一種特殊作業(yè)環(huán)境下生命保障定位裝置

摘 ?要：文章設(shè)計一種特殊作業(yè)環(huán)境下的生命保障定位裝置，由核心控制器模塊、生命體征監(jiān)測模塊、定位模塊、LoRa通信模塊、雙目攝像頭模塊等組成。多模式定位技術(shù)實時獲取作業(yè)人員定位信息，生命體征傳感器監(jiān)測作業(yè)人員體征指標(biāo)，雙目三維重建技術(shù)采集作業(yè)環(huán)境立體三維信息，使用自組網(wǎng)的LoRa通信模塊把實時數(shù)據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸回指揮中心，以便解決特殊作業(yè)環(huán)境下出現(xiàn)緊急危險情況時無法快速實時獲取作業(yè)人員信息，而延誤救援方案的問題。

關(guān)鍵詞：生命體征;雙目三維重建;LoRa;慣性導(dǎo)航

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0069-06

Abstract： This paper designs a life support positioning device under special working environment， which is composed of core controller module， vital signs monitoring module， positioning module， Lora communication module， binocular camera module and so on. The multi-mode positioning technology obtains the positioning information of operators in real time， the vital signs sensor monitors the physical signs of operators， the binocular 3D reconstruction technology collects the 3D information of the working environment， and uses the Lora communication module of ad hoc network to transmit the real-time data wirelessly back to the command center， so as to solve the problem of delaying the rescue plan due to the inability to obtain the information of operators in real time in case of emergency and dangerous situations in special working environment.

Keywords： vital sign; binocular 3D reconstruction; LoRa; inertial navigation

0 ?引 ?言

在生產(chǎn)和建設(shè)過程中，企業(yè)最關(guān)心的是在保障生產(chǎn)安全的前提下提高生產(chǎn)效率，安全生產(chǎn)擺在首位。在一些復(fù)雜性、多變性以及應(yīng)急性的特殊作業(yè)環(huán)境及場所如消防作業(yè)、礦井作業(yè)、地下空間作業(yè)等，作業(yè)人員的作業(yè)性質(zhì)都是呈立體化縱深地理位置分布，管理范圍較大。在工作進(jìn)行時，管理人員無法準(zhǔn)確的了解作業(yè)人員的位置、工作情況、具體地點分布等相關(guān)信息，也就無法第一時間掌握和了解到作業(yè)人員所遇到的情況，出現(xiàn)事故時無法做出及時反應(yīng)，沒法建立一套生命保障安全調(diào)度機(jī)制，耽誤救援。比如在消防火災(zāi)救援、開礦作業(yè)和野外旅游探險等，外部人員無法知道相關(guān)的具體位置，因此需要設(shè)計一種安全快速定位裝置。針對特殊作業(yè)環(huán)境對作業(yè)人員生命保障和定位的需求，本文提出一種特殊環(huán)境下的生命保障定位裝置，將GPS、北斗、陀螺儀多組合定位技術(shù)、嵌入式、LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、攝像等技術(shù)應(yīng)用于消防、煤礦、地下通道等復(fù)雜環(huán)境下特殊作業(yè)的領(lǐng)域，實現(xiàn)對工作人員的精準(zhǔn)定位、路徑跟蹤和保障網(wǎng)絡(luò)通暢。隨時掌握工作人員的分布狀況、運(yùn)動軌跡和健康指標(biāo)，解決現(xiàn)有消防火災(zāi)救援等特殊作業(yè)下無法快速獲取相關(guān)人員的具體位置和生命體征的技術(shù)問題，實時定位特殊作業(yè)人員的位置和接受外部的調(diào)度命令。

1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

生命保障定位裝置電路板結(jié)構(gòu)布局圖如圖1（a）所示，其裝置安裝在安全帽上，剖面圖如圖1（b）所示，設(shè)備裝置主要由外殼、衛(wèi)星定位天線、衛(wèi)星定位模塊、陀螺儀模塊、交互模塊、顯示模塊、控制模塊、無線電天線、編解碼模塊、揚(yáng)聲器、對講控制開關(guān)、拾音麥克風(fēng)等組成，集成在一塊電路板上，通過外殼實現(xiàn)整體的封裝，集成在安全帽帽體上，實現(xiàn)對人員定位和生命體征監(jiān)測的功能。帽體頂部設(shè)置有固定殼體，LoRa通信模塊、控制器模塊、陀螺儀模塊和定位電路設(shè)置在固定殼體內(nèi)，LoRa通信模塊的天線穿過固定殼體，并設(shè)置在固定殼體外。固定殼體內(nèi)還設(shè)置有電池，電池固定殼體外設(shè)置有充電口，所述充電口與電池連接，所述擴(kuò)展接口設(shè)置在固定殼體外。攝像頭設(shè)置在固定殼體頂部，且攝像頭與固定殼體之間設(shè)置有攝像頭固定座。

