基于单片机的智能防溺水背心

期刊目录网智能科学技术论文发表2019-09-04 09:42关注(1)

　　一种智能防溺水背心的设计，采用心率传感器、液位传感器、单片机、蓝牙通讯等物联网技术，通过自主开发的智能手机终端 A P P，将智能穿戴设备中的传感器与在线网络数据库紧密相连，实现佩戴者的心率测量、所在位置确认以及液位测量、溺水预警、自动充气救援等功能。

基于单片机的智能防溺水背心

　　关键词：单片机;智能工具;传感器;蓝牙技术;救援装置;

　　中国卫生部发表的数字显示 , 全国每年有57 000 人溺水死亡 , 其中 0 岁～ 14 岁儿童占56. 58 %。[1] 研究发现，目前市场中较为热销的游泳辅助设备存在一些问题，诸如使用及操作不便、部分智能工具相对单一且封闭，尚不形成完整系统，缺乏线上线下交互，无法有效利用线下收集信息的价值。本文介绍一种基于云技术的智能防溺水背心，其利用智能传感、单片机、蓝牙通讯等多种有关物联网感知、传输与应用处理领域的关键技术，融合智能手机终端软件与云技术实现判断人体状态、水流情况以及自动救援等功能。

　　1 概述

　　智能防溺水背心主要包括救生背心以及附设的防水袋。其中，救生背心内设有心率传感器、液位传感器，防水袋内部设有控制板以及无线通讯模块。同时，防水袋的上部设有自动放气装置，控制板上的芯片处理器与无线通讯模块、心率传感器、液位传感器之间均通过信号线连接，经无线通讯模块连接手机 APP。防溺水背心结构简单、设计合理，通过液位和心率数据自动判断溺水状态并报警，同时自动充气，为溺水者提供足够的浮力，便于自救。

　　2 架构方案

　　智能防溺水背心利用液位传感器模块和心率传感器模块对人体体征进行测量，采用 STM32 单片机对体征测量模块进行控制。图 1 为智能防溺水背心实物。体征测量模块测得数据经 STM32 单片机处理后通过蓝牙模块上传至手机 APP。手机 APP 可实时刷新显示穿戴者心率值及所处液位[4]。与此同时，心率数据和液位数据经模糊算法处理后，由 STM32 单片机判定穿戴者是否处于溺水状态，若判定处于溺水状态，则启动通过 STM32 单片机控制的自动充气装置对智能防溺水背心进行充气，将人体头部承托出水面。同时，启动通过单片机控制的蜂鸣器报警装置和位于手机 APP 上的报警装置，警示穿戴者溺水，以便及时获得后续救援。

　　2.1 心率测量系统

　　当人体落水后，心率会发生加速或减慢的紊乱现象。传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取;二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率;三是光电容积法。前两种方法提取信号都会限制使用者的活动，如果长时间使用会增加人体生理和心理上的不舒适感。光电容积法脉搏测量作为穿戴设备中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同进行脉搏和血氧饱和度测量，其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成。光源一般采用对动脉血中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白有选择性的特定波长的发光二极管(一般选用 660 nm 附近的红光和 900 nm 附近的红外光)。当光束透过人体外周血管，动脉搏动充血容积变化导致透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也呈现周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

　　使用者将心率传感器通过救生衣贴于胸口，即可使用单片机通过硬件 I2C 或者模拟 I2C 接口读取心率值，当心率值持续低于或高于设定的正常范围，单片机发出指令，手机 APP 开始警报。当心率不正常且液位异常时，单片机直接开启充气装置基于单片机的智能防溺水背心

　　2.2 液位测量系统

　　液位测量系统采用投入式液位传感器输出数字信号至 STM32 单片机进行运算处理。液位传感器采用不锈钢隔离膜片的 oem 感压传感器作为信号测量元件，经过计算机自动测试，用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和灵敏度温度补偿。放大电路位于不锈钢壳体内，将传感器信号转换为标准输出信号，其抗干扰，温度漂移小，稳定性高，具有较高的测量精度，能精准测量泳池及其他水环境的液位。

　　当传感器投入到液体的某一深度时，被测介质的压力引入传感器正压腔，减去地面附近的平均大气压，以抵消传感器正面的 P0，使传感器测得压力 Pgh，显然，通过测取压力 P, 可以得到液位深度。

