井下人员生理数据采集与处理系统设计.pdf

第 4 3卷 第 l 2期 2 0 1 7年 l 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o r n a t i o n Vo I ． 4 3 NO ． 1 2 De c ． 2 01 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 2 0 0 8 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 1 2 ． 0 1 7 井下入员生理数据采集与处理系统设计 郭 天文 ， 惠强 ， 潘 元 洪 ， 乔子 昱 ， 吉晓祥 1 ． 南京工业大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京2 1 1 8 0 0 ； 2 ． 西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安7 1 0 0 7 1 摘要 提 出了一种井下人 员生理数据采集与处理 系统设计方案 ， 着重介绍 了数据采集终端硬件设计、 数 据采 集与 处理 方 法 、 Z i g B e e数 据传 输设 计 。 该 系统 可 实时采 集 井下人 员的血 氧饱 和度 、 脉搏 和体 动数 据 ， 经 处理后 得 出井下人 员 生理 状 态 ， 并 在 上 位 机 监 控 界 面 上 显 示 。测 试 结 果表 明 ， 该 系统数 据 采 集 准 确 率 在 9 0 以上 ， 且数据传榆可靠， 未出现丢包现 象。 关键 词 井下人 员 ；生理状 态 ；生理 数 据 ；血氧饱 和 度 ；脉搏 ； 体 动 ； Z i g B e e网络 中 图分类号 TD 6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 1 2 0 6 1 0 1 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 2 0 5 ． 1 7 3 6 ． 0 0 5 ． h t ml De s i g n o f p h ys i o l o g i c a l da t a a c q ui s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m f o r u n de r g r o u n d p e r s o n ne l GUO Ti a n we n ， HUI Qi a n g 。 ， PAN Yu a n h o n g ， QI AO Z i y u ， J I Xi a o x i a n g 1 ． Co l l e g e o f Co mp u t e r S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y，Na n j i n g Te c h Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 1 8 0 0 ，Ch i n a 2． S c ho o l o f Te l e o m mun i c a t i o ns En gi n e e r i n g，Xi d i a n Uni v e r s i t y，Xi a n 7 1 00 7 1，Chi n a Ab s t r a c t A d e s i gn s c he me o f phy s i ol og i c a l d a t a a c q ui s i t i on a n d pr o c e s s i ng s ys t e m f o r u nd e r g r o u nd p e r s onn e l wa s pr o po s e d． H a r d wa r e de s i g n o f da t a a c q ui s i t i o n t e r mi na l ， d a t a a c q ui s i t i o n a n d p r o c e s s i n g me t h od a nd Zi g Be e da t a t r a ns mi s s i o n de s i gn o f t he s y s t e m we r e i n t r od uc e d． The s ys t e m c a n a c q u i r e t he d a t a o f ox yg e n s a t ur a t i o n o f bl oo d，pu l s e a nd b od y m o t i o n of un de r gr o und p e r s o nn e l r e a l t i me l y，a n d g e t ph ys i o l o gi c a l c o nd i t i o n of t he p e r s o nn e l b y p r oc e s s i n g t he a c q ui r e d d a t a， whi c