應(yīng)急救援培訓(xùn)生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 夢，劉欣然，王中舉，黃 超，王 龍

(1.北京科技大學(xué) 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)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(shù)量迅速增加，樓房之間的距離逐漸減小，城市內(nèi)的人群聚集密度逐漸增大，導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生概率大大增加，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。為了增強(qiáng)人們在火災(zāi)中的安全防護(hù)常識，學(xué)校、企業(yè)、機(jī)構(gòu)等部門經(jīng)常會模擬一些火災(zāi)事故場景并開展應(yīng)急救援培訓(xùn)活動，以提高人們的應(yīng)急救援能力[1]。

傳統(tǒng)的工業(yè)火災(zāi)應(yīng)急救援培訓(xùn)活動在保障受訓(xùn)人員的生命安全方面存在不足。例如，工業(yè)火災(zāi)場景復(fù)雜，受訓(xùn)人員流動大，人工無法實(shí)時監(jiān)測每個受訓(xùn)人員的生命安全情況；當(dāng)受訓(xùn)人員出現(xiàn)意外情況時，施救人員無法得到準(zhǔn)確的位置信息和生命體征信息，致使受訓(xùn)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(yīng)用各種算法、硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳感器設(shè)備與軟件平臺結(jié)合，設(shè)計和研究了生命體征監(jiān)測系統(tǒng)[2-7]。相關(guān)研究結(jié)果[8-9]表明，生命體征監(jiān)測系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)治療[10-11]、消防救援[12-14]、生活應(yīng)用[15]等多個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用和重要的作用。國內(nèi)研究人員針對應(yīng)急救援的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)展開了相關(guān)研究，鄒鳴等[12]基于無線傳感網(wǎng)設(shè)計了消防員生命體征參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，將脈搏傳感器采集的脈搏信號和心率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，但生理參數(shù)種類少，無法對監(jiān)測人員的其他生命體征進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測效果有限；徐慧軍等[4]設(shè)計和研究了基于壓電薄膜和片上可編程系統(tǒng)的可穿戴體征監(jiān)測系統(tǒng)，將可穿戴式體征監(jiān)測系統(tǒng)裝配于救援防護(hù)服上，可對監(jiān)測人員的多項生命體征進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行預(yù)警，但可穿戴式設(shè)備單一，若出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致無法使用防護(hù)服，則會使監(jiān)測人員脫離監(jiān)測，甚至陷入危險。

針對這些問題，該文將智能背心和運(yùn)動手環(huán)同時運(yùn)用到應(yīng)急救援培訓(xùn)過程中，通過藍(lán)牙模塊和樹莓派設(shè)備的WIFI模塊實(shí)時上傳培訓(xùn)人員的多項關(guān)鍵生命指標(biāo)和地理位置到監(jiān)控指揮中心，當(dāng)生命體征出現(xiàn)異常時，監(jiān)控指揮中心得到預(yù)警信息并及時部署附近的救援人員進(jìn)行救助。監(jiān)測系統(tǒng)由主系統(tǒng)和冗余監(jiān)測系統(tǒng)組成，如智能背心設(shè)備和運(yùn)動手環(huán)設(shè)備可以同時監(jiān)測培訓(xùn)人員的關(guān)鍵生命體征信息，若一方失效，其余的傳感系統(tǒng)仍可繼續(xù)監(jiān)測，從而保證被測人員處于安全狀態(tài)。在社會應(yīng)急救援訓(xùn)練中，此系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)警功能對監(jiān)測和保障培訓(xùn)人員的生命安全方面起到了重要的作用，系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況并準(zhǔn)確定位和實(shí)施救援，減少受訓(xùn)人員傷亡。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

社會化應(yīng)急救援培訓(xùn)生命體征監(jiān)測系統(tǒng)主要由生命體征采集模塊、藍(lán)牙傳輸模塊、WIFI傳輸模塊和瀏覽器Web顯示端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要功能包括：

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)借助受訓(xùn)人員穿戴的智能背心和運(yùn)動手環(huán)等電子設(shè)備，實(shí)時獲取受訓(xùn)者的生命體征數(shù)據(jù)；

(2)通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)上傳至樹莓派設(shè)備，由樹莓派設(shè)備將生命體征數(shù)據(jù)上傳至連接在同一局域網(wǎng)的終端，最終存儲于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

該系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊、樹莓派芯片、Django開發(fā)環(huán)境和Web瀏覽器搭建了線上線下監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

