多生理参数测量（共7篇）
多生理参数测量 篇1
多参数监护仪是临床护理中重要的生理参数监护设备,生理参数监护技术就是把被监测者的各种生理参数及时、准确地测量出来进行处理、分析,帮助医护人员对患者病情进行监测和防护。在现有医疗监护系统中,患者身上佩戴的传感器采集的数据多通过串口电缆(RS232/485)传送到PC上或通过串口联网服务器传到局域网上。由于所检测的信号多是人体信号,而人体处于自然状态时的信号才能够真实地反映其生理状况,因此,将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚,从而导致所检测到的数据不准确。而且在病房中,各种连线不仅使病人感到不适,而且还使病房显得杂乱无章,影响医护人员的工作效率。另外,对康复期病人和需要监护的老年患者,具有一定的活动能力,而传统监护仪的体积比较大,耗电量高,限制了被监护者的运动。因此,医疗单位希望以一种低成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。无线局域网具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点,是实现无线医疗监护系统的理想选择[1]。
目前,无线技术已经开始在医疗监护领域逐步应用,但大多是具有基站的单星形拓扑结构的应用,而不是真正意义上的无线传感器网络[2]。Zig Bee协议(IEEE802.15.4)是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准,主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。对于生理参数的监护,Zig Bee技术的应用有以下几方面的优势:(1)低成本:监护传感器节点是低成本的。(2)低功耗:内置电池正常使用时间不低于1个月,减少因频繁更换电池带来的麻烦。(3)性能可靠:这些产品无须大量维护、经久耐用。(4)伸缩性能好:可连接网络几百至几千个设备[3]。Zig Bee是目前最适合用于生理数据采集的短距离无线通信技术。本研究的目的正是利用Zig Bee技术实现患者多生理参数的无线传输和监测分析。
1 系统结构概况
用于对病区进行监控的无线传感网络系统包括数据采集节点、接收节点以及PC监视系统3个部分。采集节点佩戴在病人身上,每个节点均具备采集生理参数的功能,并能通过Zig Bee协议射频方式发送到接收节点,节点内置的嵌入式软件能够实现通信链路的保存和管理,从而实现节点的组织功能[4]。每个节点都具备传感器信号的采集、处理、节点间的通信和信息的路由等功能。接收节点获取病人的数据后传输到PC系统中,PC监视系统通过设计的Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,Lab VIEW)程序可以实时地看到病人的生理参数。根据无线传感器网络的功能需求以及系统的组成,本着成本低、功能高、稳定可靠性高、技术实现简捷的原则,本文设计的基于Zig Bee的嵌入式无线传感网络的系统结构,见图1。
2 节点的硬件设计
无线传感网络系统的组织元素是节点,在应用系统中,要求传感器节点具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等特点。本研究利用GAINZ开发平台设计采集节点和接收节点[5]。节点的系统构架包括前端传感采集模块、数字处理模块、无线射频模块和电源模块,节点硬件整体框图,见图2。其中,数字处理模块和无线射频收发模块是围绕核心部件ATmega 128芯片和CC2420芯片进行整体硬件构架设计的。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器[6]。CC2420芯片是CHIPCON公司专门为低功耗无线通信设计的无线通信模块,CC2420 RF收发器集成了支持不同调制格式的调制解调器,并且为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激活提供广泛的硬件支持,使其更加适用于无线环境恶劣的地方[7]。
采集节点设计有多种传感器,通过这些传感器可以检测到生理数据,ATmegal 128L单片机经过A/D转换器获取数字化的数据并通过SPI接口传输到CC2420芯片。本研究中设计的传感器模块的功能包括心电、温湿度、加速度等数据的采集,同时在硬件扩展板上留有接口以便其他感兴趣信号的采集。
心电信号的采集采用双极性标准肢体导联I方式,导联线使用三导联线,除了两路分别接左右手的电极外,另一路作为右腿驱动电路。其主要电路结构包括前置放大器、低通滤波、高通滤波、主放、50Hz陷波、电平提升和A/D转换等部分[8]。由于ATmegal 128L中的A/D只能量化单极性信号,因此,在心电信号采集前必须进行整体电平提升,使心电波形全部处于零电平(地线电平)之上,再送MCU的A/D采样端口。温/湿度传感器模块芯片选用了瑞士盛世瑞恩生产的SHT系列温/湿度数字传感器芯片,该传感器是一款高度集成的温/湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出。在加速度测量电路中,采用美国Freescale公司的MMA7260QT 3轴加速度传感器设计加速度模块,3轴信号分别送MCU A/D采样端口。加速度也是一个很重要的参数,可用来监测病人的运动状态。多生理参数采集和分析系统节点实物,见图3。
3 节点的软件设计
本系统的软件采用AVR Stuidio开发编译环境,无线数据传输的核心是CC2420 RF芯片,其通讯标准为Zig Bee协议(IEEE 802.15.4)[9]。IEEE 802.15.4标准网络内的无线传输过程中采用冲突监测载波监听机制,网络拓扑结构主要是星型网。本研究采用了标准定义的2.4G的数据传输频率,这是一种采取O-QPSK的调制方式[10]。在无线传感器网络设计中、采取了主机轮巡查问机制和突发事件报告机制。主机每隔一定时间向每个传感器发送取数命令,传感器收到取数命令后向主机回发数据。在发生紧急事件时,传感器节点容许主动向中心节点发送报告。
系统软件设计分为3层,硬件驱动层、操作系统内核层(包括协议层)及应用层。硬件驱动层提供了所有硬件设备的驱动,主要包括CC2420驱动、ADC模块驱动、串口驱动以及板级初始化;OS内核层提供了简单高效的任务管理、内存管理、设备管理、功耗管理以及无线通信协议栈;应用层主要是利用操作系统层提供的API编制相应的应用程序,传感采集、射频通信、串口通信等。系统设计中内核层与硬件驱动层接口采用直接函数调用的接口方式,因为硬件部分对时间有严格要求,采用消息方式效率太低。应用层与内核层之间接口从软件整体模块的结构性和移植方面考虑,采用消息方式。
发送节点的软件设计流程为:发送节点上电后首先对CC2420进行初始化,然后尝试加入网络,如果加入网络成功,当接收到网络协调器发出开始采样的指令时,开始采集数据,利用ATmegal128L片上的A/D转换器进行A/D采样,然后将数据包发送到网络协调器。发送节点RFD模块的程序流程,见图4。
接收节点的软件设计流程为:接收节点上电后首先对CC2420进行初始化,然后建立一个无线网络,当有RFD节点加入时,分别给每一个RFD节点分配地址。当需要开始采集信号数据时,由网络协调器向RFD模块发送指令,其后等待接收采样数据,如接收到数据,则通过RS232口将数据上传给PC机。网络协调器模块的流程,见图5。
4 PC上的显示、存储和分析
在接收节点数据通过RS-232接口传输到PC中。本研究利用Labview程序设计了一个虚拟仪器,通过Labview虚拟仪器可以实现所获取数据的图形显示,实时地呈现病人的生理数据。另外,如果需要对生理数据进行存储以进一步分析,也可以通过该Labview程序实现,Express VI可以以.txt或者.xls的格式存储生理数据。利用Labview的MATLAB Script node,还可以实现心电信号的小波分析和HRV分析,以及温度、湿度、加速度等信号的分析[11]。对生理数据的呈现、存储和分析对后期的研究具有重要的意义。
5 结果与讨论
系统设计完成后进行了联合调试,利用串口调试助手和后端显示平台Labview查看到接收的数据包格式相符,采样率匹配,达到了设计的预期要求。通过被试者对系统的运行进行测试,可以采集到被试者的心电和加速度数据,以及实时的环境温度,系统测试终端界面,见图6。从图中可以看到,界面最上方为被试者的心电波形图;界面右下方为加速度显示界面,用来反映被试者的运动状态;左下方是功能选择区,包括串口参数选择控件、传感器节点选择控件以及接收数据字节显示。通过这些功能控件,本系统可以实现多节点收发以及实时监测的功能。