h d i s p l a y s o n m o ni t or i n g i n t e r f a c e o f u p p e r c o mp u t e r ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f d a t a a c q u i s i t i o n o f t h e s y s t e m i s o v e r 9 0 ％ ， a n d d a t a t r a n s mi s s i o n i s r e l i a b l e wi t h o u t d a t a p a c k e t l o s s ． Ke y wo r ds un de r g r ou nd pe r s o nne l ；p hys i o l o gi c a l c on di t i o n；p hy s i ol og i c al da t a；o xy g e n s a t u r a t i o n o f b l o o d；p u l s e；b o d y mo t i o n；Z i g B e e n e t wo r k 0 引言 煤 矿井 下巷 道结 构复 杂 ， 工作环 境 恶劣 ， 易发 生 安 全事 故 。井下 作业 相对 于其 他职 业来 说危 险系 数 较高E 。对井下人员的生理数据进行实时监测 ， 对 保障其职业健康具有重要意义 。文献 E 3 ] 提 出了一 种井下人员生理数据采集方案 ， 并依靠 Z i g B e e网络 实 现 了人 员定 位 ， 在 发 生 矿难 时可 为 制 定 人员 搜 救 计划提供合理依据 。其着重 阐述 了信号传输方案 ， 对数据采集与处理 的描述不够深入 。事实上 ， 从传 感器返 回的数据并不 能直接反映生理数据 ， 必须通 过相应处理才能得到人员生理状态信息 ， 而数据处 理 方法 和流 程决定 了结果 的准 确性 。 本文在文献E 3 - ] 基础上 ， 对井下人员生理数据采 收稿 日期 2 0 1 7 0 8 3 1 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 1 0 - 2 4 } 责任编辑 李明 。 基 金项目 国家级大学生创新创业训练计戈 项 目 2 0 1 5 1 0 2 9 1 0 1 8 Z 。 作者简介 郭天文 1 9 8 2 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要研究方向为无 线通信 、 智能穿戴 、 物联 网等 ， E - ma i l g t w9 3 0 1 6 3 ． c o rn。 引用格式 郭天文 ， 惠强 ， 潘元洪 ， 等． 井下人员生理数据采集与处理系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7， 4 3 1 2 8 6 8 9 ． GUO Ti a n we n，HUI Qi a ng，PAN Yua n ho n g， e t a 1 ．De s i g n o f ph y s i o l o g i c a l d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s ing s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 2 8 6 8 9 ， 2 0 1 7年 第 1 2期 郭 天文 等 井下人 员生理数 据采 集 与处理 系统设 计 8 7 集的范围做 了进一步拓展 ， 详细描述井下人员生理 数据处理方法与流程 ， 在此基础上设计 了一种井下 人员生理数据采集与处理系统 。该系统主要采集井 下人员的血氧饱和度 、 脉搏和体动信号 ， 通过对 3种 数 据进 行相 应处 理 ， 判断井 下 人员 生理 状态 ， 对不 正 常数据进行报警 ， 为井下人员健康管理提供依据。 1系统组 成 井下人员生理数据采集与处理系统 由数据采集 终端 、 数据传输网络 、 井上数据中心组成 ， 如 图 1所 示 。每位井 下人员 携带 1个 数据采 集终 端， 其 以 S TM3 2 L 1 1 5 1 C 8 T6为核心 处理 器 ， 通 过 血氧饱 和 度 探头和加速度传感器采集井下人员 的血氧饱和度、 脉搏及体动 数据。采集数据经 Z i g B e e网络传送至 井下工业以太环网， 最终传至井上数据 中心服务器 ， 由服务器完成数据存储 、 分析 、 显示和异常数据报警 等功 能 。 数据采集终端 数据采集终端 图 1 井下人员生理数据采集与处理 系统组 成 F i g ． 1 Co mp o s i t i o n o f p h y s i o l o g i c a l d a t a a c q u i s i t i o n a n d pr oc e s s i ng s ys t e m { or u nd e r g r o un d pe r s o nne l 2数据 采集 终端 设计 2 ． 1硬 件 组 成 数据采集终端主要 由核心板和外围扩展电路构 成 。