梁夢杰 魏劍鵬 李馳原

摘要：近年來我國重大火災(zāi)及自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，消防員在執(zhí)行長時(shí)間滅火救援及應(yīng)急處置任務(wù)時(shí)，由于自身體能嚴(yán)重消耗，無法做出正確的風(fēng)險(xiǎn)判斷及時(shí)避險(xiǎn)和撤離現(xiàn)場，導(dǎo)致個(gè)人安全受到極大威脅。文章基于軟件開發(fā)平臺(tái)QtCreator5.80，設(shè)計(jì)出一套針對消防員生理信號參數(shù)采集與處理系統(tǒng)。通過對體溫、脈搏、血壓等生理信號參數(shù)的檢測和分析，幫助消防員及指揮員更好的監(jiān)測消防員的身體狀況，減少因疲勞作戰(zhàn)而造成的傷亡情況。本系統(tǒng)具有低成本、實(shí)用性強(qiáng)、跨平臺(tái)等特點(diǎn)，能為消防員長時(shí)間作戰(zhàn)訓(xùn)練提供安全保障與支持。

關(guān)鍵詞：消防;生理信號;Qt;監(jiān)測

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，2000年至2017年，全國消防員犧牲共260人，受傷2549人;而2018年至2020年僅3年間，全國就有58名消防員犧牲。所以在全災(zāi)種大應(yīng)急的時(shí)代背景下，對參與滅火救援及應(yīng)急處置任務(wù)的消防員進(jìn)行生理監(jiān)測顯得尤為重要。指揮中心可以根據(jù)每位消防員的生理情況合理布置任務(wù)，降低消防員的傷亡，消防員也可根據(jù)預(yù)警及時(shí)避險(xiǎn)。

呼吸、體溫、脈搏、血壓是醫(yī)學(xué)上稱為的四大生命體征，本文主要針對消防員體溫、血壓及脈搏信號進(jìn)行檢測，研究消防員在作戰(zhàn)時(shí)生命體征情況。本設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在對體溫、血壓及脈搏信號的特征點(diǎn)采集處理及監(jiān)測進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，為指揮中心確保消防救援人員生命安全，做出合理決策及部署提供重要參考。

1? 消防員作戰(zhàn)生理參數(shù)

1.1? 體溫

人體正常體溫為36.2～37.2℃，超過37.2℃就可以確證為發(fā)燒。37.4～38℃為低熱，38.1～39℃為中等發(fā)熱，39.1～41℃為高熱，41℃以上為超高熱。消防員在作戰(zhàn)過程中處于精神高度集中狀態(tài)，全身新陳代謝明顯加快，加之所穿戰(zhàn)斗服保溫效果極好，所以此時(shí)人體的體溫會(huì)明顯上升。若執(zhí)行滅火救援任務(wù)，火場溫度有時(shí)能達(dá)到上千攝氏度，若長期處于這種環(huán)境消防員將會(huì)由于體溫過高而休克[1]。

1.2? 血壓

根據(jù)最新公布的2017版美國血壓指南，人體正常血壓為90～120/60～80mmHg，高血壓標(biāo)準(zhǔn)定義為≥130/80mmHg。消防員會(huì)因現(xiàn)場情況血壓有小幅度的波動(dòng)，但是消防員面對重大災(zāi)害現(xiàn)場時(shí)經(jīng)常會(huì)長時(shí)間的處于高壓狀況下，這時(shí)容易出現(xiàn)機(jī)體疲勞情況，心臟也會(huì)持續(xù)處于輸出率情況。若消防員的收縮壓超過210mmHg或者舒張壓超過100mmHg，達(dá)到極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場進(jìn)行休息。

1.3? 脈搏

正常人的脈搏跳動(dòng)次數(shù)為60～100次/分鐘。消防員在執(zhí)行滅火作戰(zhàn)及搶險(xiǎn)救援任務(wù)時(shí)，將長時(shí)間處于快速新陳代謝情形，在此過程中消防員身體會(huì)進(jìn)行有氧代謝運(yùn)動(dòng)和無氧代謝運(yùn)動(dòng)過程。當(dāng)脈搏速率超過196次·min-1時(shí)已經(jīng)進(jìn)入無氧代謝運(yùn)動(dòng)階段[2]，若長時(shí)間處于這種情況消防員將會(huì)出現(xiàn)眩暈情況，應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場。

1.4? 呼吸

正常成人呼吸頻率為每分鐘12～20次，每分鐘的呼吸次數(shù)、呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異。消防員作戰(zhàn)時(shí)，若呼吸頻率長時(shí)間高于50次·min-1將達(dá)到人體疲勞呼吸頻率下限，此刻應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場。

2? 硬件采集設(shè)計(jì)