目前,该系统虽然能初步应用于临床监护数据采集,但还需进一步的改进和提高。系统仅仅采集了比较常用的体温、加速度和心电参数等。而事实上,仅仅这几个参数是不够的,临床还需要更多的生理参数来确定病人的生理状态,如血氧饱和度、血压等。另外,目前系统采用的ATmega128储存和处理能力在应对大规模组网还是略显不足,在以后的应用中可考虑使用ARM处理器作为接收节点,并存储数据。最后,为了便于对医疗效果的评估,需要建立相应的数学模型和一个健全的数据库管理系统,以便于以后的管理、分析和数据挖掘。在后期的研究中,我们将地这些方面工作作为重点,以推动该系统在临床的广泛应用。
摘要：本文介绍一种基于ZigBee协议的无线传感网络系统,系统采用MCU+RF的方案设计,以ATmegal 128L作为传感器节点的MCU,CC2420作为RF射频模块。采集节点具有6个通道可获取病人的生理参数和环境数据,然后将这些数据传输到接收节点,再通过RS232接口连接到PC。终端设计的Labview程序可以对采集的多种生理参数进行显示、存储和分析。
关键词：传感器网络,生理参数监测,Zigbee协议
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多生理参数测量 篇2
由于平均寿命的增长和人口出生率的下降,使世界人口老龄化问题凸显。老年人慢性病和退化性疾病需要长期追踪与治疗,但多数病人不可能长期留在医院治疗,而是采取了定期回院复诊的治疗方式,缺乏长期有效的病情监控与护理,既浪费了病人往返医院的时间和金钱,也增加了病人的精神压力。特别是有些慢性病需要监测发病时的生理参数,此外多数病人具有自由活动的能力,但现有的监护方式使得病人被束缚于医院和病床上[1]。远程监护是指利用信息技术实现对病人生理参数的远距离监护[2]。多生理参数远程监护系统可使患者在社区或家里得到医院同样的服务,对提高我国基层医疗单位的医疗保健水平有重要意义。生理参数的远程监护目前已成为生物医学工程领域的研究热点[3,4,5,6]。
随着现代通信技术的高速发展及其在医疗领域的广泛应用,给远程监护的研究带来了新的发展[7]。除心电以外,临床上其他重要的生理参数:血压、体温、血氧饱和度、呼吸波等也成为远程监护的内容,使远程监护系统逐渐趋于完善。
1 多生理参数远程监护系统发展现状
随着网络通信技术高速发展,这种先进技术被越来越多的应用于远程监护领域。目前的研究主要集中在基于Internet和无线通信网的远程监护系统的开发。
1.1 基于Internet的远程监护
目前有些远程监护系统通过电话线连接到监护中心服务器上[8,9,10],由于电话网的普及,这种方法被广泛的应用。
重庆大学刘细亮等人利用VC++搭建一个软件平台[8],能够在平台内实现心电信号的实时图像传输,医疗监护人员能够在系统监护终端实时看到客户端检测到的心电图并进行分析,以便及时给对方提出建议,达到远程医疗监护的目的。通过VC++编程,建立了一个客户/服务器模型,把家庭和医疗中心相连接,在远程诊断的基础上,程序的家庭端可与监护仪器相连,并从串口实时读入采集的数据,医疗中心端对接收到的数据可以实时地进行初步预处理,并存入数据库。另外,将医疗中心端软件和中心数据库链接,方便查找患者的历史信息,以能做出更准确的诊断。监护软件分为家庭端和医疗中心端,家庭端通过电话线连接到Internet上,可以选择不同的医疗中心,而医疗中心则通过自己的局域网与Internet相连接,也可以连接多个家庭。
家庭端通过电话线连接到Internet上,监护数据的传输速度较慢。近年来,随着计算机网络的日益普及,各种新的、更高带宽的接入方式不断进入日常生活,所需费用也逐渐低廉,为远程医疗、远程监护等提供了良好的基础支持[11]。
1.2 基于无线通信网的远程监护
基于Internet的远程监护系统由于其设备的局限,只能应用于固定环境,使得受监护人群的活动范围仍然受到限制。此外,系统必须是可以接入Internet的工作站或PC机,从而造成较高的功耗和成本[7]。像心电这样重要的生理参数,需要随时监护,仅仅依靠该系统进行监护仍然不能体现出系统的优势。因此,基于无线通信网的心电远程监护系统日益成为研究的重点。
基于无线通信网的远程监护系统主要由监护终端、无线远程传输网络和医院或社区监护中心组成[12]。近年来,随着生物医学传感器的小型化[13],用于采集和传输生理数据的监护终端趋于小型化,产生了便携式生理信号采集器。与无线远程传输网络结合起来,使患者可以在一定范围内自由移动,而不必受监护装置的限制[13,14]。当前较为常见的无线通信技术有CDMA[10]、GPRS[12,14]以及蓝牙技术[15,16]等。
1.2.1 基于GPRS的无线远程监护。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,它是在GSM系统基础上发展出来的一种新的承载业务。与原有的GSM系统相比较,GPRS在数据传输上进行了彻底的革新。GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换数据承载和传输方式,因此,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
基于GPRS移动通信网的心电监护是一种新型长时间心电监护系统,由于GPRS网络可以支持点对点连接,因此两个GPRS监护终端可以经由移动网连接进行通信,使患者与医生或家属之间可以直接进行沟通。患者还可以通过GPRS网接入Internet网来与监护中心进行通信[17]。
高凤梅等人提出了一种基于GPRS的嵌入式多生理参数远程监护系统设计方案[12]。该监护系统分为三部分:监护终端,无线远程传输网络和医院或社区的监护中心。监护终端完成心电、心音、血压、体温、呼吸等多生理参数数据的采集、分析和显示,有异常时报警并向监控中心发送数据。无线远程传输网络采用已存在的GPRS和Internet网络。医院或社区监护中心采用装有监护软件并接入Internet的PC机接收数据和分析显示,并给出诊断意见、治疗方案或采取救助措施。系统整体框图如图1。监护终端采用嵌入式系统来实现,选用基于ARM 9内核的S3C2410作主处理器,它低功耗,高性能,小尺寸,外围接口丰富,内含MMU Memory Manage Unit,适合高端的嵌入式系统的应用。S3C2410上运行ARM-Linux嵌入式操作系统。GPRS通信模块选SIM300,是目前性价比较高的GPRS模块,与S3C2410通过串口相连。
1.2.2 基于蓝牙技术的无线远程监护。
蓝牙技术是目前应用比较广泛的一种近距离无线传输技术,随着其市场化进程的推进,标准化程度越来越高[18]。蓝牙技术是一种开放性的短距离无线数据和语音通信的全球规范,可用于取代各种医疗仪器之间繁杂的电缆连接。蓝牙工作于2.4GHz国际通用ISM(industry scientific and medical)频段,为避免其他无线通信系统以及蓝牙设备之间的相互干扰,采用了跳频技术frequency hopping进行数据传输。蓝牙的跳频速度为1600hops/s,即每隔625μs改变一次通信频道。相比其它工作在相同频段的系统,蓝牙跳频更快。蓝牙技术可以主动检测到通讯范围内的其他蓝牙设备并由用户决定是否连接,支持点对点或点对多点的连接,设备自身具有组建临时网络的能力,不需要任何服务器[19]。目前,基于蓝牙通信的远程监护系统研究逐渐成为热点。蓝牙技术具有跳频快、数据包短、功率低、稳定、抗干扰能力强、辐射小等特点,适用于从医疗设备直接自动收集患者信息并通过网络传输到数据库,远程实时监护患者情况[20],为远程监护提供了另一技术条件。
陈轶炜等人设计了一种基于蓝牙通讯的便携式心电监护系统[15],系统由心电采集盒与家庭端的掌上电脑组成(如图2所示)。心电采集盒以MSP430单片机为核心来控制心电数据的采集与放大,通过BCM-03蓝牙模块将心电数据发送到掌上电脑。掌上电脑作为家庭端的设备,在对心电波形进行显示、分析和存储的同时,还可通过modem拨号上网或者通过WIFI连接到无线局域网与远程医疗中心站通讯,实现心电图远程监护的功能。
Fahim Sufi等人设计了一种基于移动通信网的远程监护系统[19],此系统还处于实验阶段。这种远程监护系统主要包括病人中心端(PCP)和医生中心端(DCP)以及移动通信网络(MGWS)。病人端采用PDA和移动电话。病人端数据采集处理程序采用C#语言编写,在.NET平台上进行开发。还可通过上网或者Wi Fi等连接到无线局域网与远程监护中心站通讯,实现生理参数的远程监护。
