基于单一加速度传感器的士兵状态微型监测器研制

　　现代战争中,战场情况复杂多变,士兵的安全状况、位置信息是指挥官、医务兵需要掌握的重要信息。当前,对士兵的跟踪和监测主要依靠视觉观察和语言交流,这种方式在某些情况下会受到限制,比如士兵被部署在建筑物内或指挥官目视区域外的封闭空间中。同时,战场上的客观条件往往不允许士兵与指挥官通过语言交流来报告他的健康状况、位置信息等[1]。近几年,各国都在大力研制能适应未来战场的武器装备,监测士兵安全状况的便携式设备也成为研究重点之一。

　　前期我们已成功研制出了一套全数字化的野战伤员搜救与信息管理系统[2-3],最近又进一步设计出了微型士兵状态监测器,实现了士兵活动、姿态和心率的实时分析和识别,指挥人员或医务兵根据上述信息准确判断士兵的安全情况,并在必要时根据同时提供的士兵GPS信息,实现快速救护。

　　战场环境应用的特殊性要求监测器体积小、重量轻、功耗低,佩带方便、舒适,以不影响士兵作战作业为前提。由于传统的生理信号监测技术无法适应这种特殊要求,近年来,穿戴式技术已被应用于单兵状态监测器的研究,实现低生理、心理负荷的监测。由美国国防部资助的乔治亚工程技术研究所研究的Smartshirt就是一个具有衬衣外观的基本生理信息采集系统[4],是生命信息检测技术与日常衣物融合的典型样例。我国的俞梦孙院士、邓亲恺教授等也在研究单兵生理状态检测系统中取得一定成果,开发出了能检测呼吸、心电、体温、运动等生理参数的腰带、背心等[4-7],为生命状态的辨识提供方便的载体。但目前这些研究仍沿用传统多传感器思路,将传感器嵌入衣服或需设计一体化的监护服,制作复杂、成本高,而有些参数如体温对伤情评级价值有限。针对战场环境要求与我军实际,我们提出了一种基于单一加速度传感器的更简洁的设计方案———微型士兵状态监测器,作战前将其粘贴在士兵左胸部,检测士兵的活动、姿态和心率,并通过Zigbee无线发送到单兵数字终端,由其融合两类信息对士兵的身体状况、是否受伤作出评价。

　　1　总体设计和工作原理

　　加速度传感器是监测器的核心,经过反复筛选,最后我们确定采用Freescale公司的MMA7260加速度传感器。该型加速度传感器能高精度测量空间方位上x、y、z三轴方向上的加速度信号,并输出一个与加速度信号成正比的电压信号[8]。图1给出了加速度传感器放置在人体左胸时的坐标模型示意图。其中,竖直向上、水平向右、正面向前分别为x、y、z三轴的正向取向。

　　当人体处于步行、跑动等活动姿态时,将会产生x、y、z三轴方向上的速度变化,即加速度信号。很明显,活动强度越大,速度的变化也越大越频繁,加速度信号就越强,反之。通过对活动状态下的三轴信号检测分析,发现x轴方向的加速度信号对活动反应非常明显,可用于基于阈值理论的静止、步行、跑动姿态的判断。此外,当士兵处于静止姿态时,加速度传感器z轴方向上检测到的信号主要由心跳引起。检测此时的加速度信号,经过相应处理和算法实现,可检测心率的变化[9-10]。同时,重力加速度的恒定存在,可为我们检测更详细的士兵活动姿态提供有效帮助。通过分析重力加速度在三轴方向上的分布,我们可以直接判断出士兵处于站立、平躺还是侧卧姿态。结合同一时刻交流和直流信号,士兵状态监测器就能较完整地反映士兵在该时段的状态信息;在发生静止状态(可能的危险状态)时,通过心率的检测来判断士兵的安全情况;在需要快速救援时,利用伤员搜救与信息管理系统的GPS卫星定位系统获取士兵当前的位置信息,有效提高救援效率。