在工業(yè)火災(zāi)事故場景的應(yīng)急培訓(xùn)演練中，受訓(xùn)人員隨身佩戴采集生命體征數(shù)據(jù)的電子設(shè)備，生命體征采集模塊實(shí)時獲取受訓(xùn)人員的心率、呼吸率、體溫等關(guān)鍵生理指標(biāo)和地理位置并上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)定時獲取受訓(xùn)人員的生命體征數(shù)據(jù)并判斷人員的生命安全情況；若生理指標(biāo)超出正常范圍，監(jiān)控指揮中心收到預(yù)警信息，及時通知和組織附近的救援小組進(jìn)行救助。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

生命體征監(jiān)測硬件是應(yīng)急培訓(xùn)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，主要由受訓(xùn)人員佩戴的運(yùn)動手環(huán)、智能背心設(shè)備和樹莓派設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，運(yùn)動手環(huán)和智能背心主要用來實(shí)時獲取心率、呼吸率、體溫等關(guān)鍵生命體征數(shù)據(jù)和地理位置信息，藍(lán)牙傳輸模塊和樹莓派設(shè)備的WIFI傳輸模塊主要用來建立可穿戴式電子設(shè)備與軟件系統(tǒng)之間的通訊連接，實(shí)時傳輸受訓(xùn)人員的生命體征信息。

圖2 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

2.2 生命體征采集模塊

生命體征采集裝置可包括運(yùn)動手環(huán)、心率臂帶、智能背心、加速度傳感系統(tǒng)等裝置，可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動狀態(tài)下培訓(xùn)人員的心率、呼吸率、體溫、靜止姿態(tài)、活動度等生命體征的采集。在應(yīng)急救援培訓(xùn)場景中，受訓(xùn)人員穿著智能背心和佩戴運(yùn)動手環(huán)等電子設(shè)備，在運(yùn)動手環(huán)和智能背心開啟狀態(tài)下，即可實(shí)時獲取受訓(xùn)人員的生命體征狀況。

2.3 藍(lán)牙傳輸模塊

該系統(tǒng)使用樹莓派設(shè)備，與受訓(xùn)人員所佩戴的智能背心和運(yùn)動手環(huán)相連接，通信通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。由于智能背心與運(yùn)動手環(huán)設(shè)備的藍(lán)牙都屬于BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗藍(lán)牙，本設(shè)計使用藍(lán)牙堆棧中的命令與設(shè)備進(jìn)行配對，配對成功后，即可訪問低功耗外圍設(shè)備的所有特征，對其中notify屬性的綜合數(shù)據(jù)特征進(jìn)行訂閱，此屬性支持實(shí)時通知，每間隔4秒鐘，設(shè)備會自動發(fā)送用戶體征數(shù)據(jù)至樹莓派設(shè)備。

2.4 WIFI傳輸模塊

使用終端連接同一局域網(wǎng)下的所有樹莓派設(shè)備，將樹莓派設(shè)備得到的數(shù)據(jù)傳送到終端并上傳至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，即可獲取當(dāng)前所有受訓(xùn)人員的實(shí)時生命體征信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序軟件設(shè)計

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序設(shè)計流程

主程序開始執(zhí)行后，開啟藍(lán)牙和WIFI模塊，對其進(jìn)行初始化，硬件數(shù)據(jù)傳輸通路可以正常傳輸數(shù)據(jù)；系統(tǒng)判斷是否收到數(shù)據(jù)傳輸指令，若收到傳輸指令則調(diào)用解析程序?qū)κ盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析并存儲到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，否則繼續(xù)等待數(shù)據(jù)傳送指令；監(jiān)控指揮中心接收并分析數(shù)據(jù)，判斷生命體征數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定的閾值范圍，若數(shù)據(jù)異常則調(diào)用預(yù)警程序，否則瀏覽器實(shí)時顯示受訓(xùn)人員的生命體征信息；系統(tǒng)以圖表的形式可視化生命體征數(shù)據(jù)的變化情況。監(jiān)測系統(tǒng)與樹莓派設(shè)備在同一局域網(wǎng)下，系統(tǒng)每隔一段時間自動查詢WIFI模塊獲取數(shù)據(jù)的情況，實(shí)時獲取受訓(xùn)人員的生命體征狀況。

3.2 歷史生命體征查詢程序設(shè)計

歷史生命體征查詢程序設(shè)計如圖4所示。

圖4 歷史生命體征查詢程序設(shè)計

首先選擇特定受訓(xùn)人員進(jìn)行查詢，指定需要查看的起始時間和終止時間，系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫，查詢程序得到這段時間間隔內(nèi)所獲取的生命體征數(shù)據(jù)集合。系統(tǒng)自動判斷此集合中的每個生命體征數(shù)據(jù)是否超過閾值，若超過正常范圍則以文字形式顯示預(yù)警信息，否則由系統(tǒng)計算每段間隔時間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)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(shè)計