1.2.3 基于CDMA的无线远程监护。
CDMA是在扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA比其他通信系统有非常重要的优势:(1)覆盖范围广CDMA系统理论上覆盖半径是GSM系统的2倍;(2)系统容量大在相同的频谱利用率条件下,CDMA系统的容量是GSM系统容量的4~5倍;(3)绿色环保为了克服“远近效应”,CDMA系统采用了功率控制(Power Control)技术,移动台的发射功率尽可能小;(4)频率利用率高由于CDMA系统采用不同的伪随机码对用户信号进行调制,从频域的角度看,所有信号的频谱是重叠在一起的,其频谱的利用率非常高;(5)隐蔽性和保密性好扩频调制后信号频谱近似为白噪声,具有良好的保密性能;同时,扩频增益越大,扩频信号占用的带宽越宽,相应的功率谱密度越低,因此具有良好的隐蔽性;(6)建网成本低CDMA网络覆盖范围大,系统容量高,所需基站少,降低了建网成本[21]。由于其独到之处,即使在蓝牙、GPRS等无线通讯技术风靡的今天,CDMA仍然在全球占有一席之地,并且被确立为3G家族标准的基本技术。
目前,CDMA已应用于远程监护系统的研究。基于CDMA网络的远程心电监护系统充分利用了CDMA网络覆盖的广泛性和Internet网在医院的普及性,能够使病人在CDMA网络覆盖范围内,实时地从前端移动监护仪获取远程心电数据,并通过CDMA网络将数据上传到医院的中央监护系统[22]。
周玉彬等人设计了基于CDMA的无线远程监护系统[23]。本系统由若干便携机和中央工作站接收系统组成。每个便携机利用CDMA 1X无线通讯网络,将采集到的人体生理监测信号通过广域的Internet网络传送到的特定的中央工作站,中央工作站接收并记录、分析、保存每一个便携机的数据。无线监护便携机采用Philips 2138 ARM7系列CPU、用于存储显示来自采集模块的波形和参数,数据发射模块采用DT-GS800 CDMA。中央工作站接收系统软件主要包括数据采集存储、数据显示和数据管理以及分析等功能,系统结构功能图如图3所示。
2 小结与展望
多生理参数测量 篇3
认知负荷目前尚不能直接对其测量, 只能用间接的方法对其进行评估。常用的评估方法有任务绩效测量、主观评定以及生理测量三大类。其中任务绩效测量又分为主任务测量和次任务测量。主任务测量是通过测定管制员完成指定作业的绩效来评估该作业的认知负荷。次任务测量采用双任务作业情景, 要求管制员除执行主作业之外再完成一项额外的作业 (次作业) , 通过考察双任务作业情景下次作业绩效受影响的程度 (相对于单任务情景) 来间接评估主作业的认知负荷。主观评定是通过使用主观的等级制度让管制员根据紧张度、压力、操作难度等心理负荷进行主观判断, 它是测量管制员认知负荷的最直接也是最常用的一种方法。目前主观评估方法有SWAT (subjective workload assessment technique) 方法、NASA-TLX (national aeronautics and space administration traffic load index) 方法、改进的NASA-TLX方法、ATWIT (air traffic workload input technique) 和WAK (workload assessment keypad) 方法及MCH (modified Copper-Harper) 方法等。这些评估方法都要求设计适用于特定情形的问卷, 通过管制员填写问卷完成评估工作。生理测量是通过测定管制员在进行指定作业过程中出现的生理反应来间接地评估认知负荷, 常用的生理指标有瞳孔直径、注视持续时间、眼跳距离、注视频率、心率、心率变异性和皮肤电反应等。Hasan Ayaz, Ben Willems与2010年提出了用光电图的方法对管制员的认知负荷进行评估[3]。美国林肯实验室的Kiran Lokhande和Hayley J.Davison Reynolds与2012年提出了视觉注意力分配技术在管制员认知负荷评估中的应用[4]。一般认为, 不同测评方法分别适用于不同的情景、不同的负荷水平范围。因此, 利用多种参数对认知负荷作综合评估以替代基于单一技术或指标的评估是比较合理的;同时, 认知负荷的多维度特性也决定了对其作综合评估的必要性[5]。
1 管制员认知负荷定义
管制员的工作负荷可以分为2类:客观 (可观察的) 负荷和主观 (认知理解的) 负荷。客观负荷是指管制员进行常规管制工作、解决冲突过程中所进行的能够被观察记录和记时的工作负荷。管制员主观负荷, 即认知负荷, 是指管制员在短时间内接收、保持、加工飞机信息的“心理能量”的水平[6]。主要体现在:管制员通过视觉和听觉, 接收各种信息 (如来自雷达显示终端、飞行进程单和陆空话音通讯的信息) , 产生相应的感觉。经过过滤, 在控制系统的作用下, 当前信息进入工作记忆, 与长时记忆系统中的空管规则和经验相互作用, 获得相应的意义。进行飞行冲突检测后, 形成对当前交通态势的认知。进一步形成反应的决策, 这种决策进入工作记忆导致外置的反应, 就产生了管制行为[7]。 (图1)
2 方法
2.1 被试
所有被试者均来至空中交通管制专业的10名学生, 其中男生8名 (占80%) , 女生2名占 (20%) 。年龄范围在21~25岁, 平均年龄为22.7岁, 标准差为1.636。所有被试者都对本实验的模拟机非常熟悉, 并有一定的模拟管制经验。实验之前被试者均没参加激烈的体力运动, 并且情绪稳定。
在本实验中, 每个实验任务由2个被试者完成, 一个是管制员, 在雷达模拟机上发布管制指令, 包括高度、航向、速度, 从而保障空中交通安全顺畅运行;飞行员的任务就是在飞行员席位正确高效执行管制员指令。
2.2 实验装置
本实验在中国民航大学空管学院信息技术实验室的雷达模拟运行平台上进行, 其中多路生理测量系统采用瑞典的Tobii-TX300眼动仪和神州津发公司开发的16导无线生理记录仪。被试者可以通过模拟机的键盘和鼠标以及陆空通话设备与飞行员进行通话。实验装置如图2和图3所示。
2.3 实验设计
本实验采用天航创力开发一系列模拟管制软件编辑实验计划, 管制场景为西安咸阳进近管制, 跑道为05 L (标高:470 m) , 垂直能见度8 000 m, 跑道视程1 200 m, 温度20℃, 气压1 010 Pa, 风速5 kt, 风向180°, 少云。
实验情景控制扇区内的冲突数量、航空器数量以及进离场比例的方法设计了5个管制情景, 实验情景的具体设计参见表1。
2.4 实验步骤
2.4.1 实验引导与适应性管制
实验引导包括介绍整个实验流程, 解释其中的每个步骤, 安抚被试者, 消除被试者疑虑。每位被试可在正式模拟管制实验之前进行两到三次适应性管制, 以熟悉进离场程序, 显控界面布局和管制操作。
2.4.2 管制技能测试
按照管制技能考核标准, 对被试者实验操作的熟练程度以及实验前练习是否充分进行打分。满分十分, 如果被试得分低于八分, 就重新向被试讲解操作方法。
2.4.3 基准值测量
由于生理测量的个体差异性比较大, 为了减少个体差异对本实验的干扰, 每次模拟管制实验之前, 先测量每个被试者在平稳状态下的各生理参数值, 为数据处理的归一化处理做基准。
2.4.4 模拟管制实验
(1) 启动系统运行控制软件、飞行员席位软件、管制员席位软件。
(2) 等待被试者发出指令“开始”, 生理参数采集系统开始采集数据。
(3) 模拟管制任务完成后, 生理参数采集系统停止记录。
(4) 被试者针对刚刚的管制情景进行NASA-TLX主观测量。
3 数据的收集与整理
每一组实验完成后, 收集和整理以下数据:注视持续时间、注视次数、眼跳距离和瞳孔直径;利用Tobii眼动仪记录眼动指标数据。
眼睛如果在较短的时间 (100 ms) 内稳定在一个相对的空间阈限范围内 (1°) , 速度低于阈限 (15~100°/s) 记为一个注视点。注视持续时间代表着处理信息所花费的时间, 反应的是获取信息的难易程度, 即从所注视的目标上获取信息所用的时间。注视频率就是单位时间内的注视次数。研究表明认知负荷越大注视持续时间越短注视频率越大。每次注视时瞳孔的平均大小就是瞳孔直径用Pd表示, 心理学研究表明, 认知负荷的增加会导致瞳孔直径变大。
眼跳距离是指从一次注视结束开始转移到下一次注视之前眼睛跳跃的距离。眼跳距离是一个衡量注意深度的指标。如果一次注视能够获取很多信息, 经过加工后, 转移到下次注视时就要跳过较大的距离。如果一次注视仅能获取到有限的、很少的信息, 则紧随其后的眼跳距离就会很小。心理学研究表明, 认知负荷越大眼跳距离越小。
