民機駕駛艙人為因素生理體征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
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統(tǒng)計資料表明，隨著飛機設(shè)計技術(shù)的突飛猛進，在各類民航客機事故原因中，機械電子設(shè)備故障所占的比例越來越低，而機組人員人為因素所占比例越來越高。因此，針對機組人員人為因素的研究將是未來人機工程的主要趨勢，這對于降低民航飛機事故率、優(yōu)化駕駛艙設(shè)計、改善航空電子設(shè)備以及提升飛行員工作方式和效率有重要意義。
人為因素的研究主要以飛行員的任務(wù)對象為核心，由飛行員、駕駛艙布局、環(huán)境、電子設(shè)備以及相互之間的關(guān)系等多種復(fù)雜因素組成。飛行員執(zhí)行任務(wù)時的狀態(tài)指標、尤其是人體生理體征數(shù)據(jù)是反映飛行員人為因素的重要特征。因此，對于這些數(shù)據(jù)的采集是研究飛行員人為因素的第一步。
飛行員的主要生理體征數(shù)據(jù)有：心電、體溫、心率、呼吸率、血氧、腦電波、肌肉骨骼狀態(tài)等。測量過程中應(yīng)對飛行員任務(wù)操作的影響降低到最低，而腦電波和肌肉骨骼的測量通常需要額外復(fù)雜的設(shè)備和操作，對飛行員影響較大，通常以圖像的方式進行輔助識別。另外血氧值數(shù)據(jù)在人體沒有發(fā)生重大生理變化時一般保持不變。因此，心電、體溫、心率、呼吸率數(shù)據(jù)足以反映一名飛行員的生理體征，且隨著電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對這些數(shù)據(jù)的便攜采集在技術(shù)上也是可行的。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)如圖1所示。主要由三部分組成：生理體征數(shù)據(jù)采集模塊、本地接收模塊及遠程分析處理服務(wù)器。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，使得提取、采集、傳輸、分析各個功能在邏輯和應(yīng)用上分開，降低了不必要的冗余性，增強了整個系統(tǒng)的擴展性和可維護性，使設(shè)計更加簡單。
生理體征數(shù)據(jù)采集模塊和本地接收模塊之間采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。采集模塊將生理體征數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到本地接收模塊，通過初步處理之后，本地接收模塊再將簡單處理過的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠程服務(wù)器，做進一步復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、顯示和數(shù)據(jù)庫保存。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，采集模塊充當終端設(shè)備，由一個到多個，本地接收模塊作為網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧器或者網(wǎng)絡(luò)路由器，是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心。
2 硬件設(shè)計
出于對數(shù)據(jù)流量帶寬以及性價比的考慮，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用低功耗、中低速、技術(shù)比較成熟的Zigbee網(wǎng)絡(luò)搭建，而采集模塊和接收模塊都采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)。前者任務(wù)簡單，使用ARM7，而后者要進行多任務(wù)操作，所以使用性能相對較強的ARM9。生理體征傳感器主要使用心電傳感器和體溫傳感器，提供心電波、心率、體溫、呼吸率的數(shù)據(jù)。接收模塊和遠程服務(wù)器采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)進行通信。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用普通PC或者高性能的服務(wù)器。
2.1 采集模塊硬件組成
生理體征數(shù)據(jù)采集模塊主要由生理體征傳感器、ATMEL ARM7 AT91SAM7X256微處理器、AD、SRAM、采集導(dǎo)聯(lián)及其接口、CC2430模塊、天線和電池組成，見圖2。