3.3.1 生命體征實(shí)時顯示界面

實(shí)時顯示界面是監(jiān)控指揮中心查看受訓(xùn)人員當(dāng)前生命體征狀況的主要界面。生命體征實(shí)時顯示界面主要顯示正在火災(zāi)應(yīng)急演練現(xiàn)場的培訓(xùn)人員關(guān)鍵生命指標(biāo)情況和地理位置。監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時顯示受訓(xùn)人員的生命體征數(shù)據(jù)(心率、呼吸率和體溫)，如圖5所示。

圖5 生命體征實(shí)時顯示界面

系統(tǒng)每4秒獲取一次智能背心和運(yùn)動手環(huán)設(shè)備檢測出的生命體征數(shù)據(jù)，并上傳到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)受訓(xùn)人員的生命體征發(fā)生異常時，系統(tǒng)主界面跳出預(yù)警提示框，顯示生命體征異常的受訓(xùn)人員的相關(guān)信息，提醒監(jiān)控指揮中心及時組織附近的救援小組進(jìn)行救助。

3.3.2 歷史生命體征查詢界面

監(jiān)控指揮中心人員可選取特定時間段進(jìn)行查詢。系統(tǒng)根據(jù)選擇的時間段進(jìn)行查詢，監(jiān)控指揮中心可查看該受訓(xùn)人員在此時間段內(nèi)的生命體征變化情況，系統(tǒng)以折線圖的形式顯示該受訓(xùn)人員在這一時間間隔內(nèi)的體溫變化數(shù)據(jù)，體溫變化結(jié)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(jié)果如圖7所示。

圖6 體溫變化顯示結(jié)果

圖7 呼吸率和心率變化顯示結(jié)果

當(dāng)某一時刻的呼吸率或心率低于正常值時，此點(diǎn)顯示藍(lán)色；當(dāng)呼吸率或心率高于正常值時，顯示紅色；當(dāng)呼吸率或心率在正常范圍內(nèi)，顯示綠色。每個變化圖左上角顯示該時間段內(nèi)此項指標(biāo)是否發(fā)生異常，若發(fā)生異常則監(jiān)控指揮中心會收到預(yù)警信息，及時派遣救援人員進(jìn)行營救。

4 實(shí)景測試及應(yīng)用情況

為了模擬工業(yè)火災(zāi)應(yīng)急處置過程，每次參加工業(yè)火災(zāi)事故場景培訓(xùn)演練的人數(shù)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(xié)同演練。每個培訓(xùn)人員都穿戴了智能背心和運(yùn)動手環(huán)，打開藍(lán)牙開關(guān)和WIFI開關(guān)。智能背心和運(yùn)動手環(huán)如圖8所示。在保證同一局域網(wǎng)的環(huán)境下，可穿戴式電子設(shè)備實(shí)時傳輸生命體征數(shù)據(jù)到監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，開展現(xiàn)場測試。

圖8 智能背心和運(yùn)動手環(huán)

可穿戴式電子設(shè)備、樹莓派設(shè)備、監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)均正常運(yùn)行，監(jiān)控指揮中心可以實(shí)時接收到培訓(xùn)人員的生命體征信息，如圖9所示。當(dāng)受訓(xùn)人員的心率、呼吸率、體溫等生命指標(biāo)超出閾值時，監(jiān)控指揮中心收到實(shí)時的預(yù)警信息。監(jiān)控指揮中心根據(jù)系統(tǒng)顯示的實(shí)時地理位置信息發(fā)送給附近的救援小組，組織救援人員追蹤受傷的培訓(xùn)人員，并由救援人員進(jìn)行相關(guān)的施救措施。

圖9 生命體征測試結(jié)果

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)由生命體征采集模塊、藍(lán)牙傳輸模塊、WIFI傳輸模塊、實(shí)時監(jiān)測模塊和預(yù)警模塊等五部分組成。監(jiān)測系統(tǒng)由主系統(tǒng)和冗余監(jiān)測系統(tǒng)組成，如運(yùn)動手環(huán)和智能背心可以同時監(jiān)測培訓(xùn)人員的生命體征，若一方失效，其余的傳感系統(tǒng)仍可繼續(xù)監(jiān)測，從而保證被測人員處于安全狀態(tài)。應(yīng)急救援培訓(xùn)生命體征監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢分析、定位和地圖顯示功能，可供監(jiān)控指揮中心實(shí)時保障培訓(xùn)人員的生命安全狀況。在應(yīng)急培訓(xùn)過程中，若培訓(xùn)人員生命體征異常，監(jiān)控指揮中心及時接收到系統(tǒng)的預(yù)警信息，根據(jù)培訓(xùn)人員的地理位置統(tǒng)一部署附近安全救生人員，組建協(xié)同救援小組，并通過命令下達(dá)的形式通知小組成員展開協(xié)同救援，有效地保障了培訓(xùn)人員的人身生命安全。