心率和心率变异性用16导无线生理记录仪测量。心率为每分钟心跳次数, 用Hr表示。研究表明, 随着认知负荷的增加, 被试者的心率会显著增加。
心率变异性:心率变异 (heart rate variability, HRV) 是指窦性心率在一定时间内周期性改变的现象。Molder的研究表明, 随着认知负荷的增加, HRV会降低[8]。常用的有HRV的时域分析和频域分析。NN间期标准差 (standard deviation of normalto-normal beats, SDNN) , 单位为ms。相邻NN间期差值的均方根 (square root of the mean squared differences of successive NN intervals, RMSSD) 。典型的频谱可有三个峰, 大致位于0.04 Hz以下、0.05~0.15 Hz和>0.15 Hz, 分别称为极低频 (VLF) 、低频 (LF) 和高频 (HF) 峰。研究表明, SDNN、RMSSD、VLF、HF随认知负荷的增大而减小, LF随认知负荷的增大而增大。
4 结果与分析
4.1 任务情景对认知负荷的影响
利用SPSS软件计算各个认知负荷评估指标在不同任务情景下的均值, 并分别对各个指标在不同情景条件下的均值的差异性进行方差分析, 结果见表2。
从表2中的方差分析结果显示, 在不同的任务情景下, 注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF、均表现出显著的差异 (p<0.05) 。而眼跳距离、SDNN、HF和LF/HF变化的差异不显著 (p>0.05) 。由此可见, 对任务情景变化敏感的评估指标有注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF。
4.2 基于主观测量的认知负荷评估模型
NASA-TLX是由NASA (美国航空航天局) 研究开发的一个多维度认知负荷评价量表, 涉及到六个负荷维度 (因素) , 即脑力需求、体力需求、时间需求、绩效水平、努力程度和受挫程度, 每一维度由一条20等分的直线表示, 直线分别以低/高字样标示。被试者在量表上与其认为的相符处划上记号, 然后再将6个维度对总体认知负荷的贡献大小排序 (即确定权重) 。即
式 (1) 中, e表示NASA-TLX中的维度评分, w表示该维度的权重评分。
图4是NASA-TLX认知负荷总得分图, 由图可知, 情景3的认知负荷明显高于情景2, 情景5的认知负荷明显高于情景1, 情景3和情景4认知负荷比较接近, 大部分被试 (8/10) 认为情景3的认知负荷大于情景4。
4.3 基于BP网络的认知负荷综合评估模型
BP (back propagation) 网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络, 是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系, 而且无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法, 通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值, 使网络的误差平方和最小。BP神经网络模型拓扑结构包括输入层 (input) 、隐层 (hide layer) 和输出层 (output layer) 。由数据分析结果得知, 与认知负荷显著相关的因素有注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD以及LF共6个。因此, 输入项神经元个数设置为6个。输出神经元即为认知负荷的大小, 根据NASA—TLX测量结果, 对BP网络的的输出项神经元进行对应。网络结构中的网络层数采用单隐层的三层网络, 根据初测结果, 隐层神经元个数选择12个, 隐含层传递函数采用S型的正切函数, 输出层传递函数采用S型的对数函数, 训练函数选择trainlm函数 (Levenberg-Marquardt算法) , 期望收敛精度为0.001。由于生理测量的个体差异性比较大, 为了减少个体差异对本实验的干扰, 对所有的数据进行归一化处理, 转化成实验测量的生理参数与平稳状态下的生理参数的比值的形式。随机选择10名被试中的7个共42组数据作为训练样本, 其余的3个被试共18组数据作为测试样本。利用MATLAB软件编制程序进行网络训练和测试。
选择主观测量负荷值与BP网络测试负荷值之间的绝对误差、相对误差作为网络模型的性能指标, 计算每个被试在每个实验情境下BP网络测试负荷值与主观测试负荷值的绝对误差、相对误差。结果见表3。
表3显示, 两种认知负荷评估模型的偏差的平均值为0.19, 方差15.86, 标准差3.98。虽然两种评估模型的评估结果有一定的偏差, 但是整体变化趋势基本一致。由相关性分析可知, 两种认知负荷评估模型的相关系数为0.976, 有很强的相关性。
5 讨论
目前, 国内外对管制员认知负荷的研究还较少, 大多采用单一的指标或时间测量法来进行评估, 结果的可靠性不高。本研究采用实验法进行实时的测量管制员的生理参数, 并通过改变航空器数量进离场比例以及冲突点数量来控制认知负荷水平。结果显示注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、RMSSD、LF对认知负荷的变化有显著的敏感性。通过两种不同模型的评估方法, 研究各个因素对管制员认知负荷的影响。
5.1 冲突点数量
情景2和情景3航空器数量和进离场比例相同, 冲突点数量不同, 冲突点数量主效应显著, F (1, 20) =1 532.67, p<0.001。结果表明:在扇区内航空器数量和进离场比例一定的条件下, 随着冲突数量的增加, 管制员认知负荷显著增大。
5.2 航空器数量
情景3和情景4冲突点数量和进离场比例相同, 航空器数量不同, 航空器数量主效应显著, F (1, 20) =140.48, p<0.001。结果表明:在扇区内冲突数量和进离场比例一定的条件下, 随着航空器数量的增加, 管制员认知负荷显著增大。
5.3 进离场比例
情景1和情景5航空器数量相同, 都无冲突点, 情景1为4架离场航空器, 情景5为4架进场航空器。进离场比例的主效应显著, F (1, 20) =2 019.97, p<0.001。结果表明:在扇区内冲突数量和航空器数量一定的条件下, 管制员在进场情景下的认知负荷显著高于离场情景下的认知负荷。
6 结论
本研究通过分析航空器数量、冲突点数量以及进离场比例与管制员认知负荷的关系, 发现注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF这六个指标对认知负荷变化具有较高的敏感性。以这六项指标的测量结果为依据, 采用BP神经网络构建认知负荷综合评估模型, 并与NASA-TLX评估量表测量的认知负荷进行对比, 发现两种认知负荷评估模型具有较高的一致性。
研究证明, 航空器数量、冲突点数量以及进离场比例的变化会显著影响管制员的认知负荷。这说明在评估管制员认知负荷时仅考虑扇区内航空器数量是不全面的, 还应同时考虑到冲突点数量和进离场比例这两个指标才能显得更为科学。
参考文献
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多生理参数测量 篇4
随着计算机和无线通信网络的发展,无线网络的覆盖率正在逐年提高。我国优质医疗资源相对集中,为能使更多人享受到优质、低价的医疗服务,笔者对低价实用的远程医疗系统进行了初步研究。目前的多生理参数远程监护仪多是基于PC和有线网络的,价格昂贵,体积庞大,使用不便[1]。随着社区医疗、家庭医疗的兴起,病源更加分散。为能更快、更准确地了解患者的各种生理变化,对多生理参数远程监护仪的需求日益增长,要求也越来越高。移动通信技术、嵌入式系统的发展,为多生理参数监护系统提供了新的方法[2]。新一代的移动通信网络GPRS(General Packet Radio Service)与IP网络无缝联结,按流量收费,覆盖范围广,接入速度快,传输速度高;它提供的数据传输业务适合突发事件的传输,如生理参数监护、环境监测;而且无线传输方式使患者不受活动状态、地点限制,更易接受,是很有潜力的一种无线远程传输方式。嵌入式系统领域日新月异,以ARM为代表的32位高端单片机的出现,使嵌入式系统的应用出现了一个飞跃,使网络无处不在,而且性价比越来越高,为我们进行多参数生命监护仪的研究工作奠定了物质基础。
2 GPRS数据业务原理