通過接在飛行員身體的導(dǎo)聯(lián)線，可以實現(xiàn)便攜采集體征數(shù)據(jù)而不影響飛行員工作。其中，CC2430是一款單個芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、8 KB SRAM、128 KB Flash和8051微控制器的SoC片上系統(tǒng)，適用于各種ZigBee節(jié)點，包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備。CC2430作為一個外設(shè)連接到采集模塊的ARM7處理器上，通過UART串口輸入體征數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。該模塊特點有：體積小、重量輕、便于便攜測量；模塊同時實現(xiàn)7通道ECG心電數(shù)據(jù)、1通道心率數(shù)據(jù)、1通道RESP呼吸率、2通道體溫數(shù)據(jù)的監(jiān)測；穩(wěn)定性好、精度高、符合CE要求的功能安全設(shè)計，符合IEC60601族所有心電、體溫監(jiān)測相關(guān)標準；支持多節(jié)點，中低速率的低功耗網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，最高可達250 kb/s，可以接入多個采集模塊；單電源5 V工作，低功耗設(shè)計，體征傳感器模塊的功耗為0.6 W，CC2430模塊的功耗為0.125 W左右。
2.2 接收模塊硬件組成
接收模塊由ARM系統(tǒng)板和CC2430模塊組成。ARM系統(tǒng)板以三星公司的ARM920T架構(gòu)S3C2440a芯片為核心，工作頻率400 MHz，最高533 MHz，并且配備64 MB的SDRAM內(nèi)存、256 MB的Nandflash以及2 MB的Norflash。CC2430接收模塊負責分時接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并且存入緩存。ARM系統(tǒng)板和CC2430模塊也是通過UART進行通信，ARM系統(tǒng)通過UART控制CC2430與體征數(shù)據(jù)采集模塊通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行交互，并對數(shù)據(jù)進行一定的預(yù)處理和過濾，并通過以太網(wǎng)傳送給遠程服務(wù)器。該模塊具有如下特點：性價比高、功耗小、體積小、穩(wěn)定性好，有多種應(yīng)用模式；接口豐富，有UART、百兆以太網(wǎng)口、USB-Host/Device、SPI、I2C、GPIO、LCD接口等，便于系統(tǒng)擴展；可以運行Linux操作系統(tǒng)，進行多任務(wù)操作，軟件易擴展裁剪；擁有簡單的用戶交互界面和輸入輸出設(shè)備，如鍵盤鼠標、LCD等，可以脫離遠程服務(wù)器進行顯示；UART波特率可達115 200 b/s，滿足接收端CC2430接收多個節(jié)點數(shù)據(jù)的需要。
2.3 遠程服務(wù)器搭建
遠程服務(wù)器主要指軟件層面的服務(wù)器端程序，可以運行在普通PC或硬件服務(wù)器上。遠程服務(wù)器和ARM通過以太網(wǎng)通信，將ARM已經(jīng)進行過預(yù)處理的體征數(shù)據(jù)做進一步分析和處理，如統(tǒng)計分析、與其他數(shù)據(jù)協(xié)同分析、數(shù)據(jù)庫存儲等。其特點如下：具有高性能的計算、存儲和通信能力，可以運行具有圖形界面的操作系統(tǒng)；ARM作為遠程服務(wù)器的接口擴展，而遠程服務(wù)器和ARM通過以太網(wǎng)進行高速通信，從而實現(xiàn)遠程服務(wù)器的遠程操控；具有用戶交互功能，如界面和輸入輸出設(shè)備等。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)有三部分共五個處理器：采集模塊的ARM7處理器、CC2430發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的8051單片機、接收模塊的ARM9以及服務(wù)器的CPU。
采集模塊通過接收傳感器對AD的原始數(shù)據(jù)進行計算和整理，按照一定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議通過UART口傳遞到CC2430發(fā)送節(jié)點進行緩存，再組包通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)以無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送到接收模塊的接收節(jié)點，進行二次緩存。接收模塊的ARM也是通過UART和CC2430接收節(jié)點按照相互的通信協(xié)議進行通信取得這些數(shù)據(jù)，經(jīng)過進一步的融合和過濾，最終通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到遠程服務(wù)器進行顯示、存儲、分析等。
