基于UWB技術的健康定位手表設計與實現

樊 榮,郭江濤,王 飛

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)

隨著我國智能礦山建設的推進,大量智能裝備在煤礦井下開始推廣應用[1-3]。定位終端作為工作人員的常用設備,主要應用于人員精確定位和雙向通信(撤離報警、緊急求救)等方面[4-6]。但是,目前大多定位終端不具備生命體征監測功能,不能實現對健康數據的實時監測[7-8]。健康手表可以監測人體心率、血氧和體溫等指標,并通過藍牙傳輸到手機上,但又不具備精確定位和實時在線監測功能[9-10]。煤礦井下UWB精確定位系統中的定位終端主要設備形式為標識卡和信息礦燈[11]:標識卡具有精確定位、撤離報警、緊急求救等功能;信息礦燈可實現照明和精確定位[12-13]。但這些設備無法滿足礦山智能化建設對員工安全健康監測及預警的需求[14-15]。

筆者設計了一種基于UWB技術的具有健康監測功能的定位手表(以下簡稱“手表”),同時具有精確定位功能、心率/血氧/體溫等生命體征監測功能,為智能礦山建設提供了一種具有健康監測功能的定位終端,滿足了定位終端智能化、多樣化需求[16]。

1 手表設計

1.1 工作原理

手表利用TOF定位算法實現礦井巷道精確定位[17],同時采用UWB通信技術將生命體征健康數據傳輸至服務器,以完成人員精確定位與生命體征指標的數據融合,實現位置信息和健康數據的實時監測。手表工作原理如圖1所示。

圖1 手表工作原理圖

由圖1可見,手表工作過程主要涉及服務器、工業以太環網、定位基站和手表等4個部分。手表實時監測人體心率、血氧和體溫等生命體征指標,周期性地與定位基站進行TOF定位,將精確定位信息和健康數據通過工業以太環網傳輸至服務器,從而實現人員位置信息和健康數據的實時監測;服務器及軟件監測到生命體征、位置信息數據異常,即向手表發送報警信息,如果沒有得到回復,立即啟動預警,通知事故周圍人員前往查看情況,同時提示調度室人員展開救援。

1.2 硬件設計

手表主要硬件包括nRF52832藍牙芯片、UWB模塊、心率/血氧傳感器、溫度傳感器、三軸傳感器、按鍵、液晶屏、蜂鳴器和振動電動機等,其硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 手表硬件設計框圖

UWB模塊用于接入定位基站,實現UWB精確定位和數據通信;nRF52832藍牙芯片作為主控MCU,藍牙連接智能手機,為用戶本地呈現心率、血氧和體溫等生命體征指標參數;心率/血氧傳感器和溫度傳感器用于監測人體心率、血氧和體溫等生命體征指標;三軸傳感器用于檢測運動狀態,進行低功耗休眠控制,以降低手表平均功耗[18-19];按鍵、液晶屏、蜂鳴器和振動電動機等部件用于人機交互。

1.3 軟件設計

手表主要任務包括:監測人體心率、血氧和體溫等生命體征指標;與定位基站進行TOF定位;檢測攜帶人員運動狀態;檢測按鍵、觸發求救信息和確認報警信息。

手表完成初始化配置后,設置500 ms休眠/喚醒定時器。休眠時關閉外設以降低功耗;定時喚醒后,檢測按鍵是否被長按、監測溫度傳感器和心率/血氧傳感器數據、檢測手機藍牙連接及攜帶人員運動狀態。手表根據運動狀態(靜止或移動),采用不同周期進行TOF定位和傳輸健康數據,同時判斷是否接收到報警信息。手表工作流程如圖3所示。

圖3 手表工作流程

2 關鍵技術研究

2.1 UWB精確定位算法

礦井巷道屬于線型結構,安裝定位基站的距離和方向決定了定位基站的有效覆蓋范圍[20]。假設定位基站左邊為正(+)、右邊為負(-),通信距離為400 m,定位基站覆蓋范圍示意圖如圖4所示。

圖4 定位基站覆蓋范圍示意圖

手表與定位基站采用TOF定位算法進行點對點測距(見圖5),獲得測距結果一般需要通信3次[17]:測距請求幀(POLL)、測距響應幀(RESP)、測距數據幀(FINAL)。

圖5 TOF點對點測距流程圖

手表與定位基站之間距離計算公式如下:

d=[(TRR-TSP)-(TSR-TRP)+(TRF-TSR)-(TSF-TRR)]c/4

(1)

式中:TSP為測距請求幀的發送時間戳;TRP為測距請求幀的接收時間戳;TSR為測距響應幀的發送時間戳;TRR為測距響應幀的接收時間戳;TSF為測距數據幀的發送時間戳;TRF為測距數據幀的接收時間戳;c為光速,取3.0×108m/s。