2 ?系統(tǒng)框架設(shè)計

根據(jù)生命保障定位裝置的主要功能為定位功能、LoRa無線通信功能、攝像雙目三維重建功能、生命體征監(jiān)測功能，系統(tǒng)設(shè)計框架如圖2所示。

2.1 ?定位功能

設(shè)備采用北斗GPS雙模定位和陀螺儀模塊定位技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)融合的室內(nèi)定位，北斗GPS雙模定位提供戶外平面定位信息，然后加上室內(nèi)采用陀螺儀傳感器模塊定位，得到定位人體的具體位置，實現(xiàn)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境作業(yè)人員的精準(zhǔn)定位及路徑跟蹤。

定位模塊北斗GPS有衛(wèi)星信號時，實時采集定位的信息，陀螺儀模塊同時也實時記錄人運(yùn)動方向的數(shù)據(jù)，比如向前走五米，或者向上走三米，或者斜向上走五米等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后當(dāng)有衛(wèi)星信號時，與定位信號進(jìn)行組合，增加室內(nèi)方向的位置信號，實現(xiàn)定位，如果為沒有衛(wèi)星信號時，即是在設(shè)備開啟時由陀螺儀模塊記錄人員的移動的位置，然后經(jīng)過LoRa通信模塊傳給外部。陀螺儀模塊進(jìn)行室內(nèi)空間定位與GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)相互校正，不管在室內(nèi)或者戶外，都能實現(xiàn)作業(yè)人員位置的精準(zhǔn)確定。

2.2 ?LoRa無線通信功能

當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)、礦井發(fā)生坍塌等事故時，因內(nèi)部空間的密閉性、房屋鋼結(jié)構(gòu)的屏蔽作用等，使得超短波通信信號無法全面覆蓋。在事故救援現(xiàn)場，通信網(wǎng)絡(luò)不暢導(dǎo)致現(xiàn)場指揮和救援混亂，現(xiàn)場指揮調(diào)度中心也形同虛設(shè)，不能合理地安排救援力量。生命保障定位裝置均設(shè)置有LoRa通信模塊，帶有生命保障定位裝置的安全帽如果在與移動指揮室的通信范圍內(nèi)可直接通信，如果不在通信的距離范圍，需要生命保障定位安全帽廣播給周圍的生命保障定位安全帽，當(dāng)有其中一個應(yīng)答時，說明該生命保障定位安全帽與移動指揮室可以通信，則此時，無法與移動指揮室連接的生命保障定位安全帽，會經(jīng)過另外一個生命保障定位安全帽把信號發(fā)給移動指揮室，實現(xiàn)組網(wǎng)，該組網(wǎng)為現(xiàn)有的組網(wǎng)連接方式，如圖3所示。實現(xiàn)了特殊作業(yè)的情況，有一些地方?jīng)]有信號時，也能與外部通信。

2.3 ?生命體征監(jiān)測功能

生命體征監(jiān)測采用的傳感器包括人體體溫、心率脈搏等檢測傳感器，均設(shè)置人體表層，與控制器模塊連接，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，可實時獲得作業(yè)人員的生命體征指標(biāo)，如作業(yè)人員健康受到威脅時，指揮中心可第一時間掌握信息，根據(jù)定位信息和身體體征，開展救援工作，保障作業(yè)人員的生命安全。

2.4 ?攝像雙目三維重建功能

特殊作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、多變性以及應(yīng)急性，需要對作業(yè)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場繪制三維線框地圖。采用攝像頭雙目立體視覺法能實現(xiàn)空間坐標(biāo)重建，分為圖像獲取、特征匹配和重建三個步驟。圖像獲取是由不同位置的兩臺攝像機(jī)獲取同一物體的過程;特征匹配是在兩幅圖片中通過特征關(guān)系，尋找對應(yīng)點的過程;重建就是根據(jù)匹配點對應(yīng)關(guān)系計算目標(biāo)點點空間坐標(biāo)的過程，將重建現(xiàn)場立體三維線框數(shù)據(jù)，發(fā)送到指揮調(diào)度系統(tǒng)生成現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的立體三維線框地圖，有效掌握作業(yè)環(huán)境信息和作業(yè)人員分布信息，對指揮調(diào)度提供有效的信息。

3 ?硬件設(shè)計

生命保障定位裝置的控制模塊采用STM32F407核心，定位模塊采用慣性導(dǎo)航模塊WTGPS-300，無線數(shù)據(jù)傳輸采用的是LoRa無線通信SX1278擴(kuò)頻，攝像頭采用OV9732，血氧濃度檢測選擇MAX30102芯片，人體溫度傳感器采用MAX30205。硬件框圖如圖4所示，硬件原理圖如圖5所示。

3.1 ?控制模塊

STM32F407是一種高性能微控制器，有著很強(qiáng)的抗干擾能力，集成了單周期DSP指令和浮點單元 （floating point unit， FPU），提升了計算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計算和控制，此外，還提供了豐富的數(shù)字外設(shè)，為定位裝置連接外接模塊提供便捷。