GPRS是基于GSM(Global System for Mobile Commun cation),引入分组数据单元,添加分组控制单元(Packet Contro Unit,PCU)、服务支持节点(Service GPRS Supporting Node,SGSN)和网关支持节点(Gateway GPRS Supporting Node,GGSN)新组件来提供无线数据业务[3]。采用GPRS方式接入Internet,在链路层采用的是PPP(Point to Point Protocol)协议[4,5],PPP协议不需要差错控制、排序和流量控制,易于实现,而且支持对多种高层协议(如IP、TCP、UDP)的复用,是目前应用最广泛的广域网协议之一。PPP协议由两部分组成:帧结构和LCP、PAP、IPCP协议[6],其中帧结构就是PPP报文的结构组成。LCP(Link Control Protocol)链路层控制协议用于建立、构造、测试链路连接;PAP(Password Authentication Protocol)认证协议用于处理密码验证部分;IPCP(Internet Protocol Control Protocol)Internet控制协议用于设置网络协议环境,并分配IP地址。一旦协商完成,链路已经创建,IP地址已经分配,就可以按照协商的标准进行IP报文的传输了。一个PPP会话分4步:建立连接、连接质量控制、网络层协议配置、连接终止。
本设计中,利用GPRS模块接入的过程如图1所示,首先是MCU向SIM300发出AT命令以发起连接,然后GGSN回应连接,和MCU之间进行PPP协商,经过LCP、PAP、IPCP协议的执行,建立起Internet连接。
当无线终端获得IP地址后,就成为一个独立的Internet主机,可以浏览资源或远程传输数据,因此,采用GPRS方式的关键是建立连接获得IP地址,即拨号上网。
3 整体设计
该监护系统分为3部分:监护仪、无线远程传输网络和医院或社区的监护中心。监护仪采用嵌入式系统来实现,选用基于ARM9内核的S3C2410作主处理器,它功耗低,性能高,尺寸小,外围接口丰富,内含MMU(Memory Manage Unit),可以直接运行ARM-Linux嵌入式操作系统,适用于高端的嵌入式系统。GPRS通信模块选择SIM300,是目前性价比较高的GPRS模块,SIM300模块与S3C2410通过串口相连。S3C2410上运行ARM-Linux嵌入式操作系统,ARM-Linux是移植在ARM平台上的Linux操作系统。Linux内核的源代码中已经有针对各种不同处理器的硬件适配层,在“arch/”目录下面,其中就包括ARM,但是在实际的系统中,还应该根据系统板的硬件配置进行移植。选择Linux操作系统,在于它独特的优点:开放的源代码,丰富的软件资源;模块化的结构,易于裁减和移植;内核功能强大,性能高效稳定,完善的网络通信、图形、文件管理机制。监护仪完成心电、心音、血压、体温、呼吸等多生理参数数据的采集、分析、显示,有异常时报警并向监控中心发送数据。无线远程传输网络采用已存在的GPRS和Internet网络。医院或社区监护中心采用装有监护软件的PC通过Internet接收数据,分析显示,给出诊断意见、治疗方案或者采取救助措施。系统整体框图如图2。
4 ARM-Linux和GPRS下的远程数据传输
4.1 ARM-Linux和GPRS下Internet的接入
4.1.1 ARM-Linux和GPRS下接入Internet的条件分析
由于在嵌入式操作系统下,没有像PC操作系统封装好的工具,所以许多功能的实现要自己动手从底层做起。PPP协议的两个组成部分(帧结构和LCP、PAP、IPCP协议)在Linux下的实现分别对应着内核部分和用户级部分。Linux内核2.4版本已提供了对PPP的支持,用户级部分包括pppd(PPP daemon)进程和应用程序[7]。pppd是一个后台进程,其本身并不处理IP数据包,其所完成的功能主要有两项:一是运行初期建立通信链路;二是建立Socket接口并且处理LCP、IPCP等数据包。而在内核部分由PPP driver完成对IP数据包进行PPP协议报头的封装,其他应用程序直接调用Socket接口发送IP数据包。在Redcat 9下可以利用KPPP这个GUI下封装好的工具,diald工具或者直接采用ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on脚本文件实现拨号上网。但不管怎样,其实质都是运行起pppd进程拨号接入Internet。
根据项目的实际特点,考虑到降低功耗和成本,希望有数据传输时自动拨号,没有数据传输时断开连接,这要求对拨号进程pppd的启动方式进行控制,而使用KPPP或者拨号脚本ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on在拨号时机的控制管理上较弱,同时在嵌入式环境中也不适合用KPPP。我们采用diald(dial-on-demand)工具启动pppd进程。diald工具是不用KPPP或者拨号脚本ppp-on、ppp-off和ppp-dialer-on就能启动pppd进行拨号的管理拨号程序[8]。还有一点要注意的是,以上所说的进程的配置原本是用于普通的调制解调器的,使用GPRS无线调制解调器接入移动梦网要修改相应的配置文件。所以本项目ARM-Linux下拨号上网需要满足如下4个条件:内核支持PPP协议;进行拨号的进程pppd;启动pppd的拨号进程;正确的配置文件。
4.1.2 ARM-Linux和GPRS下接入Internet的具体实现
在Kernel内核目录下,执行make menuconfig进行配置,选中PPP上网方式,然后交叉编译,重新下载烧写内核就实现了内核支持PPP协议。对于拨号的进程,下载PPP和Diald软件包,修改编译器,生成可执行文件pppd、chat和diald,并修改相应的配置文件,把可执行文件和配置文件放入相应的目录。
在ARM-Linux下主要是pppd进程执行PPP协议实现拨号的。拨号的实现框图如图3所示。diald进程用来启动pppd进程,设定为开机运行,它的配置文件diald.conf指明启动PPP的方式。diald进程启动pppd进程,同时通过diald.tty S1传递参数配置pppd。pppd进程调用chat脚本进行初始化Modem并拨号连接GPRS网络。当连接建立后,pppd进程执行LCP、PAP、IPCP协议,获得动态IP,建立接入Internet的链路。
ARM-Linux下PPP软件拨号要使用的配置文件主要有:diald.conf、diald.tty S1和chat.tty S1。diald.conf配置文件指明启动pppd的方式。该文件其实是一个规则表,规则主要有两个:ignore和accept。ignore表示此种协议的数据包不会引发拨号连接,而accept则反之,表示将引发拨号连接。在后面的Socket要用流式套接字,所以从diald网站上下载有关TCP协议的设置规则配置文件,使检测到流量拨号,无流量时断开。diald.tty S1脚本包含了diald进程传递给pppd进程用来配置pppd的参数,相当于Linux下的ppp-on脚本,主要指明所使用的串口设备、通信速率、具体拨号脚本的路径和本地IP获得方式等,根据diald网站的资料编写,注意拨号脚本路径的设置和要动态方式获得本地IP方式。chat.tty S1脚本用于初始化modem并拨号连接GPRS网络,这个脚本文件的修改要注意,因为从网上找到的大部分是对于有线方式的modem,而且不同的GPRS模块AT指令不是完全一样,在修改时要注意查看相关的数据手册,不过在刚开始调试时越简单越好。脚本实现的关键语句如下,对区别于有线普通modem的地方进行了注释:
4.2 远程通信的实现
当建立了Internet连接,无线终端就成为一个独立的Internet主机,可以浏览资源或远程传输数据,在ARM-Linux系统下可以直接使用Socket套接字编程实现数据远程传输。套接字的基本模式是C/S(客户/服务器)。无线终端工作在客户模式,而远程Internet网上的监控中心PC工作在服务器模式。使用Socket的数据流进行通信,首先在服务器端使用socket()建立一个通信端点,用bind()命令把自身的IP和端口绑定到这个端点上,然后调用listen()侦听连接请求。当远程的客户机使用connect()连接服务器正在监听端口时,连接将会在队列中等待,直到服务器accept()处理它。在服务器accept()处理了连接请求后,将会生成一个描述这个端口的套接字,利用这个套接字就可以进行数据通信。在客户端通信程序执行前,服务器端的程序必须完成端口的绑定并开始侦听。客户端程序基本流程是:请求连接,得到服务器端允许后,调用数据收发函数进行数据的传输。
