应急救援培训生命体征监测系统设计

张 梦，刘欣然，王中举，黄 超，王 龙

(1.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083； 2.北京科技大学顺德研究生院，广东 佛山 528399)

0 引 言

近些年来，高楼、住房、工厂等建筑物的数量迅速增加，楼房之间的距离逐渐减小，城市内的人群聚集密度逐渐增大，导致火灾事故发生概率大大增加，造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济财产损失等严重后果。为了增强人们在火灾中的安全防护常识，学校、企业、机构等部门经常会模拟一些火灾事故场景并开展应急救援培训活动，以提高人们的应急救援能力[1]。

传统的工业火灾应急救援培训活动在保障受训人员的生命安全方面存在不足。例如，工业火灾场景复杂，受训人员流动大，人工无法实时监测每个受训人员的生命安全情况；当受训人员出现意外情况时，施救人员无法得到准确的位置信息和生命体征信息，致使受训人员不能得到及时和有效的救助。为了解决这些问题，研究人员应用各种算法、硬件和网络技术，将传感器设备与软件平台结合，设计和研究了生命体征监测系统[2-7]。相关研究结果[8-9]表明，生命体征监测系统在医学治疗[10-11]、消防救援[12-14]、生活应用[15]等多个领域都具有广泛的应用和重要的作用。国内研究人员针对应急救援的生命体征监测系统展开了相关研究，邹鸣等[12]基于无线传感网设计了消防员生命体征参数监测系统，将脉搏传感器采集的脉搏信号和心率进行实时监测，但生理参数种类少，无法对监测人员的其他生命体征进行监测，监测效果有限；徐慧军等[4]设计和研究了基于压电薄膜和片上可编程系统的可穿戴体征监测系统，将可穿戴式体征监测系统装配于救援防护服上，可对监测人员的多项生命体征进行实时监测并进行预警，但可穿戴式设备单一，若出现意外情况导致无法使用防护服，则会使监测人员脱离监测，甚至陷入危险。

针对这些问题，该文将智能背心和运动手环同时运用到应急救援培训过程中，通过蓝牙模块和树莓派设备的WIFI模块实时上传培训人员的多项关键生命指标和地理位置到监控指挥中心，当生命体征出现异常时，监控指挥中心得到预警信息并及时部署附近的救援人员进行救助。监测系统由主系统和冗余监测系统组成，如智能背心设备和运动手环设备可以同时监测培训人员的关键生命体征信息，若一方失效，其余的传感系统仍可继续监测，从而保证被测人员处于安全状态。在社会应急救援训练中，此系统的监测和预警功能对监测和保障培训人员的生命安全方面起到了重要的作用，系统能够及时发现异常情况并准确定位和实施救援，减少受训人员伤亡。

1 系统总体方案设计

社会化应急救援培训生命体征监测系统主要由生命体征采集模块、蓝牙传输模块、WIFI传输模块和浏览器Web显示端组成。系统结构如图1所示，主要功能包括：

图1 系统总体架构

(1)借助受训人员穿戴的智能背心和运动手环等电子设备，实时获取受训者的生命体征数据；

(2)通过蓝牙模块将数据上传至树莓派设备，由树莓派设备将生命体征数据上传至连接在同一局域网的终端，最终存储于系统的数据库中。

该系统通过蓝牙模块、树莓派芯片、Django开发环境和Web浏览器搭建了线上线下监测预警系统。

在工业火灾事故场景的应急培训演练中，受训人员随身佩戴采集生命体征数据的电子设备，生命体征采集模块实时获取受训人员的心率、呼吸率、体温等关键生理指标和地理位置并上传至系统，系统定时获取受训人员的生命体征数据并判断人员的生命安全情况；若生理指标超出正常范围，监控指挥中心收到预警信息，及时通知和组织附近的救援小组进行救助。

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体结构

生命体征监测硬件是应急培训监测系统的重要组成部分，主要由受训人员佩戴的运动手环、智能背心设备和树莓派设备组成。系统硬件整体结构如图2所示。其中，运动手环和智能背心主要用来实时获取心率、呼吸率、体温等关键生命体征数据和地理位置信息，蓝牙传输模块和树莓派设备的WIFI传输模块主要用来建立可穿戴式电子设备与软件系统之间的通讯连接，实时传输受训人员的生命体征信息。

图2 系统硬件整体结构

2.2 生命体征采集模块

生命体征采集装置可包括运动手环、心率臂带、智能背心、加速度传感系统等装置，可实现对运动状态下培训人员的心率、呼吸率、体温、静止姿态、活动度等生命体征的采集。在应急救援培训场景中，受训人员穿着智能背心和佩戴运动手环等电子设备，在运动手环和智能背心开启状态下，即可实时获取受训人员的生命体征状况。

2.3 蓝牙传输模块

该系统使用树莓派设备，与受训人员所佩戴的智能背心和运动手环相连接，通信通过蓝牙实现。由于智能背心与运动手环设备的蓝牙都属于BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗蓝牙，本设计使用蓝牙堆栈中的命令与设备进行配对，配对成功后，即可访问低功耗外围设备的所有特征，对其中notify属性的综合数据特征进行订阅，此属性支持实时通知，每间隔4秒钟，设备会自动发送用户体征数据至树莓派设备。