核心 板 主要包 括 S T M3 2 L 1 1 5 1 C 8 T6 、 时钟 和 电 源模块等 。外 围扩展电路采用 D S 一 1 0 0 A血氧饱 和 度探头及适用于脉冲血氧仪的完全集成模拟前端器 件 AF E 4 4 0 0 ， 实现井下人员血氧饱和度 和脉搏数据 的采集 ； 采用低功耗、 高精度 AD XL 3 4 5加速度传感 器采集人员 体动加 速度 ， 经计 算 获得人 员能 耗数 据[ 5 ； 采用基于 C C 2 5 3 0的 Z i g B e e无线传输模块 。 数据采集终端硬件组成如图 2所示。 S RAM E E P ROM 串口调试模块 Z i g B 模块 l I 竺 竺 卜 1 2 1 I 图 2 数据采集终端硬件组成 F i g ． 2 Ha r d wa r e c o mp o s i t i o n o f d a t a a c q u i s i t i o n t e r mi n a l s TM3 2 L 1 1 5 1 C 8 T 6接 收 A DX L 3 4 5加速 度传 感器和 DS 一1 0 0 A 血氧饱 和度 探头采集的数 据， 采 用线性 回归法 、 极值法啪和阚值法分别处理血氧 饱和度、 脉搏和体动数据 ， 得到血氧饱和度 、 脉搏和 体动实时值 ， 并将处理数据通过 Z i g B e e 模块发送至 Z i g B e e网络 。监 测 数 据 最 终 在 井 上数 据 中 心 服 务 器 显示 。 2 ． 2数据 采 集与 处理 方法 2 ． 2 ． 1 血 氧饱 和度 目前 对 于 血 氧 饱 和 度 的 无 创 检 测 通 常 基 于 L a mb e r t B e e r 定律 ， 根据氧合血红蛋 白和脱氧血红 蛋白在红光 区和红外光 区的光 吸收系数差异来实 现 ] 。人体 脉搏频率一般为 1 ～2 Hz ， 为提 高采样 精度 ， 系统采样频率设置为 2 5 0 Hz [ 。血氧饱和度 数据处理流程如图 3所示 。 图 3 血 氧 饱 和 度 数 据 处 理 流 程 F i g ． 3 Da t a p r o c e s s i n g o f o x y g e n s a t u r a t i o n o f b l o o d 采用 线性 函数 经验公 式计 算血 氧饱 和度 S C1 C2 L 1 式中 C ， C 。为经验常数 ， 可通过实验定标得 到； L 为特 征值 ， 可通 过线 性 回归法 得到 。 由 D S ～1 0 0 A采集 的红光光强信号和红外光透 射光强信 号是 2个存 在相关性 的序列， 分 别设为 R{ r 1 ， r 2 ， ⋯， r N ， I { i 1 ， i 2 ， ⋯ ， i N ， 其 中 r ， i 分别为第 1 ， 2 ， ⋯， N， N 为采样次数 次采样 得 到的红光光 强信 号和红外光透射 光强信号。对 8 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 2 个序列建立一元线性 回归方程 ． 『一 A BR 式 中 A， B 为 回归 系数 。 采用 最小 二乘 法求 解 A， B A 一 了 一 B N ∑ 一 i 一了 B 一 L 一 ∑ 一 夏 茸 1 2 3 4 式 中了 ， 分 别 为 j ， R 的均 值 。 进一 步 可得 B i L L 5 ∑ 在 实验 室环境 中通 过 多次 测量计 算 得 到 L。将 C ， C ， L代 人式 1 ， 即可得 到 井下人 员 的实 时血 氧 饱 和度 。 2 ． 2 ． 2 脉搏 系统采用极值法嘲测量人体脉搏信号 。脉搏波 中的极大值点一般为主波 、 潮波、 重搏波等特征信息 点Ⅲ] 。采用极 值法在红外 光透射光 强信号序列 J 中找到相邻 2个极大值点 ， 分别标 记为 P ， P。 。考 虑 到人 体脉 搏正 常 范 围及 井下 人员 劳 动强度 大 的特 点 ， 设定 脉 搏 正 常范 围 为 6 O ～ 1 5 0次 ／ rai n 。系统 采 样 频 率为 2 5 0 Hz ， 则 设定 P 。 一P ≥ 1 0 0时 为有效 脉 搏跳动位置， 则脉搏计算公式为 P 一 6 0 6 2 ． 2 ． 3 体 动 G A Me i j e r 等⋯ 证实 了人体各种类 型的运动 量消耗与人体加速度之 间存在很好 的线性关系 ， 因 此可采用加速度传感器监测井下人员 能耗 ， 从 而判 断井 下人 员 工 作 强 度 。加 速 度 a与 能 耗 E 的线 性 关 系为 1 E 一 1 ． 2 9 4 a 7 7 ． 9 8 8 7 系统根据 AD XL 3 4 5返回的三轴加速度得出合 加速度 n ， 带人式 7 求得该次动作所 消耗能量 ， 若 结果大于设定的有效 动作 消耗能量 阈值 ， 则判定该 次动作有效 。计算每分钟内有效动作次数， 则可求 出井下 人员 能耗 。通 过统计 固定 时间 内井下 人员 能 耗 可判 定其 工作 强度 。 3 Z i g B e e 数 据传 输设 计 Z i g B e e具有短距离 、 低成 本、 低功耗 和 自组 网 特点口 。