由此可見，貫穿于整個系統(tǒng)軟件的是各個模塊接口間的數(shù)據(jù)協(xié)議，通過一種有效和風格統(tǒng)一的協(xié)議，能大大提高數(shù)據(jù)通信的效率。
3.1 采集模塊程序
接收模塊通過電極片和導(dǎo)聯(lián)得到模擬數(shù)據(jù)，并經(jīng)過放大電路、AD和傳感器等得到量化并具有一定意義的數(shù)字信號。ARM7將這些數(shù)字信號進行計算預(yù)處理，對數(shù)據(jù)進行簡單的組包，以適應(yīng)UART口的傳輸。這些數(shù)據(jù)包括7通道ECG心電數(shù)據(jù)、1通道心率數(shù)據(jù)、1通道RESP呼吸率、2通道體溫數(shù)據(jù)。共有3種數(shù)據(jù)包：心電數(shù)據(jù)、體溫和呼吸率數(shù)據(jù)、導(dǎo)聯(lián)連接和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。平均每個數(shù)據(jù)包為8 B，數(shù)據(jù)率為16 384 b/s，實時不間斷地輸出。這樣的數(shù)據(jù)率可以保證每秒有224組左右心電數(shù)據(jù)、20~30組體溫數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。ARM7和CC2430之間UART的波特率設(shè)置為8 400 b/s，已滿足數(shù)據(jù)帶寬，包括數(shù)據(jù)傳輸延時和處理延時。
為保證傳感器數(shù)據(jù)的實時性和完整性，ARM7輸出的數(shù)據(jù)一般帶有一定的冗余，所以CC2430接收到數(shù)據(jù)后要進行數(shù)據(jù)融合以降低數(shù)據(jù)量。由于人體體溫、心率數(shù)據(jù)短期變化不明顯，所以可以降低實時性，因此該類型數(shù)據(jù)一次發(fā)送周期內(nèi)只需傳輸一組即可。而每組7通道心電數(shù)據(jù)中，3個通道可以通過其他4通道數(shù)值計算得出，因此只需保留4通道數(shù)值即可。
采集模塊的CC2430充當Zigbee終端設(shè)備，因此初始化時，應(yīng)該根據(jù)接收模塊的Zigbee協(xié)調(diào)器所定期發(fā)出的同步命令進行注冊，接入Zigbee星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后等待接收端協(xié)調(diào)器發(fā)出的體征數(shù)據(jù)發(fā)送命令。當命令傳送時，立刻將緩存中的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收模塊的CC2430節(jié)點。
在Zigbee的幀格式中，體征數(shù)據(jù)包含在MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元中，而MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元又由MAC頭、MAC有效負荷、MAC尾組成，最大長度為127 B，如果使用長地址，MAC頭和MAC尾要占掉25 B，而短地址只需要9 B。在本系統(tǒng)中，考慮到體征數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，而節(jié)點數(shù)較少，所以應(yīng)該采取短地址以增加通信效率，因此每次傳輸體征數(shù)據(jù)118 B，所以發(fā)送時需要進行分幀。
3.2 接收端CC2430程序
接收端的CC2430模塊作為Zigbee的協(xié)調(diào)器，即星型網(wǎng)絡(luò)的中心，與生理體征采集模塊的CC2430類似，主要完成UART通信和Zigbee通信兩項任務(wù)。
接收端CC2430初始化時建立一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并且定期搜尋是否有新接入的Zigbee終端設(shè)備，若有則通知其注冊。考慮到數(shù)據(jù)量，終端設(shè)備節(jié)點的上限為4個。以輪詢的方式向已注冊的節(jié)點終端發(fā)送傳輸命令，得到各個節(jié)點所連接的生理體征采集模塊的數(shù)據(jù)，并寫入緩存，同時打上時間戳，完成一次接收周期。
