基于單片機的智能防溺水背心

來源：職稱閣分類：電子論文 時間：2019-08-28 13:59熱度：

　　一種智能防溺水背心的設計，采用心率傳感器、液位傳感器、單片機、藍牙通訊等物聯網技術，通過自主開發的智能手機終端 A P P，將智能穿戴設備中的傳感器與在線網絡數據庫緊密相連，實現佩戴者的心率測量、所在位置確認以及液位測量、溺水預警、自動充氣救援等功能。

　　關鍵詞 ：單片機;智能工具;傳感器;藍牙技術;救援裝置;

　　中國衛生部發表的數字顯示 , 全國每年有57 000 人溺水死亡 , 其中 0 歲～ 14 歲兒童占56. 58 %。[1] 研究發現，目前市場中較為熱銷的游泳輔助設備存在一些問題，諸如使用及操作不便、部分智能工具相對單一且封閉，尚不形成完整系統，缺乏線上線下交互，無法有效利用線下收集信息的價值 [2]。本文介紹一種基于云技術的智能防溺水背心，其利用智能傳感、單片機、藍牙通訊等多種有關物聯網感知、傳輸與應用處理領域的關鍵技術，融合智能手機終端軟件與云技術實現判斷人體狀態、水流情況以及自動救援等功能 [3]。

　　1 概述

　　智能防溺水背心主要包括救生背心以及附設的防水袋。其中，救生背心內設有心率傳感器、液位傳感器，防水袋內部設有控制板以及無線通訊模塊。同時，防水袋的上部設有自動放氣裝置，控制板上的芯片處理器與無線通訊模塊、心率傳感器、液位傳感器之間均通過信號線連接，經無線通訊模塊連接手機 APP。防溺水背心結構簡單、設計合理，通過液位和心率數據自動判斷溺水狀態并報警，同時自動充氣，為

　　溺水者提供足夠的浮力，便于自救。

　　2 架構方案

　　智 能防溺水背心利用液位傳感器模塊和心率傳感器模塊對人體體征進行測量，采用 STM32 單片機對體征測量模塊進行控制。圖 1 為智能防溺水背心實物。

　　體征測量模塊測得數據經 STM32 單片機處理后通過藍牙模塊上傳至手機 APP。手機 APP 可實時刷新顯示穿戴者心率值及所處液位[4]。與此同時，心率數據和液位數據經模糊算法處理后，由 STM32 單片機判定穿戴者是否處于溺水狀態，若判定處于溺水狀態，則啟動通

　　過 STM32 單片機控制的自動充氣裝置對智能防溺水背心進行充氣，將人體頭部承托出水面。同時，啟動通過單片機控制的蜂鳴器報警裝置和位于手機 APP 上的報警裝置，警示穿戴者溺水，以便及時獲得后續救援。

　　2.1 心率測量系統

　　當人體落水后，心率會發生加速或減慢的紊亂現象。傳統的脈搏測量方法主要有三種：一是從心電信號中提取;二是從測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算脈率;三是光電容積法。前兩種方法提取信號都會限制使用者的活動，如果長時間使用會增加人體生理和心理上的不舒適感。光電容積法脈搏測量作為穿戴設備中最普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同進行脈搏和血氧飽和度測量，其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成。光源一般采用對動脈血中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白有選擇性的特定波長的發光二極管(一般選用 660 nm 附近的紅光和 900 nm 附近的紅外光)。當光束透過人體外周血管，動脈搏動充血容積變化導致透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也呈現周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

　　使用者將心率傳感器通過救生衣貼于胸口，即可使用單片機通過硬件 I2C 或者模擬 I2C 接口讀取心率值，當心率值持續低于或高于設定的正常范圍，單片機發出指令，手機 APP 開始警報。當心率不正常且液位異常時，單片機直接開啟充氣裝置