由傳感器收集的消防員生理信號首先被發(fā)送到A / D轉(zhuǎn)換模塊以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和放大，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后通過SPI接口送入STM32單片機(jī)進(jìn)行平滑濾波后，交由上位機(jī)處理顯示。原理圖如圖所示。

通過MCU采集信號，并將整理后的數(shù)據(jù)流通過串口上傳到PC終端，并由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。MCU程序包括三個(gè)部分：“設(shè)備初始化，數(shù)據(jù)接收和處理”，流程圖如圖所示。

3? 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1? 滑動(dòng)平均濾波法

滑動(dòng)平均濾波算法可以減少和消除干擾的不利影響。它可以作為噪聲消除的低通濾波器，也可以作為高頻信號產(chǎn)生的基線漂移的高通濾波器。在這種方法中，N個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)作為一個(gè)隊(duì)列和一個(gè)固定長度的N，然后每次新數(shù)據(jù)被收集并放置在隊(duì)列的最后，刪除數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)首數(shù)據(jù)，類似于窗口運(yùn)動(dòng)，算術(shù)平均的N數(shù)據(jù)。其中是要處理的序列，是濾波后的序列[3]。

3.2? 脈搏計(jì)算算法

脈搏可以通過計(jì)算波峰或波谷之間的距離而得到脈搏，具體步驟為采集一段序列，通過查找最大值和最小值從而記錄波形中峰值或谷值的位置，然后記錄最大位置計(jì)算兩個(gè)最值之間的時(shí)間間隔，即可求出脈搏[4]，如公式1所示：

計(jì)算脈搏的需要得到波峰之間的時(shí)間間距，所以經(jīng)研究分析，利用峰值法可以進(jìn)行QRS波群的檢測，其實(shí)質(zhì)上是根據(jù)脈搏信號的典型時(shí)域特征圖分析出R波振幅大，斜率大，波形較陡。通過計(jì)算脈搏信號與時(shí)間的倒數(shù)來確定R波的位置，從而得到斜率的變化。該方法實(shí)現(xiàn)相對簡單，計(jì)算速度快，且設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)性高，軟件實(shí)現(xiàn)相對容易，因此本設(shè)計(jì)選擇峰值法檢測QRS波群[5]。

由于脈搏信號的R波斜率大，幅度值最大，所以可以得到脈搏信號的導(dǎo)數(shù)值來確定導(dǎo)數(shù)前后的變化，然后依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置閾值為導(dǎo)數(shù)最大值的N倍數(shù)，而且由于R波在心電的一階差分信號中都表現(xiàn)為過零點(diǎn)，所以利用R波的導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)的特點(diǎn)與導(dǎo)數(shù)值大于閾值相結(jié)合的算法來檢測R波，可以突出波的上升速率變化快的部位，進(jìn)行精確定位，設(shè)脈搏信號為y（n），n=1，2，3…k，k為信號的長度，其一階差分公式為：

上式中：為脈搏信號序列y（n+1），y（n+2），y（n-2），y（n-1），均為y（n）的移位序列。如圖所示，檢測到的R波如圖3所示

3.3? 血壓計(jì)算算法

血壓的高低是通過收縮壓和舒張壓判斷，波形特征是最基本的血壓測量方法，分析波形，確定波形對收縮壓、舒張壓處的特異性，進(jìn)而確定血壓。通過研究改進(jìn)示波法的計(jì)算方法[6]，結(jié)合幅度系數(shù)法[7]和比值法測定血壓值。綜合采用微分比法和振幅系數(shù)法，提出了系統(tǒng)的微分比法。

4? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其中包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)分析模塊，信號處理模塊，顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用Qt5.8開發(fā)[8]，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4.1? 數(shù)據(jù)傳輸模塊

單片機(jī)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，通過各個(gè)模塊進(jìn)行后續(xù)的處理和運(yùn)算。通用異步收發(fā)傳輸器[9]（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART。UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。傳輸模塊設(shè)計(jì)可分為三層，包括物理層、協(xié)議層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層如圖5所示。

4.2? 數(shù)據(jù)分析模塊

由于單片機(jī)在發(fā)送過程中，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，單片機(jī)會(huì)將ADC轉(zhuǎn)換完成后的16位數(shù)據(jù)拆分成兩個(gè)8為數(shù)據(jù)[10]，并添加了相關(guān)的幀頭幀尾進(jìn)行發(fā)送，而當(dāng)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，需要根據(jù)數(shù)據(jù)當(dāng)中特殊位對這串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)幀頭幀尾信息以及校驗(yàn)位，查看是否正確傳輸，并將8位數(shù)據(jù)重新組合成16位數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)接收流程圖如圖6所示