2.4 WIFI传输模块

使用终端连接同一局域网下的所有树莓派设备，将树莓派设备得到的数据传送到终端并上传至系统的数据库中，即可获取当前所有受训人员的实时生命体征信息。

3 系统软件设计

3.1 主程序软件设计

主程序流程如图3所示。

图3 主程序设计流程

主程序开始执行后，开启蓝牙和WIFI模块，对其进行初始化，硬件数据传输通路可以正常传输数据；系统判断是否收到数据传输指令，若收到传输指令则调用解析程序对收到的数据进行分析并存储到系统的数据库中，否则继续等待数据传送指令；监控指挥中心接收并分析数据，判断生命体征数据是否超出设定的阈值范围，若数据异常则调用预警程序，否则浏览器实时显示受训人员的生命体征信息；系统以图表的形式可视化生命体征数据的变化情况。监测系统与树莓派设备在同一局域网下，系统每隔一段时间自动查询WIFI模块获取数据的情况，实时获取受训人员的生命体征状况。

3.2 历史生命体征查询程序设计

历史生命体征查询程序设计如图4所示。

图4 历史生命体征查询程序设计

首先选择特定受训人员进行查询，指定需要查看的起始时间和终止时间，系统调用数据库，查询程序得到这段时间间隔内所获取的生命体征数据集合。系统自动判断此集合中的每个生命体征数据是否超过阈值，若超过正常范围则以文字形式显示预警信息，否则由系统计算每段间隔时间内的所有数据的平均值，并以图表、曲线等方式可视化显示生命体征的变化情况。

3.3 浏览器显示端设计

3.3.1 生命体征实时显示界面

实时显示界面是监控指挥中心查看受训人员当前生命体征状况的主要界面。生命体征实时显示界面主要显示正在火灾应急演练现场的培训人员关键生命指标情况和地理位置。监测系统实时显示受训人员的生命体征数据(心率、呼吸率和体温)，如图5所示。

图5 生命体征实时显示界面

系统每4秒获取一次智能背心和运动手环设备检测出的生命体征数据，并上传到系统的数据库中。当受训人员的生命体征发生异常时，系统主界面跳出预警提示框，显示生命体征异常的受训人员的相关信息，提醒监控指挥中心及时组织附近的救援小组进行救助。

3.3.2 历史生命体征查询界面

监控指挥中心人员可选取特定时间段进行查询。系统根据选择的时间段进行查询，监控指挥中心可查看该受训人员在此时间段内的生命体征变化情况，系统以折线图的形式显示该受训人员在这一时间间隔内的体温变化数据，体温变化结果图如图6所示。呼吸率变化以条形图的形式可视化显示，心率变化以折线图的形式显示，查询结果如图7所示。

图6 体温变化显示结果

图7 呼吸率和心率变化显示结果

当某一时刻的呼吸率或心率低于正常值时，此点显示蓝色；当呼吸率或心率高于正常值时，显示红色；当呼吸率或心率在正常范围内，显示绿色。每个变化图左上角显示该时间段内此项指标是否发生异常，若发生异常则监控指挥中心会收到预警信息，及时派遣救援人员进行营救。

4 实景测试及应用情况

为了模拟工业火灾应急处置过程，每次参加工业火灾事故场景培训演练的人数约为20人，分为2～3个小组，各小组依序参加演练或各小组间协同演练。每个培训人员都穿戴了智能背心和运动手环，打开蓝牙开关和WIFI开关。智能背心和运动手环如图8所示。在保证同一局域网的环境下，可穿戴式电子设备实时传输生命体征数据到监控指挥中心的系统数据库中，开展现场测试。

图8 智能背心和运动手环

可穿戴式电子设备、树莓派设备、监测和预警系统均正常运行，监控指挥中心可以实时接收到培训人员的生命体征信息，如图9所示。当受训人员的心率、呼吸率、体温等生命指标超出阈值时，监控指挥中心收到实时的预警信息。监控指挥中心根据系统显示的实时地理位置信息发送给附近的救援小组，组织救援人员追踪受伤的培训人员，并由救援人员进行相关的施救措施。

图9 生命体征测试结果

5 结束语

该系统由生命体征采集模块、蓝牙传输模块、WIFI传输模块、实时监测模块和预警模块等五部分组成。监测系统由主系统和冗余监测系统组成，如运动手环和智能背心可以同时监测培训人员的生命体征，若一方失效，其余的传感系统仍可继续监测，从而保证被测人员处于安全状态。应急救援培训生命体征监测系统具有实时显示、历史数据查询分析、定位和地图显示功能，可供监控指挥中心实时保障培训人员的生命安全状况。在应急培训过程中，若培训人员生命体征异常，监控指挥中心及时接收到系统的预警信息，根据培训人员的地理位置统一部署附近安全救生人员，组建协同救援小组，并通过命令下达的形式通知小组成员展开协同救援，有效地保障了培训人员的人身生命安全。