5 结论
本研究基于新一代的移动通信网络GPRS,以Linux为操作系统,在ARM嵌入式平台上设计开发出了多生理参数远程监护仪,较好地解决了目前多参数监护仪体积庞大、价格昂贵、远程传输不便的问题。为老龄人群、亚健康人群以及其他须及时获得生理数据的人群的预防保健和日常监护提供了新的手段,促进了以家庭、社区为模式的健康监护的发展。
摘要：目的:研制具有无线远程传输能力、功耗低、体积小、价格低的多生理参数监护仪。方法:把嵌入式和移动通信技术相结合,采用基于ARM9核的S3C2410为主芯片,ARM-Linux为嵌入式操作系统,SIM300为GPRS通信模块接入Internet,来实现多生理参数无线远程传输。结果:实现了基于GPRS的嵌入式多生理参数远程监护系统。结论:该仪器体积小巧,易扩展,且数据传输稳定、可靠,便于远程监护和数据共享。
关键词：GPRS,ARM-Linux,PPP,多生理参数,远程监护仪
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多生理参数测量 篇5
电梯安全的重要性毋庸置疑,而随着电梯制造技术的发展,电梯数量的高速递增,电梯安全检验标准及检验仪器也在更新,传统的电梯检验方法既费时又费力,不能满足目前电梯快速、高效、高质的检验要求,因此研制出一款便携而又集多种检验功能于一体的电梯检验仪是十分必要的。
1国内外研究现状
在电梯的安装维护及检测检验现场,进行梯速检测的测速装置、进行电梯工作电压测试及电梯平衡系数试验等所用的钳形电流表以及进行井道顶部空间和底坑空间安全距离检测的测距仪等装置,在国内和国外都比较成熟,相应的产品种类也很多。关于钳形电流表,国外主要以美国福禄克(Fluke)、日本SANWA、 日本HIOKI、德国BEHA品牌为代表,国内主要以香港华谊、台湾TES、深圳胜利品牌为代表;关于数字转速表或测速仪,国外主要以日本SANWA、日本共立 (KYORITSU)、德国乐达(RHEINTACHO)、美国蒙那多(Monarch)品牌为代 表,国内主要 以大连徠 特、 LUTRON/路昌、上自仪、SHIMPO等品牌为代表;关于测距仪,国外的主要有瑞士徕卡 (LEICADISTO)、 德国博世(BOSCH)、法国阿克泰克(Agatec),国内主要有国产普瑞测、香港CEM、华谊仪表MASTECH。 为了更好地适应电梯技术的发展及促进电梯运行安全,国内外也对电梯相关部件的检测检验设备进行了一定程度的集成与改进,具有了便携与多功能等特点, 如自动扶梯同步率测试仪、自动扶梯运行参数测试仪、 电梯/扶梯运行质量分析仪,尤其是美国GP公司销售的PMT EVA-625电梯综合性能测试仪,其所拥有的EVA系统能够精确地量化加速度和噪声的测量数据, 是乘运质量和电梯系统问题诊断的最真实的标准,其具备的宽带响应可诊断电梯和扶梯系统的机械和控制元件,使有缺陷和已磨损的组件在电梯发生故障前就可辨别出来。不过以上这些设备体积庞大,价格昂贵, 也不便于携带。
2测量仪设计原理及依据
便携式电梯多参数一体化测量仪的设计原理是在仪器结构紧凑、携带方便的前提下,将电梯安全检验的常用工具包括转速表、测速仪、测距仪、钳形电流表的所有基本功能共同集成到一块芯片上,实现一表多参数测量功能。
Advanced RISC Machines(ARM)是以计算机技术为基础,软件硬件可裁减,方便适应,且对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面均有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等4部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等,具有体积小巧、集成度高、功能强大、资源丰富、性价比高等优势, 可以方便地将转速表、测速仪、测距仪等各仪表的功能模块组合为一体,并力求达到便携与小型的效果。
3测量仪系统设计
3.1系统整体结构设计
以嵌入式ARM为主控芯片,“手持上位机+测试主控盒”为基本架构,测试主控盒连接各传感器,将各传感器信号采集到主控系统中,具有高实时性与可靠性的特点。通过主控盒检测采集并分析各参数,与手持上位机通讯,实现上位机下发指令及察看和记录检测数据的功能。测量仪系统整体架构如图1所示。
3.2系统主控结构设计
主控芯片 采用 “Coytex-M4 + DSP”架构的STM32F4系列芯片,结合了ARM开发简便、资源丰富以及DSP强大信号处理能力的 优点,拥有丰富 的IO接口,便于主控电路的开发。其DSP模块可实现数据的存储和分析处理,将主处理器ARM从繁重的计算中解放出来,主要负责系统监控管理及网络传输等任务。基于此设计思想开发的嵌入式数据采集和处理系统,既能实现高频数据信号的精确采集,又能保证运算处理的实时性与准确性,并且系统稳定可靠。主控箱功能模块框图如图2所示,系统主要包括数据采集控制模块、数据传输控制模块、主从系统及其外围器件、主处理器ARM和DSP接口等部分。DSP运行速度高,A/D转换芯片与DSP之间可以增加数据缓冲 器,使相对低速的数据采集和高速器件DSP匹配,采用高速异步FIFO来实现现场传感数据信号的A/D转换及信号提取。
STM32F4xx采用哈佛结构,比传统的冯诺依曼结构具有更高的指令速度,采用并行流水技术、片内外两级存储结构、独立的加法器和乘法器,其强大的浮点运算能力大大提高了整体运行速度。以它作为系统的数据处理核心,用以启动AD转换、读取现场传感数据、存储并运算分析,使得数据处理能力大大提高。
4系统功能应用
4.1硬件安装
根据不同测试对象,安装合适的测试仪器,这些传感器件通过各自的接口电路与主控盒连接。
4.2测试过程
4.2.1指令下发
在完成硬件安装后,可以通过多种方式进行指令下发:
(1)主控盒键盘按键选择,可以对单个信号进行检测,也可多选。
(2)通过手持式上位机点击测试界面上的功能按钮下发测试指令,指令经由无线通信下发到主控盒。
(3)在主控盒和上位机上,都可以通过按下组合功能按键进行特定类电梯的所有数据检测。
在指令下发成功后,主控盒完成接收指令并发出测试命令,在主控盒及上位机上进行反馈指示。
4.2.2数据采集
当电梯开始测试工况的运转后,即可按下采集开始按钮进行数据采集并保存。在采集数据时,设有默认的采集参数,亦可在采集之前改变(如采样频率、测试次数等)参数,主控系统会将采集到的数据以采集时刻为参考基准进行保存。对于不同的测试参数,可能需要不同的测试时间和工作模式,系统将分别进行智能保存,并进行提醒。
4.2.3数据显示
在数据采集时,可以根据需要进行实时曲线显示,也可以在完成测试后对历史数据进行绘图显示。手持上位机通过2.4GHz无线通信方式与主控盒完成实时通信。
4.3测试分析
完成测试过程后,系统可以对采集到的数据进行智能分析,并与参考值进行比较;对有偏差的参数进行突出显示,并根据需要发出声光报警。根据需要,测试数据可以通过Ethernet上发服务 器,或者通过USB OTG即插即用功能将数据保 存到U盘等移动存储 上,从而让工作人员在PC上进行更深入的分析研究, 也方便数据的备份保存。
5结论
本文通过对便携式电梯多参数一体化测量仪的研究,解决了以往电梯常用检验仪器种类较多、不便于携带、组装拆卸繁琐、现场检测不便等缺点,大大方便了特种设备检验单位、电梯施工安装单位和维护保养单位工作人员的现场工作,减少了其工作量,提高了其工作效率,使电梯安全检测检验的各项工作能够更快速、 高效、高质地开展。
摘要：介绍了一种便携式电梯多参数一体化测量仪,它集测距离、测阻值、测电压、测电流、测转速、测速度等多功能于一体,同时便于携带,结构紧凑,为电梯安全检验提供了一种方便、高效、快捷的测试工具。
多生理参数测量 篇6
随着电力系统的发展, 电气用电设备遍及工业生产的每个角落, 电气设备的安全、可靠、准确和经济运行都必须依靠安装在生产现场的监测电压、电流、功率、电能、功率因数、频率、相位等电能参数的仪器仪表来保证。对各种电能参数的准确测量、现场显示, 可以使设备维护人员及时了解运行情况。通过数据通信方式, 将电能参数上传至管理系统, 可以使决策部门及时掌握现场设备运行情况, 以控制设备工况, 提高生产效率, 且通过各参数实现设备的故障诊断与判断。