另外，CC2430以中斷方式接收ARM端UART傳來的命令，并且將緩存數(shù)據(jù)通過UART返回給ARM系統(tǒng)。
3.3 ARM系統(tǒng)板程序
ARM系統(tǒng)板的軟件架構(gòu)以Linux為主，主要分成內(nèi)核層、中間層以及應(yīng)用層。
內(nèi)核層包括設(shè)備驅(qū)動、內(nèi)核API以及簡單的文件系統(tǒng)；中間層包括一些圖形和網(wǎng)絡(luò)通信的開源庫，如QT和JRTPLib等；應(yīng)用層運行核心的數(shù)據(jù)處理程序。
ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接收遠程服務(wù)器的命令，對ARM接收端的CC2430發(fā)出指令，以控制和接收體征數(shù)據(jù)采集模塊通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的生理體征數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)做進一步的融合和篩選，降低數(shù)據(jù)流量，加強針對性，按照數(shù)據(jù)協(xié)議加包加尾，發(fā)送到遠程服務(wù)器。ARM系統(tǒng)需要定期與CC2430進行時間校對，以確保CC2430在接收數(shù)據(jù)時打的時間戳盡可能保持時間同步。
另外，ARM系統(tǒng)還可以提供一個簡單的用戶界面，顯示這些體征數(shù)據(jù)波形和數(shù)值，并且接收用戶的指令，從而使ARM即使和遠程服務(wù)器沒有相連的情況，也可以脫離服務(wù)器進行簡單的交互。
3.4 遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)處理程序
由于本系統(tǒng)中遠程服務(wù)器的功能主要是采集，所以數(shù)據(jù)處理在于簡單的統(tǒng)計分析，設(shè)計數(shù)據(jù)庫存儲功能，并且為上層應(yīng)用模塊提供處理接口，同時設(shè)計用戶界面顯示結(jié)果和接收用戶輸入的指令。
遠程服務(wù)器的核心是網(wǎng)絡(luò)編程，通過基于TCP/IP的數(shù)據(jù)通信協(xié)議控制ARM完成最終的體征數(shù)據(jù)采集傳輸，并且將這些數(shù)據(jù)在界面上畫圖顯示波形，同時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)處理和分析的底層接口。
4 實現(xiàn)過程
系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的難點在于：采集生理體征數(shù)據(jù)的準確性、Zigbee多節(jié)點下的延時控制和數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)協(xié)議、系統(tǒng)裝配等。
4.1 生理體征數(shù)據(jù)的準確性
體征數(shù)據(jù)的準確性主要依賴于傳感器芯片的質(zhì)量，傳感器相關(guān)電路的設(shè)計以及數(shù)據(jù)計算的正確性。為了盡可能地保證數(shù)據(jù)采集的準確性，生理體征采集模塊通過采購大型廠商的OEM模塊實現(xiàn)，該模塊的軟硬件架構(gòu)和前文所提到的設(shè)計基本保持一致。
該OEM模塊符合CE要求的功能安全設(shè)計以及IEC60601族所有心電、體溫監(jiān)測相關(guān)標準，可靠性好、數(shù)據(jù)準確性高。
4.2 Zigbee多節(jié)點下的延時控制和數(shù)據(jù)完整性
實際測試得到生理體征傳感器模塊的數(shù)據(jù)速率為16 384 b/s左右，通過傳感器模塊發(fā)射端CC2430的篩選，可以使每個Zigbee節(jié)點的實際輸入數(shù)據(jù)速率為6 400 b/s左右，而Zigbee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送速率最高為250 kb/s，理論上可以滿足多個生理體征傳感器模塊通過Zigbee節(jié)點接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)以分時復(fù)用的模式與ARM接收端通信。
實驗表明，除了上述數(shù)據(jù)率限制因素，還要加入Zigbee傳輸延時、節(jié)點切換延時。CC2430數(shù)據(jù)篩選處理延時，尤其是切換和處理延時，由于CC2430緩存有限，最高約為1 KB，因此比較合理的節(jié)點個數(shù)在1~4個。如果節(jié)點過多，則節(jié)點數(shù)據(jù)處理延時和節(jié)點切換延時會使得單個節(jié)點的數(shù)據(jù)總延時成倍加大。如果數(shù)據(jù)緩存超過了上限，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整的情況。