　　2.2 液位測量系統

　　液位測量系統采用投入式液位傳感器輸出數字信號至 STM32 單片機進行運算處理。液位傳感器采用不銹鋼隔離膜片的 oem 感壓傳感器作為信號測量元件，經過計算機自動測試，用激光調阻工藝進行了寬溫度范圍的零點和靈敏度溫度補償。放大電路位于不銹鋼殼體內，將傳感器信號轉換為標準輸出信號，其抗干擾，溫度漂移小，穩定性高，具有較高的測量精度，能精準測量泳池及其他水環境的液位。

　　當傳感器投入到液體的某一深度時，被測介質的壓力引入傳感器正壓腔，減去地面附近的平均大氣壓，以抵消傳感器正面的 P0，使傳感器測得壓力 Pgh，顯然，通過測取壓力 P, 可以得到液位深度。

　　當達到設定水位深度的閾值時，液位傳感器傳遞給單片機一個電壓信號，配合心率傳感器的心率值判斷是否溺水，以便單片機直接輸出指令驅動舵機打開充氣裝置。液位值通過單片機的藍牙模塊，上傳至手機 APP, 岸上的監護人可時刻監控游泳者的狀態 [5]。

　　2.3 自動充氣裝置

　　為自動充氣裝置示意圖。圖中，自動放氣裝置位于防水袋中，采用微型二氧化碳氣體壓縮瓶，放氣口通過輸氣管連接救生背心的充氣口，微型二氧化碳氣體壓縮瓶連接二氧化碳快速充氣嘴，快速充氣嘴連接舵機，舵機由 STM32 單片機控制。當判定穿戴者溺水，單片機控制舵機轉動，舵機帶動二氧化碳快速充氣嘴轉動開啟微型二氧化碳氣體壓縮瓶，在 2 s 內將氣體通過輸氣管充入救生背心中。

　　況。

　　3)一鍵救援功能

　　其目的是當監護者目測游泳者處于危險狀況或者根據數據自主判斷有危險情況時，可遠程遙控系統打開救生衣氣囊系統。

　　2.4 防水設計

　　設計采用的救生背心和防水袋本身具有防水功能，控制電路及自動充氣裝置均位于防水袋內，需要處理的防水部位為防水袋與救生背心之間的連接部分即輸氣管及接口位置。對于接口位置的處理，采用防水膠進行黏貼，并在防水膠外層用熱熔膠槍進行了密封處理，達到防水效果。對于輸氣管，采用了柔韌度及防水性較好的 PC 軟管，能夠在快速傳輸氣體的同時保證整個設計的密封性能。

　　2.5 監護助手APP

　　系統 APP 設計與開發選用 APP inventor2 平臺。APP inventor 是一款可視化編程工具，也是一種基于 Web 圖形的用戶界面設計工具，分為 UI 設計界面和邏輯界面。UI 設計界面中設計 APP 組件排列組合，邏輯界面可進行邏輯功能的編程 [6]。圖 4 為 APP 功能邏輯顯示，主要設計功能為：個性化心率液位設置、實時心率液位顯示報警、一鍵救援。

　　1)個性化心率液位設置功能

　　其目的是根據個人的體質年齡不同來實現個性化自動救援報警。邏輯設計：將單片機藍牙模塊設計為服務端，手機藍牙設計為客戶端，打開 APP 連接藍牙之后，點擊“心率設置”或“液位設置”，向單片機系統發送設置指令，通過文本框輸入個人正常心率和最佳液位值并將其數據發送給單片機系統，使其根據個人心率及液位不同以實現自動救援功能。

　　2)實時心率液位顯示報警功能

　　其目的是監護者可實時監護游泳者的身體狀況，以便于緊急處理危險狀況。邏輯設計：連接藍牙后，手機作為藍牙客戶端，以 0.1 ms 的數據刷新率實時接收單片機藍牙模塊發來的數據，顯示在 APP 的文本框，便于監護者了解游泳者生理狀態。當單片機發送的心率液位信息出現異常并超出正常值范圍，可向 APP 發送“help”文本數據，觸發 APP 報警系統，以響鈴和震動的方式提醒監護者注意游泳者安全狀

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