电能参数的测量方法主要分为两类:第一类为直流采样法, 该方法是对经过变换后的直流量进行采样。直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。第二类为交流采样法, 该方法是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样后, 再用一定的数值计算法求得被测量的值。交流采样法与直流采样法的最大区别是用软件功能代替硬件功能。直流采样法精度低, 不适用于含有高次谐波的情况。交流采样法算法比较复杂, 占用微处理器系统资源多, 实现比较困难。本文采用ATT7022作为电能参数采集芯片, 它集电能多参数采集于一身, 接口简便, 是一种低成本、高性能、易于实现的系统解决方案。=
1 电能参数测量原理
ATT7022 是一款高精度的三相电能专用计量芯片, 它主要被用于三相三线和三相四线的测量。它能测量各相以及合相的无功功率、有功功率、视在功率、无功能量及有功能量, 同时还可以测量各相电流、电压的有效值、功率因数、频率及相角等参数。ATT7022 还能提供一个SPI接口, 通过该接口实现与外部MCU之间的校表参数和计量参数的传递, 所有计量参数都可以通过这个接口读出。
通过对电压、电流的采样值进行相应运算, 可得出电压、电流的有效值。在电压采样通道内输入10m V ~ 1000m V的信号时, 电压有效值的误差可以保证在0.5% 以内;在电流采样通道内输入2m V ~ 1000m V的信号时, 电流有效值的误差可以保证在0.5%。以内。如图1 所示。
电压、电流有效值为式 (1) :
各相的有功功率是通过对直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理得到的。电压、电流等采样数据中包含高达21 次的谐波信息, 所以通过此方法得到的有功功率也至少包含21 次谐波信息, 有功功率的测量原理图如图2 所示, 合相有功功率的公式为:Pt=Pa+Pb+Pc。
有功功率的计算为式 (2) :
根据正弦式无功功率的定义公式, 无功功率应为式 (3) :
无功功率的计量算法所需的信号是采用移相90°后的信号, 测量带宽因此要受到数字移相滤波器的带宽限制。ATT7022 无功功率的测量带宽最高可达21 次谐波。ATT7022采用的数字90°移相滤波器具有优越的频率响应特性, 它的幅频特性为1, 频带范围内的所有频率成分进行-90°相移的线性滤波器, 因此, 即使测量相当高次谐波无功功率, 测量结果的准确度也较高。无功功率的测量原理图如图3所示。
视在功率和功率因数的计算是在有功功率和无功功率的基础上实现的, 视在功率的计算为式 (4) :
功率因数计算公式为式 (5) :
有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到式 (6) 。
无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到式 (7) 。
2 系统硬件设计
整个系统包括电能参数采集、单片机最小系统、液晶显示、继电器控制及通讯等几部分。ATT7022 及其外围电路主要完成电能参数的采集。单片机系统完成整个系统的控制与管理, 采用Aduc812 单片机, 包括复位电路及振荡电路。液晶显示器可以对电能参数进行实时显示, 采用液晶显示模块12864 来实现。继电器可以控制外围电气设备, 由单片机I/O口输出信号给驱动电路进行控制。数据通讯部分采用485 通讯方式, 将电能参数及时上传, 由MAX485 来实现。系统框图如图4 所示。
电能参数采集部分需要通过电压互感器和电流互感器将三相高电压、大电流信号转换成弱信号, 由ATT7022 进行处理。ATT7022 内部集成了6 路16 位A/D转换器, 其线性误差在有效值0.001V ~ 0.8V范围内小于0.1%。因为电网电压在-40% ~ +30% 的范围内波动, 且具有良好的信噪比特性, 所以在参比电压下, 芯片电压输入脚上的采样值应为0.2 ~ 0.5V。电流测量时需考虑8 倍量程的过流能力, 当输入额定电流时, 芯片电流输入脚上的采样电压值为0.1V。由此进行互感器的选型及参数匹配。
芯片的输入通道引脚需提供偏置电压, 由引脚Refout外加上拉电阻提供。而每一通道由电阻和电容构成抗混叠滤波器, 以抑制采样过程中的噪声混叠干扰。整个电压、电流输入通道采取差分输入方式, 以抑制共模信号干扰。系统采用有源晶振, 可以提供更加稳定的时钟信号。
3 系统校准步骤
ATT7022 校表方式称为软件校表。仪表经过校正后, 无功精度可高达2 级, 有功精度可高达0.2 级。功率校正包括角差校正和比差校正。比差校正是根据电流设置不同的区域, 相应地设置不同的功率增益系数, 以弥补互感器输入与输出的非线性。角差校正和比差校正一样, 在电流区域分段对相角进行修正。ATT7022 还可以通过寄存器修正电流、电压的有效值, 这些参数都是通过芯片测量值与标准表读数的偏差进行修正的, 芯片手册中提供了相应的计算公式。芯片的参数校正非常重要, 只有校正以后的芯片才能正常使用, 图5 列出了芯片校正的具体步骤。
要注意的是, 高频输出参数HFConst的设置, 实际上它是一仪表常数, 对整个芯片的正常工作起着重要作用。其计算公式如 (8) 所示:
式 (8) 中, INT为取整操作运算。为额定输入电流, 经电流互感器后对应到输入通道上的电压有效值应该在100m V左右;为额定输入电压, 经电压互感器或电阻分压网络后对应到输入通道上的电压有效值应该在500m V左右。G是指ATT7022 的ADC增益系数, G恒定为0.648。为经过电压互感器后, 电压输入通道的电压。为经过电流互感器后, 电流输入通道的电压。为消耗1kwh电能, 芯片输出的脉冲数目。
在进行电压、电流和功率等参数校正之前, 需要完成HFConst的设置, 只有在HFConst设置完成的基础上, 对其他参数的校正才有效, 因为这样可以保证测量值与校正值在同一仪表常数下得到。
4 程序设计
ATT7022 内部集成了一个SPI串行通讯接口, SPI接口采用从属方式工作, 它在工作的过程中使用2 条数据线和2 条控制线, 分别为DOUT和CS、SCLK和DIN。CS:片选输入脚是一条能够允许访问串口的控制线, CS由高电平变为低电平时表示SPI操作开始, CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束, 所以每次操作SPI时, CS必须出现下降沿, CS出现上升沿时表示SPI操作结束。DIN:串行数据输入 (输入脚) 表示把用户的数据 (如数据/ 命令/ 地址等) 传输到ATT7022。DOUT:串行数据输出 (输出脚) 表示从ATT7022A寄存器读出数据。SCLK:串行时钟 (输入脚) , 控制数据移出或移入串行口的传输率。上升沿写入数据, 下降沿读取数据, SCLK下降沿时将DIN上的数据采集到ATT7022A中, SCLK上升沿时将ATT7022A的数据放置于DOUT上输出。这些信号时序可以由单片机I/O口模拟完成。
ATT7022 的计量参数寄存器和校表参数寄存器是分别存储的, 计量参数1/3s更新一次, 当需要读取电能参数时, 只需按寄存器的地址读取数据即可。校表参数寄存器, 需要在单片机初始化中进行设置, 将设置参数写入相应的校表寄存器即可, 芯片即按校表参数工作。芯片的复位时间较长, 需要大于500μs的时间, 校表参数需要在复位后由初始化程序进行设置, 否则不能有效写入校表参数。
整个系统工作流程图如图6 所示。
5 结论
本文采用ATT7022 作为配电终端的电能计量芯片, 实现了多项电能参数高效、准确测量, 节省了单片机的大量资源, 使系统易于实现。文中详细论述了ATT7022 进行电能参数计量的原理, 硬件设计需注意的原则及软件设计流程和校准方法方面的细节, 对实践应用具有指导、推广意义。
参考文献
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多生理参数测量 篇7
现在多参数监护仪已经在医院护理和急救系统中得到广泛的应用。随着传感器技术、计算机技术以及无线网络的快速发展,使得人体多参数监护仪向微型化、远程化的实现成为可能[1]。这种监护仪的监护对象不仅是病人,健康者也可能成为监护对象,通过对健康者的生理参数进行监护,使用者随时可以了解自身的身体状况并做出相应的调整,更有助于疾病的早期发现和及时治疗[1,2,3]。它还可以应用于一些特殊的场合,比如:对特殊环境下的工作人员进行身体状态监测;在战时,对士兵的人体状态监护等。
本文提出的便携式多参数监护仪,是将嵌入式平台和多个测量端构成一个无线局域网(如图1所示)。期望这种监护仪能够在户外急救中提供一个可行的解决方案。本文将其中一个通路(脉搏血氧测量)做重点介绍,其他通路类似。
