民机驾驶舱人为因素生理体征数据采集系统设计

摘  要： 提出了基于物联网技术的一种生理体征数据便携式采集系统。该系统通过传感器网络和嵌入式系统，将体征数据实时采集并传输到远程进行分析处理。系统主要由生理体征采集模块、ARM接收模块、远程数据分析服务器组成。系统充分体现了模块化的设计理念，配合高效的数据协议，使得系统可靠性高、稳定性强、扩展性好，对于民机驾驶舱人为因素研究是一种崭新的探索。
关键词： 民机人为因素；物联网；Zigbee；ARM；数据协议
   
     统计资料表明，随着飞机设计技术的突飞猛进，在各类民航客机事故原因中，机械电子设备故障所占的比例越来越低，而机组人员人为因素所占比例越来越高。因此，针对机组人员人为因素的研究将是未来人机工程的主要趋势，这对于降低民航飞机事故率、优化驾驶舱设计、改善航空电子设备以及提升飞行员工作方式和效率有重要意义。
     人为因素的研究主要以飞行员的任务对象为核心，由飞行员、驾驶舱布局、环境、电子设备以及相互之间的关系等多种复杂因素组成。飞行员执行任务时的状态指标、尤其是人体生理体征数据是反映飞行员人为因素的重要特征。因此，对于这些数据的采集是研究飞行员人为因素的第一步。
     飞行员的主要生理体征数据有：心电、体温、心率、呼吸率、血氧、脑电波、肌肉骨骼状态等。测量过程中应对飞行员任务操作的影响降低到最低，而脑电波和肌肉骨骼的测量通常需要额外复杂的设备和操作，对飞行员影响较大，通常以图像的方式进行辅助识别。另外血氧值数据在人体没有发生重大生理变化时一般保持不变。因此，心电、体温、心率、呼吸率数据足以反映一名飞行员的生理体征，且随着电子技术和物联网技术的发展，对这些数据的便携采集在技术上也是可行的。
1 系统架构
     基于物联网技术的数据采集和传输系统如图1所示。主要由三部分组成：生理体征数据采集模块、本地接收模块及远程分析处理服务器。系统采用模块化设计，使得提取、采集、传输、分析各个功能在逻辑和应用上分开，降低了不必要的冗余性，增强了整个系统的扩展性和可维护性，使设计更加简单。
   
       生理体征数据采集模块和本地接收模块之间采用无线传感器网络。采集模块将生理体征数据通过无线传感器网络发送到本地接收模块，通过初步处理之后，本地接收模块再将简单处理过的数据通过以太网络传递到远程服务器，做进一步复杂的数据分析、显示和数据库保存。无线传感器网络采用星型无线网络拓扑结构，采集模块充当终端设备，由一个到多个，本地接收模块作为网络调谐器或者网络路由器，是整个无线传感器网络的中心。
2 硬件设计
     出于对数据流量带宽以及性价比的考虑，无线传感器网络采用低功耗、中低速、技术比较成熟的Zigbee网络搭建，而采集模块和接收模块都采用基于ARM的嵌入式系统。前者任务简单，使用ARM7，而后者要进行多任务操作，所以使用性能相对较强的ARM9。生理体征传感器主要使用心电传感器和体温传感器，提供心电波、心率、体温、呼吸率的数据。接收模块和远程服务器采用基于TCP/IP的以太网进行通信。数据库服务器采用普通PC或者高性能的服务器。
2.1 采集模块硬件组成
     生理体征数据采集模块主要由生理体征传感器、ATMEL ARM7 AT91SAM7X256微处理器、AD、SRAM、采集导联及其接口、CC2430模块、天线和电池组成，见图2。
   
       通过接在飞行员身体的导联线，可以实现便携采集体征数据而不影响飞行员工作。其中，CC2430是一款单个芯片上整合ZigBee射频(RF)前端、8 KB SRAM、128 KB Flash和8051微控制器的SoC片上系统，适用于各种ZigBee节点，包括调谐器、路由器和终端设备。CC2430作为一个外设连接到采集模块的ARM7处理器上，通过UART串口输入体征数据，再通过数据融合、数据打包发送出去。该模块特点有：体积小、重量轻、便于便携测量；模块同时实现7通道ECG心电数据、1通道心率数据、1通道RESP呼吸率、2通道体温数据的监测；稳定性好、精度高、符合CE要求的功能安全设计，符合IEC60601族所有心电、体温监测相关标准；支持多节点，中低速率的低功耗网络传输功能，最高可达250 kb/s，可以接入多个采集模块；单电源5 V工作，低功耗设计，体征传感器模块的功耗为0.6 W，CC2430模块的功耗为0.125 W左右。