北斗雙模定位+精準監控極限救援設備的研究

德州職業技術學院 邱 陽

本文研究的設備通過北斗雙模定位，能快速與救援指揮中心實時數據交互，利于調度中心及時做出決策。同時，設備不易受到外界環境影響、響應速度快速，能達到很好的自救效果。

1 極限救援設備系統設計

課題組成員與山東省一家電子科技有限公司共同研制了一款兼具北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備。

1.1 整體設計

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備整套系統主要包括：電源模塊、微控制器模塊、無線通信模塊、定位模塊、語音模塊、圖像采集模塊。本系統的核心為樹莓派3B+控制器，通過DFS算法，實現藥品自動分類統計、北斗雙模定位、精準監控等功能，系統物理通信架構圖（圖1）。讓急救不再長時等待，讓自救無需專業底蘊。

圖1 系統物理通信架構圖

工作原理簡述如下：

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備基于Raspbian系統，應用免驅的USB攝像頭完成對目標物體的圖像采集，樹莓派通過OpenCV把采集到的圖像集中處理后上傳至服務器，服務器將圖片儲存到本地，記錄數據儲存MySQL庫，由ESP傳輸到集控中心顯示屏，供救援人員實時查詢并進行云端監控。同時由樹莓派產生驅動信號，系統優先推送生產日期最早的藥品。定位模塊通過GPIO口與樹莓派連接，使用GPS讀取CGPS數據，提取北斗衛星所傳回的所需經緯度信息。語音模塊通過USB口與樹莓派連接，通過WM8960編碼技術，實現人機對話和藥品參數顯示功能。

（1）自動存藥

醫療人員啟動設備后，控制器自動啟動圖像傳感器，將待放的藥品對準攝像頭，藥品信息通過自動識別系統實現藥品的自動錄入和后臺登記，樹莓派將接收過來的藥品數據經過已 做好的藥品信息識別分類器，采用了OpenCV3.5.0庫對圖片進行預存處理，調用AdaBoost模塊實現藥品的信息檢測，檢測到的結果返回到云端統計平臺。

（2）智能取藥

救援隊空投北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備到待救援區域，待救人員一鍵啟動設備，控制器立即調用定位模塊，將待救人員的精確定位信息傳輸至集控中心，便于救援中心第一時間實施救援調度方案。同時，通過系統可視化界面啟動人機交互平臺，樹莓派調用baidu-aip，實現人機交互，系統語音提示待救人員，獨立完成“守望箱救”的操作過程，把握黃金急救時間，實現自救。在取藥的同時，樹莓派啟動ESP8533傳感器，通過信號傳輸器將數據上傳云端，實現藥品待補給信息反饋至集控中心顯示屏，方便救援中心及時補給相關藥品。

1.2 硬件部分

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備機械結構部分包括兩種類型的藥盒存儲倉，分別是抽拉式儲藥盒和彈蓋式變溫儲藥盒。考慮到在救援過程中的取藥效率、便于操作和儲藥量大的問題并結合市場調研，對沒有特殊要求的急救藥物的存儲采用抽拉式設計，部分對溫度有要求的藥物，本設計加裝了調溫裝置，因調溫裝置不易移動故將儲藥盒設計為固定彈蓋式。抽拉式儲藥盒的動作依靠底部的滑動鎖鏈，為防止藥物的碰撞，在滑道尾部安裝有緩沖裝置。藥箱在運輸過程中或未使用時，磁鐵鎖扣將藥盒鎖緊。彈蓋式的設計主要是通過控制系統實現對藥盒的開與閉。所以動作由電磁鐵驅動，由樹莓派提供控制信號，內有儲能裝置供電。

1.3 軟件部分

（1）服務器端

服務器端采用Python語言編寫程序，接收ESP8533傳輸過來的藥品數據，以json格式的形式發送和接收，部分解析代碼如下：

（2）ESP8533程序設計

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備使用ESP8533通信模塊，基于AT指令的串口通信方式與樹莓派之間進行通信。ESP8533初始化部分代碼如下：

（3）定位程序設計

極限救援設備采用北斗雙模定位，通過GPIO串口與樹莓派連接，控制器可接收北斗衛星傳回的數據，提取其中待救人員的經緯度信息。設備采用自主研發的極位追蹤算法，該算法與CHAN算法不同，極位追蹤算法定位更精準、響應更快速、可視范圍更廣。極位追蹤算法是采用兩次最小二乘迭代對目標位置進行求解，在噪聲符合高斯分布的情況下，定位精度較高，而且計算量較小。在多點定位系統到達時間差TDOA原理的基礎上，使用極位追蹤算法求解目標位置。最后，通過設定不同的基站坐標進行目標定位，以幾何精度因子GDOP分析了不同的布站方式對多點定位系統定位精度的影響，通過仿真進一步證明了極位追蹤算法和GDOP因子的有效性。最后，采用OpenCV庫里面的KUYLONG，從背景分離出移動的目標，使用cv2尋找到圖像。

（4）數據處理程序設計

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備控制系統對圖片數據的處理采用了OpenCV3.5.0庫。樹莓派接收過來的圖片數據首先經過已做好的藥品信息識別分類器，然后通過OpenCV3.5.0庫對圖片進行處理，將處理后的圖片進行預存處理，調用AdaBoost模塊實現藥品信息檢測，檢測結果返回到云端統計平臺，部分圖片數據處理代碼如下：

2 設備創新點

2.1 北斗+GPS雙模定位

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備選用SIM868信號模塊，采用自主研發的極位追蹤算法，與北斗衛星進行數據的傳輸，使信號更強，定位更準，讓救援中心人員快速定位到待救人員，立即實施援救。

2.2 自動錄入，云端統計

醫療人員啟動設備后，只需將待放藥品對準攝像頭，瞬時可實現藥品的品名、規格、有效期、主要成分、適應癥或功能主治、用法、用量、禁忌、不良反應和注意事項等信息的自動錄入，無需人工輸入藥品信息，方便快捷。與此同時，藥品信息實時上傳云端，系統根據預設定的數據庫對設備存儲的藥品實現不開箱自動分類統計藥品庫存及使用情況，并優先推送生產日期最早的藥品給待救人員，系統響應快速、數據信息準確。

2.3 云端監控，把握黃金救援時間

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備可云端監控藥品信息，只要有藥品從藥箱取出，集控中心屏幕就會即時顯示藥品剩余量，可方便救援中心集中定點補給醫療物資，做到即調度、即救援，讓救援由被動變主動，搶抓救援黃金時間。

3 推廣價值

北斗雙模定位和精準監控功能的極限救援設備不僅可用于災區救援，也可在全軍各野戰部隊醫院和偏遠地區的醫療單位推廣,還可在維和部隊、緊急事故救援醫療隊推廣使用。設備又因其結構靈巧便攜、取放智能調溫、定位精準可監控等優點廣受贊譽。