本文密切结合实际应用,又着眼于有潜力的新技术,研究内容涉及无线射频、C8051F350/330单片机应用、动态监护、嵌入式软件开发等技术,是生物医学与电子技术的交叉学科。
2 脉搏血氧测量原理和方法
脉搏血氧饱和度测量原理是依据郎伯-比尔(Lambert-Beer)定律[4]:当一束单色光通过溶液介质时,吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度的乘积成正比。根据该定律及血红蛋白吸收特征曲线,通过数学方法可以推导出血氧饱和度的测量模型:
(1) 使用红外光(660 nm)和近红外光(925 nm)作为测量光;
(2) 测量部位为人体指尖;
(3) 脉搏的计算式:PR=(60×采样率)/两波峰间点数。脉搏波峰的确定:在采集的脉搏数据段中,如果某点满足下面条件,则认为此点为波峰。此点及前后n个点,共2n+1个样本点,此点是2n+1个样本中的局部最大值。
(4) 计算血氧饱和度的数学式:SaO2=a+b·ρ[4]。其中a,b为常系数,可以通过数学统计方法拟合标定。
式(1)中的IR和IIR是红光和近红外光的脉动增量光强度,反映经动脉血后透射光的信号强度。AC(660)和AC(925)分别是两路透射光信号的交流成分,DC(660)和DC(925)分别是两路透射光信号的直流成分。
925 nm近红外光吸光量的变化主要由氧合血红蛋白含量影响;而660 nm红光吸光量的变化主要由还原血红蛋白含量影响。根据上述分析,综合人体生理特征及测量的简便性,本文系统采用的测量方法是双波长测量法,即:将含动脉血管的部位指尖安置在两个发光管和一个光探测器之间,控制两个发光管交替发光,光探测器接收透射光信号,得到脉搏波。通过相关数字处理,首先确定脉搏波准确周期,其次从该复合信号中分解出交流和直流成分,最终通过式(1)求出血氧饱和度。
总之,血氧饱和度的测量关键是:能否得到正确的脉搏波形,能否有可行的分析脉搏周期和幅度的算法。
3 硬件系统设计
本系统设计为一个脉搏血氧测量仪,脉搏波信号经过信号调理模块后,通过无线收发射器构成的小型无线局域网发送到嵌入式平台,再由嵌入式平台对数据进行处理,并显示分析结果和脉搏波形,系统框图如图2所示。
3.1 传感器模块
传感器是由光发射器和光探测器组成[4],如图3所示。
光发射器由红光和近红外光两个发光二极管组成,发光二极管具有很好的单色性和亮度。当单色光照射到生物组织上时,会引起生物组织比普通光照射时更为明显的效应。并且发光二极管具有体积小、重量轻、低功耗(低电压、小电流)驱动、寿命长等一系列优点。光探测器采用光电池,它的显著特点是输出的光电流与受照辐射光强成线性关系,所以,系统中选用光电池输出的短路电流作为光电转换的输出信号。
3.2 LED驱动电路设计
驱动电路的任务是在单片机控制下依照一定时序依次产生红外光、红光和暗光三种工作状态。发光管点亮和熄灭的工作时序如图4所示。
“ON”表示单片机发光脉冲,相应的二极管导通。“OFF” 表示不发光脉冲,二极管处于截止状态。T1为驱动红光发光二极管的脉冲宽度,T3为驱动近红外光发光二极管的脉冲宽度,T1=T2=T3=T4。T2,T4为暗光时间,即两个二极管均处于截止状态的时间。
3.3 前置滤波放大
在生物医学信号的提取、处理过程中,模拟滤波器作为预处理电路是必不可少的。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器的性能要远远优于无源滤波器,因为运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特性,所以组成的有源滤波器不但能提供一定的增益,并具有缓冲作用。考虑到参数调节和调试的方便性,系统采用了同相结构的二阶模拟低通滤波器。
3.4 无线通信模块
无线通信模块由射频芯片nRF905和控制芯片C8051F350以及天线、复位电路、电源等电路组成。nRF905通过SPI接口和单片机进行数据传送。发送端的作用是发送传感器检测的数据信息,而接收端不断的接收来自发送端的信息,并通过串口传给上位机(嵌入式平台)处理。射频芯片nRF905由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。
3.5 串口通信
无线接收端接收到数据后通过串行口UART把数据发送到嵌入式平台。此部分在硬件上比较简单,由于接收端和嵌入式平台是在一块的,所以UART接口直接是TTL电平连接的,不需要进行电平转换。
3.6 嵌入式平台
本系统使用的上位机是由亿道公司提供的Liod嵌入式平台,它采用Intel XScale系列处理器,提供了丰富的接口,移植上了微软的Windows CE系统,此系统界面友好,功能强大,应用软件就是针对这个系统开发的。
4 系统功能的实现与算法
4.1 A/D转换的实现算法
系统中的A/D转换部分完全是由单片机C8051F350控制并完成的。8051F350内置有24位A/D转换器,并且可以使用内置参考电压,大大减少了电路的复杂度,抗干扰能力也有所增强。
A/D转换一个很重要的参数就是采样频率,为了保证被转换信号不失真,采样频率要满足奈奎斯特采样定理。本系统所测的人体外周血液循环的信号是血红蛋白和氧合血红蛋白对红光和红外光的反射光经过光电池转换以后的电信号,其中脉搏波信号的频率一般都在5 Hz以下,正常成人脉率在安静、清醒的情况下为1～2 Hz,但本系统采用120 Hz的采样频率(由于分时采样,实际采样速率为480 Hz),主要有以下几点考虑:
(1) 脉搏信号中一般都带有比较强的50 Hz工频干扰信号,一起采进来利用数字滤波算法将其滤除。
(2) 可以更加真实的体现脉搏波形细节,有助于诊断。
4.2 C8051F350片内固件设计
单片机的程序采用C51程序语言编写。整个程序划分为主程序和定时中断服务程序。A/D中断服务程序负责A/D 数据读取、双光束分离、去背景光干扰、数据打包、数据的发送等一系列工作。主程序则要完成辅助变量定义、系统初始化、采样控制。
(1) 采样控制。
为降低A/D输出噪声,在对A/D的初始化当中,A/D转换器内部的可编程数字滤波器选择sinc3类型。考虑到双脉冲调制信号的高频成分频谱特性,A/D的转换设定在高速工作状态(如19.2 kHz),发光脉冲的定时控制和双脉冲调制下脉搏波信号的采样控制均通过A/D转换计数器产生中断来完成。
(2) 双光束分离。
在单片机的控制下,信号被调制成了脉冲调幅波。从A/D读取到的双光脉冲调制下的数字信号中分离出不发光、红光和红外对应的脉搏波信号,该部分是A/D中断服务程序的主体。
5 终端软件系统设计
本软件系统运行于Windows CE操作系统环境下,采用EVC进行多线程设计[6],主要用于从嵌入式平台的串口读取采集到的数据,并对数据进行处理。
数据的读取占用一个线程而数据处理则在主线程中的定时器中断函数中进行,流程图如图5所示。
程序初始化
打开系统定时器,初始化并打开串口,创建线程和信号事件。
减去背景光数据
测得的信号中,除了包含有用信息外,一些干扰成分,例如环境光、暗电流的影响也必然包括在内。由于环境光、暗电流是串模干扰,并且脉搏波频率低,变化较缓慢,如果在暗光时采集信号的话,该信号必然能反映此时环境光、暗电流的情况。因此,我们在单片机的控制下,对红光、红外光发光二极管点亮时以及暗光时三个工作状态分别进行采样,得到三个数字量dred,dir,ddark,然后用dred,dir分别减去ddark,这样便可消除环境光、暗电流的影响。同时,对其他干扰也可起到一定的抑制作用。
数字滤波
数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散时间系统。本系统采用无限长单位冲激响应数字滤波器(IIR)。
数据比较与计算
分别找出红光和红外光状态下采样点中的最大值和最小值,找出两波谷间的点数。根据计算公式,得出脉搏和血氧饱和度的诊断。
本软件系统是在EVC编程环境下完成的,EVC是针对Windows CE操作系统的类似VC的编程环境。在这里可以方便的使用C++语言编写滤波器等算法和显示界面。
6 结 语
本文介绍了便携式脉搏血氧测量仪的系统设计和软件算法,并完成了样机制作,通过本系统得到的脉搏波波形及数据处理的结果(如图6所示),证明本文系统已较好地克服了噪声干扰等核心问题,测量及处理的结果数据具有较高的可信度。本系统具有便于携带、体积小、使用方便、可靠性高等诸多优点,特别是测量端和嵌入式端之间通过无线通信模块连接,使得多参数监护仪在医院、急救和家庭监护等系统中具有更广泛的应用前景。
参考文献
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