應急救援培訓生命體征監測系統設計

張 夢，劉欣然，王中舉，黃 超，王 龍

(1.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083； 2.北京科技大學順德研究生院，廣東 佛山 528399)

0 引 言

近些年來，高樓、住房、工廠等建筑物的數量迅速增加，樓房之間的距離逐漸減小，城市內的人群聚集密度逐漸增大，導致火災事故發生概率大大增加，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經濟財產損失等嚴重后果。為了增強人們在火災中的安全防護常識，學校、企業、機構等部門經常會模擬一些火災事故場景并開展應急救援培訓活動，以提高人們的應急救援能力[1]。

傳統的工業火災應急救援培訓活動在保障受訓人員的生命安全方面存在不足。例如，工業火災場景復雜，受訓人員流動大，人工無法實時監測每個受訓人員的生命安全情況；當受訓人員出現意外情況時，施救人員無法得到準確的位置信息和生命體征信息，致使受訓人員不能得到及時和有效的救助。為了解決這些問題，研究人員應用各種算法、硬件和網絡技術，將傳感器設備與軟件平臺結合，設計和研究了生命體征監測系統[2-7]。相關研究結果[8-9]表明，生命體征監測系統在醫學治療[10-11]、消防救援[12-14]、生活應用[15]等多個領域都具有廣泛的應用和重要的作用。國內研究人員針對應急救援的生命體征監測系統展開了相關研究，鄒鳴等[12]基于無線傳感網設計了消防員生命體征參數監測系統，將脈搏傳感器采集的脈搏信號和心率進行實時監測，但生理參數種類少，無法對監測人員的其他生命體征進行監測，監測效果有限；徐慧軍等[4]設計和研究了基于壓電薄膜和片上可編程系統的可穿戴體征監測系統，將可穿戴式體征監測系統裝配于救援防護服上，可對監測人員的多項生命體征進行實時監測并進行預警，但可穿戴式設備單一，若出現意外情況導致無法使用防護服，則會使監測人員脫離監測，甚至陷入危險。

針對這些問題，該文將智能背心和運動手環同時運用到應急救援培訓過程中，通過藍牙模塊和樹莓派設備的WIFI模塊實時上傳培訓人員的多項關鍵生命指標和地理位置到監控指揮中心，當生命體征出現異常時，監控指揮中心得到預警信息并及時部署附近的救援人員進行救助。監測系統由主系統和冗余監測系統組成，如智能背心設備和運動手環設備可以同時監測培訓人員的關鍵生命體征信息，若一方失效，其余的傳感系統仍可繼續監測，從而保證被測人員處于安全狀態。在社會應急救援訓練中，此系統的監測和預警功能對監測和保障培訓人員的生命安全方面起到了重要的作用，系統能夠及時發現異常情況并準確定位和實施救援，減少受訓人員傷亡。

1 系統總體方案設計

社會化應急救援培訓生命體征監測系統主要由生命體征采集模塊、藍牙傳輸模塊、WIFI傳輸模塊和瀏覽器Web顯示端組成。系統結構如圖1所示，主要功能包括：

圖1 系統總體架構

(1)借助受訓人員穿戴的智能背心和運動手環等電子設備，實時獲取受訓者的生命體征數據；

(2)通過藍牙模塊將數據上傳至樹莓派設備，由樹莓派設備將生命體征數據上傳至連接在同一局域網的終端，最終存儲于系統的數據庫中。

該系統通過藍牙模塊、樹莓派芯片、Django開發環境和Web瀏覽器搭建了線上線下監測預警系統。

在工業火災事故場景的應急培訓演練中，受訓人員隨身佩戴采集生命體征數據的電子設備，生命體征采集模塊實時獲取受訓人員的心率、呼吸率、體溫等關鍵生理指標和地理位置并上傳至系統，系統定時獲取受訓人員的生命體征數據并判斷人員的生命安全情況；若生理指標超出正常范圍，監控指揮中心收到預警信息，及時通知和組織附近的救援小組進行救助。

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體結構

生命體征監測硬件是應急培訓監測系統的重要組成部分，主要由受訓人員佩戴的運動手環、智能背心設備和樹莓派設備組成。系統硬件整體結構如圖2所示。其中，運動手環和智能背心主要用來實時獲取心率、呼吸率、體溫等關鍵生命體征數據和地理位置信息，藍牙傳輸模塊和樹莓派設備的WIFI傳輸模塊主要用來建立可穿戴式電子設備與軟件系統之間的通訊連接，實時傳輸受訓人員的生命體征信息。

圖2 系統硬件整體結構

2.2 生命體征采集模塊

生命體征采集裝置可包括運動手環、心率臂帶、智能背心、加速度傳感系統等裝置，可實現對運動狀態下培訓人員的心率、呼吸率、體溫、靜止姿態、活動度等生命體征的采集。在應急救援培訓場景中，受訓人員穿著智能背心和佩戴運動手環等電子設備，在運動手環和智能背心開啟狀態下，即可實時獲取受訓人員的生命體征狀況。

2.3 藍牙傳輸模塊

該系統使用樹莓派設備，與受訓人員所佩戴的智能背心和運動手環相連接，通信通過藍牙實現。由于智能背心與運動手環設備的藍牙都屬于BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗藍牙，本設計使用藍牙堆棧中的命令與設備進行配對，配對成功后，即可訪問低功耗外圍設備的所有特征，對其中notify屬性的綜合數據特征進行訂閱，此屬性支持實時通知，每間隔4秒鐘，設備會自動發送用戶體征數據至樹莓派設備。