3.2 ?定位模塊

定位模塊采用慣性導(dǎo)航模塊WTGPS-300模組，體積小，高靈敏度、低功耗、低成本，該模塊集成GNSS接收機(jī)、6軸慣性傳感器能夠提供連續(xù)的高精度3D定位。衛(wèi)星信號差會結(jié)合慣性傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行跟蹤定位，保證室內(nèi)精準(zhǔn)定位。

3.3 ?雙目三維重建模塊

由于雙目立體視覺要實現(xiàn)空間坐標(biāo)三維重建需要圖像獲取、特征匹配和重建，計算量比較大，因此獨立設(shè)置一個核心控制器完成目標(biāo)點點空間坐標(biāo)計算，該控制器直接與攝像頭OV9732連接，控制攝像頭圖片采樣，計算好的現(xiàn)場立體三維線框數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

3.4 ?LoRa無線通信模塊

LoRa無線模塊采用SX1278芯片，工作在410～441 MHz頻段，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的IO口電壓。具有傳輸距離遠(yuǎn)，速度快，功耗低，抗干擾性強(qiáng)的特點;支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動中繼、通信密鑰等功能，多種傳輸方式可以實現(xiàn)組網(wǎng)和中繼功能，滿足作業(yè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)不通暢時自組網(wǎng)與外界通信的需求。

3.5 ?生命體征監(jiān)測模塊

生命體征監(jiān)測采用了血氧濃度檢測傳感器模塊MAX30100、人體溫度傳感器模塊對人體體征監(jiān)測。血氧濃度檢測傳感器MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊。MAX30102本身集成了完整的發(fā)光LED及驅(qū)動部分，光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換部分，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，通過IIC接口來讀取MAX30102本身的FIFO得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值，通過編寫相應(yīng)算法就可以得到心率值和血氧飽和度。MAX30205溫度傳感器可高精度測量溫度，工作在0 ℃至+50 ℃溫度范圍，高精度和低電壓性能，16位（0.00 390 625 ℃）溫度分辨率，精度滿足ASTM E1112的臨床測溫儀技術(shù)規(guī)范。

4 ?軟件設(shè)計

生命保障定位裝置工作過程主流程圖如圖6（a）所示。設(shè)備開機(jī)初始化后，讀取生命體征數(shù)據(jù)、定位信息、雙目攝像現(xiàn)場三維數(shù)據(jù)，采用LoRa無線通信進(jìn)行信息收發(fā)。圖6（b）中采集生命體征信息，讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)換算成溫度值，讀取血氧傳感器的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為心率值，再將其換算成血氧飽和度的數(shù)值。流程圖中圖6（c）定位信息采集流程圖中，采集衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星定位因子數(shù)和空間定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過MCU處理，當(dāng)定位因子數(shù)小于n（衡量衛(wèi)星定位準(zhǔn)確度的參數(shù)），采用衛(wèi)星定位作為設(shè)備位置信息，校準(zhǔn)空間定位數(shù)據(jù);當(dāng)定位因子數(shù)超過n，即進(jìn)入建筑或衛(wèi)星信號變?nèi)鮼G失時，采用慣性傳感器進(jìn)行空間定位，記錄室內(nèi)運(yùn)動軌跡坐標(biāo)，結(jié)合衛(wèi)星定位和慣性傳感器定位信息進(jìn)行位置信息數(shù)據(jù)儲存。圖6（d）中雙目攝像采集圖像，分別進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定、雙目圖像標(biāo)定、特征提取、立體匹配出視差圖，生成深度圖，最后進(jìn)行三維重建。移動指揮系統(tǒng)管理中心收到采集的數(shù)據(jù)平臺顯示如圖7所示。

5 ?結(jié) ?論

本文通過用GPS北斗衛(wèi)星定位和陀螺儀傳感器定位技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)融合的室內(nèi)定位，實現(xiàn)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境作業(yè)人員的精準(zhǔn)定位及路徑跟蹤，使用生命體征監(jiān)測傳感器實時監(jiān)測作業(yè)人員的健康指標(biāo)，攝像頭雙目視覺三維重建技術(shù)實現(xiàn)繪制現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境三維地圖，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺接收到作業(yè)人員的定位坐標(biāo)、生命體征、雙目分析的立體三維線框數(shù)據(jù)，可直接生成現(xiàn)在作業(yè)環(huán)境立體三維地圖，標(biāo)記作業(yè)人員分布點，記錄跟蹤作業(yè)人員的行為軌跡和生命體征，如發(fā)生事故，救援人員可根據(jù)作業(yè)人員定位坐標(biāo)和作業(yè)環(huán)境立體三維地圖作出搶救方案，第一時間展開營救，提高救援效率和成功率。

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作者簡介：袁梅（1985—），女，漢族，廣西玉林人，講師，碩士，研究方向：嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。