頭戴式體征探測儀

趙明宇 竇澤華 章懷宇 馬瑞祥

摘 要：文中提出了一種新的體征探測儀的設計方案，該方案能夠探測出震后被埋在廢墟下的待救援者的生命體征，該系統的外形是一個頭盔，其中集成了主控制器，外界環境成像模塊，人體紅外熱輻射探測模塊，人體心跳呼吸探測模塊，顯示模塊，語音提示模塊，GPS模塊，語音對講模塊，電源管理模塊等部分。這種設計的先進性在于它可以同時探測人體心跳、呼吸以及熱輻射等生理特征，提高探測精度，而且釋放了救援者的雙手，提高了救援效率。

關鍵詞：震后救援，體征探測，人體紅外熱輻射，心跳呼吸檢測

1 作品介紹

本產品通過紅外熱釋電傳感器和多普勒雷達同時探測待救援者的紅外熱輻射和心跳呼吸這兩種生命體征，探測結果通過語音模塊對搜救隊員進行提示。為使本產品能夠24小時全天候工作，我們為它配備了紅外微光攝像頭，攝像頭采集到的圖像可以通過屏幕顯示給搜救隊員。考慮到搜救隊員也可能遇到意外情況，所以，又為本產品配備了GPS模塊和語音對講系統，當搜救隊員需要幫助時，可以通過語音對講系統報告自己所在的經緯度來呼叫附近搜救隊員進行支援。

2 工作原理

2.1 電源管理模塊

電源管理模塊的功能是為其他五大模塊提供可用的工作電源。眾所周知，可穿戴設備的能耗問題一直是各大廠商和用戶關注的重點。為了使本文所述的新型體征探測儀續航能力更強，可以充分利用各種能量源，如太陽能、熱能等。

2.2 人體紅外熱輻射探測模塊

人體紅外熱輻射探測模塊的核心是紅外熱釋電傳感器，它的精度、抗干擾性、靈敏度等指標直接決定了探測的效果，因此在設計時必須注意以下兩點：第一，正常人體的溫度在37℃左右，所發射的紅外線波長為9～10 μm，被埋在廢墟中的待救援者由于驚嚇，缺少食物，導致體溫有所下降，因此進行紅外熱輻射探測時，中心波長應略高于10 μm，這樣不但可以更加有效地探測到待救援者的位置，同時還可以有效地避免地面救援者的紅外干擾；第二，由于輻射出的紅外線被坍塌的墻體吸收反射，導致能夠被檢測到的熱量很少，為了精準探測到待救援人員的紅外熱輻射、確定待救援人員所處位置就必須提高紅外熱釋電傳感器的精度，所以必須設計濾光鏡片、電壓放大電路以及聚光設計。設計濾光鏡片的目的是將入射波段不在10 μm的紅外線全部濾掉，排除干擾，提高抗干擾性。電壓放大電路的目的是將檢測到的微弱信號進行放大，便于后級信號處理，提高了精度。聚光設計也是為了更有效地收集微弱的紅外信號，此設計亦可提高精度；第三，電路在長時間使用時難免產生一些熱量，這些熱量也會對紅外熱釋電傳感器的精度造成不利的影響，因此，設計溫度補償電路十分必要。

2.3 人體心跳呼吸探測模塊硬件電路設計

本系統首先設計一個連續波雷達，連續不斷地向外界發射固定頻率的電磁波。電磁波的頻率選擇需要特別考慮，相關研究表明，電磁波頻率越高，檢測靈敏度越高，但是穿透力將大大減弱；相反，電磁波頻率越低，會增大探測距離，但是靈敏度將大大降低。在發射的同時還需收集回波信號，由于回波信號非常微弱，所以還需設計一個電壓放大器，將回波信號放大，便于進行信號處理。將放大后的回波信號進行解調與帶通濾波即可得到人體心跳呼吸信號。相關研究表明，人體心跳呼吸的頻率在0.3 Hz～3 Hz之間，所以帶通濾波器的通帶頻率也應為0.3 Hz～3 Hz，為達到良好的濾波效果，應使用巴特沃斯濾波器，并增加濾波階數。最后對從回波信號中提取出來的心跳呼吸信號進行AD轉換，根據其強度判斷待救援者的具體位置。圖1所示是人體心跳呼吸探測模塊的原理框圖。

圖1 人體心跳呼吸探測模塊的原理框圖

3 作品創新點

（1）能夠穿過墻壁或障礙物探測待救援者的生命體征；

（2）采用多普勒雷達探測人的心跳呼吸相比于目前采用二氧化碳傳感器探測二氧化碳濃度的方式，精度更高，不易受干擾，成本更低；

（3）同時探測待救援者的紅外熱輻射和心跳呼吸，降低誤判率和漏報率，提高探測精度。圖2所示為頭盔式生命體征探測儀的物圖。

圖2 頭盔式生命體征探測儀實物圖

（4）通過分析回波信號可以簡單判斷出埋在廢墟下的是人還是其他動物，以此進一步提高探測精度；

（5） 采用頭戴式的形式，最大程度上減少了搜救隊員的負重，釋放了他們的雙手，提高了救援效率，同時，頭盔對搜救隊員也是一種保護。

4 市場前景

作為一種新興產品，本產品的市場前景十分廣闊，具體列舉如下：

（1）震后救援；

（2）海關防偷渡；

（3）軍事裝備；

（4）反恐裝備。

團隊獲獎風采照