　　当达到设定水位深度的阈值时，液位传感器传递给单片机一个电压信号，配合心率传感器的心率值判断是否溺水，以便单片机直接输出指令驱动舵机打开充气装置。液位值通过单片机的蓝牙模块，上传至手机 APP, 岸上的监护人可时刻监控游泳者的状态 [5]。

　　2.3 自动充气装置

　　为自动充气装置示意图。图中，自动放气装置位于防水袋中，采用微型二氧化碳气体压缩瓶，放气口通过输气管连接救生背心的充气口，微型二氧化碳气体压缩瓶连接二氧化碳快速充气嘴，快速充气嘴连接舵机，舵机由 STM32 单片机控制。当判定穿戴者溺水，单片机控制舵机转动，舵机带动二氧化碳快速充气嘴转动开启微型二氧化碳气体压缩瓶，在 2 s 内将气体通过输气管充入救生背心中。

　　2.4 防水设计

　　设计采用的救生背心和防水袋本身具有防水功能，控制电路及自动充气装置均位于防水袋内，需要处理的防水部位为防水袋与救生背心之间的连接部分即输气管及接口位置。对于接口位置的处理，采用防水胶进行黏贴，并在防水胶外层用热熔胶枪进行了密封处理，达到防水效果。对于输气管，采用了柔韧度及防水性较好的 PC 软管，能够在快速传输气体的同时保证整个设计的密封性能。

　　2.5 监护助手APP

　　系统 APP 设计与开发选用 APP inventor2 平台。APP inventor 是一款可视化编程工具，也是一种基于 Web 图形的用户界面设计工具，分为 UI 设计界面和逻辑界面。UI 设计界面中设计 APP 组件排列组合，逻辑界面可进行逻辑功能的编程 [6]。图 4 为 APP 功能逻辑显示，主要设计功能为：个性化心率液位设置、实时心率液位显示报警、一键救援。

　　1)个性化心率液位设置功能

　　其目的是根据个人的体质年龄不同来实现个性化自动救援报警。逻辑设计：将单片机蓝牙模块设计为服务端，手机蓝牙设计为客户端，打开 APP 连接蓝牙之后，点击“心率设置”或“液位设置”，向单片机系统发送设置指令，通过文本框输入个人正常心率和最佳液位值并将其数据发送给单片机系统，使其根据个人心率及液位不同以实现自动救援功能。

　　2)实时心率液位显示报警功能

　　其目的是监护者可实时监护游泳者的身体状况，以便于紧急处理危险状况。逻辑设计：连接蓝牙后，手机作为蓝牙客户端，以 0.1 ms 的数据刷新率实时接收单片机蓝牙模块发来的数据，显示在 APP 的文本框，便于监护者了解游泳者生理状态。当单片机发送的心率液位信息出现异常并超出正常值范围，可向 APP 发送“help”文本数据，触发 APP 报警系统，以响铃和震动的方式提醒监护者注意游泳者安全状

　　3 结语

　　智能防溺水背心通过液位传感器和心率传感器实时记录数据，处理器通过模糊算法对液位传感器和心率传感器传来的数据进行处理，从而检测穿戴者的运动状态，并通过无线通讯模块与手机 APP 连接，实时传送监测数据。当处理器检测到异常或者接收到来自手机的救援信号时，处理器自动驱使舵机对气囊充气，实现对溺水者的救援。通过软硬件的调试，智能防溺水背心已经实现以上功能，经过真人实验已确认能够起到防溺水的作用，在一定程度上实现了防溺水设备的智能化，自动化。通过软硬件的结合，智能防溺水背心解决了溺水的报警和救援问题，最大程度上保证了穿戴者的安全。

　　参考文献：

　　[1]唐国宪,赵少雄,杨烨.游泳意外溺水事故原因探析[J].

　　邵阳学院学报 (自然科学版),2007,(04):115-118.

　　[2]温培钧.中国水上救生现状分析及对策建议[J].军事体

　　育进修学院学报,2013,32(02):67-70.

　　[3]徐丹霞,李银清,刘思清,等.由救生系统出发看水域救生新思路[J].科技视界,2016 (24):77-78.

　　[4] 王静.基于单片机的数据串口通信[D].武汉:长江大

　　学,2013.

　　[5]汪吉鹏, 马云峰.微机原理与接口技术[M].北京:高等

　　教育出版社,2001.

　　[6]姚放吾.嵌入式系统的硬件/软件协同设计[J].微计算机信息, 2001,17(3) :1-3.

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