根據礦井巷道的一維線性空間特點,定位基站的2個UWB天線必須成對安裝[20],二者之間距離為dΔ(≥1 m)。UWB精確定位方向判斷機制如圖6所示。

圖6 UWB精確定位方向判斷機制

手表與定位基站的左、右UWB天線的測距值分別為d1和d2,判斷手表方向的機制如下:

1)當d1dΔ時,手表位于定位基站的左邊,距離為d1,方向為正;

2)當d2dΔ時,手表位于定位基站的右邊,距離為d2,方向為負;

3)當d1≤dΔ且d2≤dΔ時,手表位于定位基站的左、右UWB天線中間,距離為d1或d2。

2.2 生命體征監測技術

采用高度集成的心率/血氧傳感器監測心率和血氧值,通過藍牙芯片nRF52832的I2C接口與傳感器進行通信,配置傳感器寄存器,發送地址命令給傳感器,以獲得被測人員PPG(電容積脈搏波法)信號原始數據。

心率檢測算法如圖7所示。手表每隔5 min啟動1次采集數據,每次采集連續20 s,先計算20 s內心率值,然后得到1 min心率值。

圖7 心率檢測算法實現流程

血氧檢測算法如圖8所示,獲得傳感器2個燈(紅外和紅色)的PPG數據,根據血氧的計算原理推算出血氧值。

圖8 血氧檢測算法實現流程

采用非接觸式紅外溫度傳感器監測人體溫度,藍牙芯片nRF52832通過I2C接口與傳感器進行通信,實時測量人體溫度。手表每隔1 min啟動1次采集數據,獲取體溫值。

2.3 低功耗休眠機制

手表體積受限、電池容量較小,通過低功耗休眠機制降低平均功耗至關重要。通過分析三軸傳感器的x軸、y軸和z軸3個方向的加速度值檢測手表運動狀態[18],其算法如圖9所示。

圖9 運動狀態檢測算法流程圖

取x軸、y軸和z軸3個方向的加速度值(Dx、Dy、Dz)三者絕對值之和進行判定:大于判定閾值(DT),狀態值(S)設定為1;否則狀態值(S)設定為0。連續讀取10次狀態值(S1,S2,…,S10),若10次狀態值之和S和>5,則判定為移動狀態;若S和<3,則判定為靜止狀態;若S和為3、4、5,則運動狀態維持不變。

手表根據運動狀態動態調整工作模式,如表1所示,實現低功耗休眠控制,降低手表平均功耗。

表1 工作模式說明

3 試驗結果及分析

為了測試手表TOF定位功能,在煤礦災害防控全國重點實驗室清水溪實驗巷道內搭建測試平臺,如圖10所示。布置2臺基站、10個手表和1臺電腦,2臺基站之間距離約為400 m,均采用增益為16 dB的定向天線,天線安裝高度約為2.0 m、距巷道壁約0.8 m。手表佩戴于測試人員手腕上,實時監測人體心率、血氧和體溫。

圖10 系統測試平臺

斷電基站B,定位周期為1 s,在距基站A的50、100、200、300、400 m處,分別測試5 min,隨機選取其中5個手表進行分析,除去最大值和最小值,取其平均值作為定位結果,精確定位測試結果如表2所示。

表2 精確定位測試結果 單位:m

根據表2測試結果分析可知,手表精確定位誤差小于0.30 m,最大通信距離可達400 m,滿足礦井精確定位需求。

上電定位基站B和定位基站A,手表在巷道中移動,中心站實時記錄攜帶人員的心率值、血氧值和體溫值,報警信息和確認信息傳輸時延小于2 s,滿足行業標準要求。

此外,采用Fluke 289萬用表測試定位手表的平均電流:移動狀態下有UWB網絡時為1.8 mA,無UWB網絡時為1.5 mA;靜止狀態下有UWB網絡時為1.4 mA,無UWB網絡時為480.0 μA。滿足低功耗的要求。

4 結論

1) 針對現有定位終端沒有生命體征監測功能的問題,設計了一種基于UWB技術的具有健康監測功能的定位手表,采用TOF定位算法實現礦井巷道精確定位,將精確定位數據和生命體征健康數據傳輸至服務器,實現了井下人員位置信息和健康數據的實時監測。

2) 手表采用高度集成的心率/血氧傳感器監測心率值和血氧值,采用非接觸式紅外溫度傳感器監測人體溫度,采用三軸傳感器檢測運動狀態。手表根據運動狀態實時動態調整工作模式,從而降低平均工作電流。

3) 試驗結果表明,手表對心率、血氧和體溫等生命體征監測功能正常,與定位基站之間的最大定位距離可達400 m,定位精度小于等于±0.30 m,平均工作電流小于2 mA,最小休眠電流小于500 μA,滿足低功耗的要求。