從而做到封裝兼容。

2.4 串口控制設(shè)計(jì)

串口信號(hào)經(jīng)UART4-RX/TX引腳從主控芯片出來(lái)，經(jīng)MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而連接外部設(shè)備。

2.4.1 系統(tǒng)定位控制設(shè)計(jì)

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星工作波段為L(zhǎng)波段，電波傳播受電離層、對(duì)流層、氣象因素及晝夜的影響不大，可保障全天候連續(xù)的定時(shí)定位與導(dǎo)航，同時(shí)還可以有效修正普通地面無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)因電波傳播的復(fù)雜環(huán)境而帶來(lái)的誤差，為準(zhǔn)確獲得訓(xùn)練中戰(zhàn)士的位置信息提供保障。GPS模塊采用ALIENTEK生產(chǎn)的ATK-NEO-6M-V23定位模塊，其核心基于NEO-6模塊的無(wú)源天線設(shè)計(jì)，采用外置SAW-LNA-SAW模式，提高了抗干擾能力，追蹤靈敏度高達(dá)-161 dBm，測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5 Hz。該模塊采用3.3 V或5 V供電。GPS模塊與微處理器的接口連接原理圖，見(jiàn)圖4。其中20、21管腳為與核心板串口通信的RXD和TXD端，RT9193-33為GPS模塊電源供電芯片，MAX2659為低噪聲高性能RF放大器提供天線能量。位置信息通過(guò)串口以NMEA-0183 格式傳送至控制芯片，再經(jīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)模塊發(fā)送出去。

圖4 GPS模塊與控制芯片電路連接原理圖

2.4.2 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

該模塊采用工業(yè)級(jí)的3G模塊MU509，采用聯(lián)通制式，支持移動(dòng)與聯(lián)通的SIM卡，同時(shí)支持USB與UART接口，內(nèi)嵌TCP協(xié)議。采用串口控制時(shí)，由UART發(fā)送控制指令。MU509模塊的RXD、TXD分別與處理器UART2上的TXD、RXD連接，其余引腳同名端相連，在異常狀況下由處理器發(fā)送AT指令控制MU509的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

終端應(yīng)用程序是一個(gè)Linux內(nèi)核的Java平臺(tái)Android系統(tǒng)程序。程序?qū)崿F(xiàn)包括Linux平臺(tái)構(gòu)建、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)3部分。平臺(tái)構(gòu)建依據(jù)硬件配置完成bootloader、Linux內(nèi)核移植；驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上，Linux內(nèi)核集成了串口驅(qū)動(dòng)和常見(jiàn)的音頻驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)，按鍵驅(qū)動(dòng)則通過(guò)編寫對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)來(lái)執(zhí)行；應(yīng)用程序采用多線程編程，經(jīng)主線程創(chuàng)建3個(gè)任務(wù)子線程，分別實(shí)現(xiàn)定位讀取和存儲(chǔ)、報(bào)警控制和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。程序主流程圖，見(jiàn)圖5。

圖5 應(yīng)用軟件主程序流程圖

具體流程如下：應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完成后植入系統(tǒng)中，在終端開(kāi)機(jī)完成應(yīng)用自檢、系統(tǒng)初始化且網(wǎng)絡(luò)連接成功后自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，并依次創(chuàng)建各子線程。當(dāng)無(wú)線傳輸子線程創(chuàng)建后進(jìn)行任務(wù)懸掛，當(dāng)有異常時(shí)則觸發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得無(wú)線傳輸子線程定時(shí)向指定的服務(wù)器端上傳HR、RR、T1等參數(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)定任務(wù)延時(shí)為1 s。

4 測(cè)試與討論

主控部分電路板機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)為：60 m m×45 m m×25 m m。結(jié)合生理參數(shù)采集模塊，選取防水材料設(shè)計(jì)外殼，實(shí)現(xiàn)IPV7級(jí)防水，通過(guò)硅膠固化電路板、超聲波焊接、橡膠圈進(jìn)行密封，確保海訓(xùn)救護(hù)終端能應(yīng)用于海上高壓、高濕、高鹽等訓(xùn)練環(huán)境中。

為調(diào)試終端應(yīng)用效果，加載LCD控制以方便查看終端數(shù)據(jù)的采集與控制效果。測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖6。終端連接心電電極后可監(jiān)測(cè)到戰(zhàn)士心電、呼吸等波形數(shù)據(jù)，數(shù)值分析結(jié)果，經(jīng)緯度信息及心形報(bào)警提示等；同時(shí)，還可以完成個(gè)人信息輸入、生理參數(shù)設(shè)置、參數(shù)精度設(shè)置、報(bào)警設(shè)置及定期讀取參數(shù)信息進(jìn)行圖表分析等功能。

圖6 海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)測(cè)試圖

5 結(jié)論

嵌入了移動(dòng)監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)主控部分的海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)可將海上訓(xùn)練中官兵因溺水等導(dǎo)致的異常心電、體溫等生理參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至指揮中心監(jiān)測(cè)端，方便指揮決策中心人員根據(jù)上位機(jī)軟件的聲光報(bào)警提示查看異常情況并根據(jù)生理異常和位置信息實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更快速地搜救派遣；后續(xù)還可根據(jù)采集到的生理數(shù)據(jù)建立戰(zhàn)士生理參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步分析戰(zhàn)士生理、心理變化狀況，完善符合戰(zhàn)時(shí)需要的訓(xùn)練方案提供參考。

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Development of the Main Control Section for the Navy-Training-Medical-Rescue-System-Based Mobile Monitoring Subsystem

SU Qiu-ling, HONG Fan-zong, DONG Shao-liang, Wang Wei
Department of Medical Engineering, The 180thHospital of PLA, Quanzhou Fujian 362000, China

Objective To develop the main control section of the mobile monitoring subsystem based on the navy training medical rescue system so as to wirelessly transmit and locate the rescue information. Methods The main control section was designed and implemented taking Quanzhi A20 dual-core processor as the core, loading the Android system with Linux kernel. Then, the hardware (power management, key control, USB storage and serial control for 3G wireless network communication and GPS positioning) and applications were designed. The water-proof protection and application testing of terminals were made in combination with the data acquisition section of the system. Results The main control section achieved storage, wireless transmission and location of rescue information and also provided an active alarming button in case of unusual circumstances. Conclusion The main control section of the mobile monitoring subsystem could provide transmission and positioning of necessary information for better rescue dispatching, which was of great signifi cance in rapid acquisition of rescue information and improved effi ciency of the search and rescue.

navy training rescue medical system; mobile monitoring subsystem; wireless transmission; global positioning system location

R821

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.010

1674-1633(2015)05-0033-03

2014-12-30

2015-01-26

南京軍區(qū)“十二五”醫(yī)藥衛(wèi)生課題（11MA084）。

作者郵箱：suqiuling0818@163.com