本文采用 C C 2 5 3 o片上解决方案 ， 配合 z S t a c k协 议 栈 即 操 作 系 统 抽 象 层 协 议 Op e r a t i n g S y s t e m Ab s t r a c t i o n L a y e r ， OS AL实 现 Z i g B e e 组 网 。 Z i g B e e数据传输流程 设备 串口接 收到数据采 集终端 数据后 ， 内部 以 Z i g B e e协议规定 的格 式打 包 ， 然后将数据转换为无线数据发送出去 ； 最近的路 由节点接收到数据后 ， 查路由表进行数据转发； 汇聚 节点接收到数据后 ， 从数据包 中获得源节点 的地址 信息和测量数据。数据报文格式如图 4所示 。一个 报文中包 含数据类 型 Da t a T y p e 、 信息 Me s s a g e 、 结 束标 志 E n d Ma r k 。D a t a Ty p e包 括 正常 数 据类 型 0 x F 0和 异常 数据 类型 0 x F F。Me s s a g e中包 含传 输 地址 A d d r 和传输数据 Da t a ， 其 中 Ad d r 包含源节点 地 址 S r c Ad d r和 目 的 节 点 地 址 Ds t Ad d r ， 各 分 配 6个 字节 ， D a t a 包含 脉搏 数 据 P、 血 氧 饱 和度 数 据 S 和体动能耗数据 E， 各分配 1个字节 。E n d Ma r k统 一 用 O x O 0表示 。 Da t a Ty p e M e s s a g e En d M a r k 0 x FO ， Ad d r Da t a 0 x00 o x F F S r c A d d r D s t A d d r E n d Ma r k p S E IE n d M a r k 图 4报 文 格 式 Fi g ．4 M e s s a ge f or m 4系统测 试 为验证提出的血氧饱和度 、 脉搏和体动数据计 算方法的正确性， 以及数据传输的可靠性 ， 在实验室 环境 下对 系统 进行 测试 。 首先 针对 脉搏 与血 氧饱 和度数 据 进行 准确 性测 试 。被测 人员 同 时佩戴 系统 数据 采集 终端 和专业 的 血 氧仪 ， 进 行 1 0 0组 测 试 。结果 表 明 ， 脉 搏 、 血 氧饱 和度 与专 业 血 氧 仪所 测 结 果 一 致 的分 别 为 9 o ， 9 4组 ， 误差 为 土2 ％ 的分 别 为 8 ， 5组 ， 误 差 为 5 的分别 为 2 ， 1组 ， 准确 率均在 9 O 以上 。 为测试体动数据测量 的可靠性 ， 被测人员佩戴 数据采集终端， 分别进行 1 0 mi n剧烈 、 中度和轻微 运动。将采集的体动信号转换为能耗 ， 所得结果表 明剧烈 运动 时能 耗 明显 大 于 中度 运 动 时 能耗 ， 中度 运 动 时能 耗 明显 大 于 轻 微 运 动 时 能 耗 ， 符 合 实 际 情 况 。 为验证数据传输的可靠性 ， 在实验室环境下， 采 用 4个 Z i g B e e节 点 构 建树 形 拓 扑 网 络 。该 网 络 包 括 1 个 终端 节 点 、 2个 路 由节 点 、 1个 汇 聚 节 点 。按 照设计 的报 文 格式 对 数 据 进行 打 包 和 解 析 ， 最 终 比 2 0 1 7年 第 1 2期 郭天 文等 井 下人 员生理数 据 采 集与 处理 系统设计 8 9 较接 收数 据 与原始 数据 ， 结果 表 明接 收数据 完整 ， 传 输过 程 中没有 出现 丢包 现象 。 采用 C语 言 在 Wi n 7环境 下 开发 上 位 机监 控 界面 ， 以显示保存在服务器上 的井下人 员基本信息 及各 项监 测数 据 ， 如 图 5所示 。 图 5 上 位 机 监 控 界 面 Fi g ． 5 M o n i t o r i n g i n t e r f a c e o f u p p e r c o mp u t e r 5 结 语 从 数 据采 集 和 处 理 、 数据 传 输 方 面构 建 了完整 的井下 人员 生理 数据 采集 与处理 系统 。该 系统 通过 对井下人员血氧饱和度 、 脉搏 和体动信号进行实时 采集 ， 实 现对 井 下人 员生 理 状 态 的 实 时监 测 。该 系 统 不仅 可实 时查 看井 下 人 员 生 理 状态 ， 还 可 查看 一 周 、 一个 月甚 至更 长时 间 的生理状 态 数据 ， 为井 下人 员健康管理提供了数据支持 。 参 考 文 献 R e f e r e n c e s [1] [2] [3 ] 庞海 娟． Z i g B e e技 术在矿 井人 员管 理 系统 中的应 用 [ D ] ． 曲阜 曲阜师 范大学 ， 2 0 1 0 ． 胡兴志 ， 李学哲 ， 杨兴 波 ， 等． 被 动式煤 矿井 下环境 安 全监 测 系 统 设 计 [ J ] ． 