基于北斗定位技术的野外紧急救援装置研究

高伟，盛仕伟

（1.中国电信大连分公司，辽宁大连，116028；2.大连交通大学，辽宁大连，116028）

0 引言

在进行野外运动或在野外工作及野外军事训练、行动时，受到户外复杂多变的环境以及体能限制等因素难以避免会发生急性组织损伤情况，引发强烈的疼痛感并伴发肿胀、发热等症状。此外，持续的剧烈疼痛将导致血压降低、脑供血不足甚至出现昏厥症状，对伤者造成缺血神经障碍、永久性脑损伤，甚至导致死亡。但野外环境复杂，通信基站无法完全覆盖，因此伤者无法及时获得救助。常规野外急救措施是携带户外急救包进行自救，配备急救药品、外用医疗器械、包扎绷带等。但户外急救包存在沉重、空间有限、携带的医药物资有限等不足，尤其在伤势较重情况下伤者无法实施自救，导致严重后果。针对野外紧急救援方案国内外学者进行了深入研究，并取得了一定进展[1～3]。针对目前野外救援方案中无法采用常规通信工具发送求救信号，伤者在强烈疼痛中无法实施自救的问题，本研究设计一种由北斗导航模块、生理信号采集模块、镇痛泵、声光报警模块构成的野外紧急救援装置，实现北斗短报文通信、生理数据实时采集、镇痛泵自动控制功能，解决野外救援中救援信号及时发送，救助伤者智能化的问题[4～5]。

1 系统设计方案

本研究设计的野外紧急救援装置系统结构如图1 所示，装置由3.3V 锂电池供电，系统由核心处理器和北斗模块、镇痛泵、生理参数检测模块、声光报警模块共4 个外围模块组成。核心处理器采用低功耗STM32 芯片，STM32 芯片采用ARM 结构，具有低电压、低功耗、抗干扰能力强、端口资源丰富等特点，适用于可穿戴设备和手持设备。STM32芯片作为系统的核心，负责生理数据处理分析、北斗短报文通信数据控制、镇痛泵控制、声光信号控制。生理参数检测模块将心率、体温、呼吸、血氧数据传送给核心处理器，处理器首先对数据进行数字滤波，然后进行相关参数运算，当检测到生理参数异常时，发送报警控制信号给声光报警模块。ATGM336H 北斗导航芯片传送定位信息给核心处理器，处理器对定位字符串进行解析得到准确的位置信息。当处理器检测到生理参数异常时，将位置信息和生理参数数据形成短报文，通过北斗短报文模组XM1302E 发送到指定平台。

图1 野外紧急救援转装置系统结构图

2 系统硬件设计

北斗模块由高性能ATGM336H 双模导航模组和XM1302E 北斗短报文模组构成。ATGM336H 双模导航模组具备全星座定位功能，内置32 个跟踪通道，具备体积小、高灵敏度、低功耗特点，跟踪灵敏度达到-162dBm，支持A-GNSS 和D-GNSS，适用于可穿戴设备。本系统采用的ATGM336H 导航模块和双模天线分别如图2 和图3 所示。XM1302E 北斗短报文模组内部集成短报文射频基带一体化芯片和电路，能够对RDSS 卫星信号进行滤波并进行低噪声放大。XM1302E 北斗短报文模组具有高集成度、低功耗、小尺寸等特点，适用于野外应急求救管理，尤其在野外无人区能够发挥应急通信的优势。

图2 ATGM336H 导航模块

本系统采用自控给液100ml 1267 型镇痛泵，如图4 所示。镇痛泵穿戴在野外人员身上，采用自动结合手动控制方式工作。系统能够根据伤者的生理参数自动控制镇痛泵启停，控制给药量。当伤者意识清醒时也可以选择手动对镇痛泵进行控制。本系统镇痛泵控制采用超前镇痛算法，通过多生理参数的分析，对伤者疼痛强度进行预判、提前给药，实现超前镇痛，减轻疼痛刺激向中枢神经系统传递，减轻伤者症状。

图4 1267 型镇痛泵

生理参数检测模块采用一次性生理电极实时采集户外人员的心率、体温、呼吸、血氧等生理参数，当生理参数异常并超过阈值时通过XM1302E 北斗短报文模组发送求救信息，同时启动镇痛泵，根据实时生理参数控制给药量。系统的心率和血氧饱和度检测电路如图5 所示，检测电路采用红外光谱法，通过对不同波长红外辐射数据对血氧饱和度和心率数据进行计算。红外光谱法具有快速准确，抗干扰力强等优势，广泛应用于医疗检测仪器。系统采用的一次性生理电极具有导电性好、粘贴牢靠、对皮肤无刺激、安全卫生的特点。声光报警模块由LED 灯和喇叭组成，STM32 芯片的2 个控制端口分别控制LED 灯闪烁和喇叭发声，其中喇叭通过驱动电路实现控制信号放大。系统采用声光报警具有较强的警示作用，便于救援人员实现快速定位。

图5 血氧和心率采集电路

3 系统软件设计

系统的主程序流程如图6 所示，系统启动后首先进行初始化，并检测各个模块的工作状态，如果模块出现异常或生理信号检测电极未粘贴则进行声音提示。系统初始化结束后首先检测“求救按键”，如果用户未进行手动求救，系统实时检测血氧、心率、体温和呼吸数据并进行综合评价，当分析结果显示身体状况异常时将自动启动求救模式，发出声光报警信号。如果用户进行手动求救，则启动ATGM336H导航模块确定准确的位置信息，并启动XM1302E 北斗短报文模组将位置信息和生理参数信息形成北斗短报文发送到指定平台。此外，综合评判生理状况后适时启动镇痛泵，采用超前镇痛法进行给药。如果伤者意识清醒且痛感强烈，可以手动增加给药量。

图6 主程序流程图

北斗短报文程序流程如图7 所示，首先启动ATGM336H双模导航模组并通过串口接收位置信息。位置信息需要进行解析并判断信息的有效性，如果信息接收有误或者位置信息无效则重新接收信息。接收到有效位置信息后可以解析出经纬度、海拔等原始数据。然后启动XM1302E 北斗短报文模组，将位置信息和生理信号数据封装为北斗短报文发送到指定平台。

图7 北斗短报文程序流程图

ATGM336H 双模导航模组串口信息格式为全球定位系统和导航设备交换信息的NMEA 标准格式，通用NMEA 语句以‘$’作为起始符，两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，中间是数据信息，以＜CR＞和＜LF＞作为结束。NMEA 数据信息有十几种，常用的语句名包括“GGA”全球定位信息、“GLL”地理定位信息、“VTG”地面速度信息、“GSA”当前卫星信息等。例如GGA 语句中包括定位时间、经纬度、质量因子、水平精度因子、海拔等字段，主要用于获取准确的定位数据。

4 结论

本研究给出一种结合北斗定位和短报文技术的野外紧急救援系统的设计方案，弥补目前野外救援装置缺少生理数据实时检测分析，缺少自动给药镇痛功能，无法在无通信基站环境发送求救信号的不足。系统采用具有自主核心技术的ATGM336H 导航模块实现定位，采用北斗短报文模组XM1302E 实现短报文发送；采用自主设计的生理信号采集电路实现血氧、心率、体温和呼吸数据检测；采用融合算法实现生理数据的分析与评判；采用超前镇痛给药法实现镇痛药剂的自动注射。系统在硬件设计方面实现了系统的低功耗、稳定性、安全性、可靠性，在软件设计方面首创性采用多数据融合分析算法与超前镇痛给药算法，为野外人员的生命安全提供保障。