2.4 WIFI傳輸模塊

使用終端連接同一局域網下的所有樹莓派設備，將樹莓派設備得到的數據傳送到終端并上傳至系統的數據庫中，即可獲取當前所有受訓人員的實時生命體征信息。

3 系統軟件設計

3.1 主程序軟件設計

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序設計流程

主程序開始執行后，開啟藍牙和WIFI模塊，對其進行初始化，硬件數據傳輸通路可以正常傳輸數據；系統判斷是否收到數據傳輸指令，若收到傳輸指令則調用解析程序對收到的數據進行分析并存儲到系統的數據庫中，否則繼續等待數據傳送指令；監控指揮中心接收并分析數據，判斷生命體征數據是否超出設定的閾值范圍，若數據異常則調用預警程序，否則瀏覽器實時顯示受訓人員的生命體征信息；系統以圖表的形式可視化生命體征數據的變化情況。監測系統與樹莓派設備在同一局域網下，系統每隔一段時間自動查詢WIFI模塊獲取數據的情況，實時獲取受訓人員的生命體征狀況。

3.2 歷史生命體征查詢程序設計

歷史生命體征查詢程序設計如圖4所示。

圖4 歷史生命體征查詢程序設計

首先選擇特定受訓人員進行查詢，指定需要查看的起始時間和終止時間，系統調用數據庫，查詢程序得到這段時間間隔內所獲取的生命體征數據集合。系統自動判斷此集合中的每個生命體征數據是否超過閾值，若超過正常范圍則以文字形式顯示預警信息，否則由系統計算每段間隔時間內的所有數據的平均值，并以圖表、曲線等方式可視化顯示生命體征的變化情況。

3.3 瀏覽器顯示端設計

3.3.1 生命體征實時顯示界面

實時顯示界面是監控指揮中心查看受訓人員當前生命體征狀況的主要界面。生命體征實時顯示界面主要顯示正在火災應急演練現場的培訓人員關鍵生命指標情況和地理位置。監測系統實時顯示受訓人員的生命體征數據(心率、呼吸率和體溫)，如圖5所示。

圖5 生命體征實時顯示界面

系統每4秒獲取一次智能背心和運動手環設備檢測出的生命體征數據，并上傳到系統的數據庫中。當受訓人員的生命體征發生異常時，系統主界面跳出預警提示框，顯示生命體征異常的受訓人員的相關信息，提醒監控指揮中心及時組織附近的救援小組進行救助。

3.3.2 歷史生命體征查詢界面

監控指揮中心人員可選取特定時間段進行查詢。系統根據選擇的時間段進行查詢，監控指揮中心可查看該受訓人員在此時間段內的生命體征變化情況，系統以折線圖的形式顯示該受訓人員在這一時間間隔內的體溫變化數據，體溫變化結果圖如圖6所示。呼吸率變化以條形圖的形式可視化顯示，心率變化以折線圖的形式顯示，查詢結果如圖7所示。

圖6 體溫變化顯示結果

圖7 呼吸率和心率變化顯示結果

當某一時刻的呼吸率或心率低于正常值時，此點顯示藍色；當呼吸率或心率高于正常值時，顯示紅色；當呼吸率或心率在正常范圍內，顯示綠色。每個變化圖左上角顯示該時間段內此項指標是否發生異常，若發生異常則監控指揮中心會收到預警信息，及時派遣救援人員進行營救。

4 實景測試及應用情況

為了模擬工業火災應急處置過程，每次參加工業火災事故場景培訓演練的人數約為20人，分為2～3個小組，各小組依序參加演練或各小組間協同演練。每個培訓人員都穿戴了智能背心和運動手環，打開藍牙開關和WIFI開關。智能背心和運動手環如圖8所示。在保證同一局域網的環境下，可穿戴式電子設備實時傳輸生命體征數據到監控指揮中心的系統數據庫中，開展現場測試。

圖8 智能背心和運動手環

可穿戴式電子設備、樹莓派設備、監測和預警系統均正常運行，監控指揮中心可以實時接收到培訓人員的生命體征信息，如圖9所示。當受訓人員的心率、呼吸率、體溫等生命指標超出閾值時，監控指揮中心收到實時的預警信息。監控指揮中心根據系統顯示的實時地理位置信息發送給附近的救援小組，組織救援人員追蹤受傷的培訓人員，并由救援人員進行相關的施救措施。

圖9 生命體征測試結果

5 結束語

該系統由生命體征采集模塊、藍牙傳輸模塊、WIFI傳輸模塊、實時監測模塊和預警模塊等五部分組成。監測系統由主系統和冗余監測系統組成，如運動手環和智能背心可以同時監測培訓人員的生命體征，若一方失效，其余的傳感系統仍可繼續監測，從而保證被測人員處于安全狀態。應急救援培訓生命體征監測系統具有實時顯示、歷史數據查詢分析、定位和地圖顯示功能，可供監控指揮中心實時保障培訓人員的生命安全狀況。在應急培訓過程中，若培訓人員生命體征異常，監控指揮中心及時接收到系統的預警信息，根據培訓人員的地理位置統一部署附近安全救生人員，組建協同救援小組，并通過命令下達的形式通知小組成員展開協同救援，有效地保障了培訓人員的人身生命安全。