工 矿 自 动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 77 8 O． H U Xi n gz hi ， LI Xu e z he ， YANG Xi ngb o， e t a 1 ． De s i g n o f p a s s i v e e n v i r o n me n t a l s a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m o f u n d e r g r o u n d c o a l mi n e [ J ] ． I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 4， 4 0 6 7 7 8 O ． 黄剑波． 基 于 Z i g B e e的井 下人 员生 理指标 监 测 系统 设计[ D ] ． 淮 南 安徽理工大学 ， 2 0 1 4 ． [ 4] [ 5] [ 6] [7 ] [ 8] [9 ] [ 1 0 3 [ 1 1 ] [ 1 2 3 [- 1 3] 刘学先． 煤矿井下人员定位及环境监测系统的设计与 实现[ D ] ． 沈 阳 东北 大学， 2 0 1 4 ． 杨凤霞． 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 [ D ] ． 兰州 兰州理工 大学 ， 2 0 0 6 ． 李兴 法 ， 尹 冠飞． 数字 式加 速 度传感 器 AD X L 3 4 5的 原理及应用E J ] ． 黑龙江科技信息 ， 2 0 1 0 3 6 2 ． 张根选 ， 石 波， 刘胜 洋 ， 等． 一种 高效 实时脉搏 血氧监 测系 统 的 研 究 [ J ] ．激 光 与 红 外 ， 2 O 1 4 ， 4 4 2 l 87 1 9 1． ZHANG Ge nx ua n，SH I Bo，LI U Sh e n gya ng，e t a 1 ． Ef f i c i e nt r e al t i me pu l s e ox i me t r y mon i t or i n g s ys t e m 口] ． L a s e r 8 L I n f r a r e d ， 2 0 1 4 ， 4 4 2 1 8 7 1 9 I ． 唐铭一 ， 李凯 ， 马小铁． 脉搏波信号时域特征提取 与算 法的研究[ J ] ． 计算机与现代化 ， 2 0 1 0 4 1 5 1 7 ． TANG M i n gy i ， LI Ka i ， M A Xi a ot i e ．Re s e a r c h 0n pu l s e wa v e s i gna l a n d t i me - d o mai n f e a t ur e e xt r a c t i on a l g o r i t h m[ J ] ．C o mp u t e r a n d Mo d e r n a z a t i o n ，2 0 1 0 4 1 5 - 1 7． 蒋伟平 ， 蒋平 ， 朱 劲， 等． 基 于卡尔曼 滤波 的动态脉搏 波处理和 脉率 提取 [ J ] ． 计 算 机 与现 代化 ， 2 0 1 1 2 8 4 8 8． J I ANG We i p i n g，J I ANG Pi n g ， ZHU J i n， e t a 1 ． Dy na mi c pul s e wa v e pr oc e s s i ng a nd pu l s e r a t e e x t r a c t i o n b a s e d o n K a l m a n f i h e r [- J ] ．C o mp u t e r a n d M o de r na z a t i 0 n，Z Ol 1 2 8 4 8 8． 范志样． 基于腕 动信 息 的睡眠监 测仪 的研 究[ D ] ． 重 庆 重庆大学 ， 2 0 0 8 ． MEI J ER G A，WES TERTE RP K R， KOP ER H， e t a 1 ． As s e s s m e nt of e ne r gy e xp e ndi t u r e b y r e c o r di ng h e a r t r a t e a n d b o d y a c c e l e r a t i o n[ J ] ．Me d i c i n e a n d Sc i e n c e i n Sp or t s a nd r c i s e， 1 9 89， 21 3 3 43 3 47． 王国富 ， 郑善友 ． 无线 自组 网语音 通信终 端设计 [ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 3 ， 3 9 9 2 1 2 3 ． W ANG Gu of u，ZH ENG Sha n yo u．De s i g n of wi r e l e s s A d h o c n e t w o r k i n g v o i c e c o mmu n i c a t i o n t e r mi n a l [ J ] ． Ap p l i c a t i o n o f El e c t r o n i c Te c h n i q u e ， 2 0 1 3， 3 9 9 21 2 3． 黄平 云． 基 于 Z i g b e e的 矿井人 员体 征监 测 系统 研究 [ D ] ． 西安 长安大学 ， 2 0 1 1 ．