4.3? 數(shù)據(jù)處理模塊

將從數(shù)據(jù)分析模塊發(fā)送過來的在處理模塊mydataoperation類中的處理函數(shù)dataOperationStart（）函數(shù)開始處理，函數(shù)中分為脈搏、血壓以及體溫算法計(jì)算，同時(shí)由于mydataoperation從mydatanaysis中接受的數(shù)據(jù)所代表的生理參數(shù)不同，所以需要設(shè)置類型為QList *>mydatabuflist保存數(shù)據(jù)，因此脈搏，血壓數(shù)據(jù)以及體溫?cái)?shù)據(jù)分別保存在mydatabuflist[3]、mydatabuflist[5]、 mydatabuflist[0]中，由于定義的指針列表的值為空，所以首先需要對mydatabuflist進(jìn)行初始化，以免后續(xù)數(shù)據(jù)傳入過程中，數(shù)據(jù)存放的位置出錯(cuò)。

5? 測試結(jié)果與分析

首先需要進(jìn)行算法的測試，在開始測試之前首先應(yīng)該檢查各測試模塊接觸是否良好，在確認(rèn)接觸無誤后可以進(jìn)行測試。圖7是數(shù)據(jù)處理后所得結(jié)果，原始的信號能夠很好把各個(gè)特征點(diǎn)顯示出來，由于算法的原因，在處理血壓數(shù)據(jù)時(shí)，不能很好的采集到平均壓，同時(shí)由于仍然受幅度法的限制，致使顯示的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)偏差，這是后期需要解決的問題。

Qt跨平臺(tái)功能減輕了開發(fā)者再次開發(fā)的成本，一次編輯就可在多系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)正是基于Qt強(qiáng)大的跨平臺(tái)，使得該應(yīng)用程序不用二次開發(fā)。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，軟件整體功能已完善，能根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)顯示相應(yīng)的生理參數(shù)和波形。

6? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于消防員生理參數(shù)檢測與處理的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)和下位機(jī)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是生理參數(shù)檢測與處理系統(tǒng)的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了血壓、脈搏、體溫的連續(xù)實(shí)時(shí)記錄。從項(xiàng)目開發(fā)的角度對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析和總體設(shè)計(jì)，并對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行了測試。該系統(tǒng)主要是針對采集后的數(shù)據(jù)處理及顯示進(jìn)行研究，未來可以結(jié)合各種傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并配合定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控消防員位置，以便指揮員進(jìn)行人員調(diào)度，最大程度的保護(hù)消防員人身安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳永珍，劉雪梅，胡小衛(wèi).運(yùn)動(dòng)前后體溫變化研究[J].醫(yī)學(xué)研究雜志，2008（05）：81-82+95.

[2]劉仁光.消防員生命體征參數(shù)研究[A].中國消防協(xié)會(huì).2015中國消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集[C].北京：中國消防協(xié)會(huì)，2015：406-407.

[3]陳天祥.無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2017：26-34.

[4]李洋，陳小惠.便攜式多生理參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，25（10）：187-190.

[5]程石.多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2015：39-50.

[6]李雪情.基于示波法和高斯擬合的腕式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).2011：14-46.

[7]許懷湘，房興業(yè)，許志.采用示波原理間接測量血壓方法的進(jìn)展[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2000（03）：231-234.

[8]戴巍，霍亞，馬尚昌，劉鈞.Qt下基于組件的嵌入式軟件框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，36（S1）：257-261.

[9]俞慶，姜文剛.UART在FPGA上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2012，35（11）：76-79+123.

[10]張亞群，游亞戈，吳必軍，王坤林.基于ADC0809的16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（13）：222-223+226.

Design? of? firefighter's? physiological

parameters? collection? and? processing? system

Liang Mengjie1 ，Wei Jiampeng2，Li Chiyuan3

（1.Graduate School of China People's Police University;2. Shenzhen University;3. School of Rescue and Command Of China People's Police University）

Abstract：In recent years， catastrophe fires and natural disasters have occurred frequently in China， and the scale has continued to expand. When firefighters perform long time firefighting and rescue operations， they are unable to make correct risk judgment to evacuate the scene in time due to their own serious physical exertion， resulting in great threat to personal safety. Based on the software development platform Qt Creator5.80， this paper designs a set of physiological signal parameter acquisition and processing system for firefighters. Through the detection and analysis of physiological signal parameters such as body temperature， pulse， blood pressure， etc.， it helps firefighters and commanders to better monitor the physical condition of firefighters and reduce casualties caused by fatigue. This system has the characteristics of low cost， strong practicability， cross-platform， etc.， and provides safety guarantee and support for firefighters' long-term combat training.

Keywords： fire protection; physiological signal; Qt; monitoring