當1~4個節(jié)點接入時，每個節(jié)點的數(shù)據(jù)總延時并不大，在100 ms級別，不超過1 s，具有良好的實時性，說明限制節(jié)點個數(shù)的瓶頸為CC2430的緩存上限?？梢缘贸鼋Y(jié)論，控制延時和數(shù)據(jù)完整性主要在于降低數(shù)據(jù)處理延時和節(jié)點切換的延時，通過合理的算法以及數(shù)據(jù)協(xié)議的設(shè)計，可以提升有限緩存空間的使用效率。
另外，實時性的控制必須加入時間戳的方法及時間同步的技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間的相對準確性，也可對于延時進行量化的計算。
4.3 數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)協(xié)議
數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)協(xié)議是整個系統(tǒng)上層通信的關(guān)鍵，Zigbee網(wǎng)絡(luò)帶寬和硬件性能是有限的，因此好的上層數(shù)據(jù)協(xié)議，能夠很好地提升數(shù)據(jù)通信效率，同時方便軟件實現(xiàn)和風格統(tǒng)一。
本設(shè)計實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)以組包的形式傳遞，各接口數(shù)據(jù)包協(xié)議統(tǒng)一設(shè)計為：數(shù)據(jù)包頭+數(shù)據(jù)類型+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)實際內(nèi)容（載荷）+數(shù)據(jù)校驗。這使數(shù)據(jù)協(xié)議的處理能夠統(tǒng)一方法，提升軟件代碼的重用性和效率，加強了數(shù)據(jù)的傳輸效率和準確性。
數(shù)據(jù)融合主要按照分級數(shù)據(jù)篩選的方式進行，每一級都有一套數(shù)據(jù)篩選和重新進行排列組合的規(guī)則和方法，以適應(yīng)不同級之間的傳輸。這能大大降低數(shù)據(jù)傳輸量，提升數(shù)據(jù)的傳輸效率，并且能夠滿足不同的數(shù)據(jù)需求。
4.4 系統(tǒng)裝配
生理體征采集模塊在采集飛行員體征數(shù)據(jù)的同時，對飛行員執(zhí)行任務(wù)的影響要降低到最小，因此，對模塊的體積有很高的要求。傳感器模塊和CC2430要盡可能地貼近，節(jié)省體積，并且使用電池使整個模塊變成一個便攜式設(shè)備。接收模塊也應(yīng)該盡量做到小巧，不影響駕駛艙的設(shè)備擺放和工作。
本文討論的民機駕駛艙人為因素生理體征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，采用目前比較流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式電子技術(shù)，利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將飛行員具有代表性的生理體征數(shù)據(jù)(心電圖、心率、體溫、呼吸率)采集到ARM系統(tǒng)上進行初步處理和篩選，再通過以太網(wǎng)傳給遠程服務(wù)器進行進一步復(fù)雜的分析并儲存。這樣的工作模式對于民機人為因素理論研究具有重要的實踐意義。
系統(tǒng)的最大優(yōu)點是利用物聯(lián)網(wǎng)的成熟技術(shù)實現(xiàn)了生理體征數(shù)據(jù)采集的模塊化設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)采集能力，提升了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和便攜性，同時方便系統(tǒng)的功能擴展，以便開展更多人為因素相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。
系統(tǒng)的下一步改進方向是優(yōu)化各個接口之間的通信協(xié)議，從而更好地改善數(shù)據(jù)融合和傳輸效率，進一步增強擴展性并提升各設(shè)備對象的管理能力，從而接入更多類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
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