防溺水游泳圈的設計

張以涵 羅磊 王學忠

摘要：該文介紹了一種基于MSP430F249、GR-87定位芯片、SIM900短信模塊為核心的防溺水游泳圈。該游泳圈是一種項型結構，套在游泳者的脖子上，兩側還設有能自動充氣的安全氣囊裝置，當遇到危險時能一鍵啟動報警系統，發出聲光報警信號、打開安全氣囊以保證游泳者的頭部垂直朝上，同時發出求救短信和地理位置信息等。實驗表明，該產品結構設計合理、操作方便、性能穩定、工作可靠，具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：游泳圈；GPS；MSP430F249；GPRS

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0254-03

Abstract： This paper introduces an anti-drowning swimming ring based on MSP430F249， GR-87 positioning chip and SIM900 short message module. The swimming ring is a neck-shaped structure， which is set around the swimmer's neck and is equipped with an automatic inflatable airbag device on both sides. When in danger， it can start the alarm system with one key， send out sound and light alarm signals， open the airbag to ensure that the swimmer's head is vertical upward， and send out short messages for help and geographical position messages and so on. Experiments show that the product is reasonable in structure design， convenient in operation， stable in performance， reliable in work， and has broad market prospects.

Key words： swimming ring； GPS；MSP430F249； GPRS

1 背景

每到夏季，酷暑難忍，人們想到的最佳解暑娛樂方式——游泳，然而每年夏天因游泳溺亡的事故時有發生，主要原因：一是游泳者對所游泳的水域環境不熟悉，又沒有使用游泳圈等安全保護措施（主要是嫌傳統游泳圈使用不方便），誤入深水區而導致死亡；二是使用了游泳圈，因游泳圈的質量等問題而導致溺水又沒有得到及時的救援而死亡等。該文設計的一款具有GSM 短信遠程報警功能的防溺水游泳圈，該設計具有使用方便、設計巧妙，結構設計充分考慮到使用的性安全和舒適性，具有穩定的工作狀態、制作的成本較低等特點，市場開發的空間較大。

2 防溺水游泳圈的原理

該游泳圈是一種主要采用內置壓力感應器的游泳安全工具，該壓力感應器具有價格低廉、靈敏度高、反應速度快，非常適合運用在普通泳圈上。該產品可設計成一個圓形，直徑約22毫米的圈，游泳者可把它戴在頸脖子上，該游泳圈兩側設計有能夠充氣的氣囊，能夠保證游泳者的人身安全。當游泳者遇到危險按下報警按鈕是，能自動打開安全氣囊，讓用戶的頭部始終保持垂直于水面上，以保證他們的安全，其原理就是正常游泳時，氣囊內沒有氣體，當遇到危險時，打開充氣閥門開關，瞬間充滿氣體，以確保游泳者頭部不被水淹沒，還能正常的呼吸；同時也打開聲、光和短信報警系統，通知岸上人員進行施救。

3 硬件設計

基于MSP430的GSM/GPRS防溺水游泳圈是以TI的MSP430f249控制芯片作為系統的主控制單元[1]，外配有32768Hz，8MHz兩個晶體構成的時鐘系統、復位單元模塊、按鍵輸入、LED閃爍報警、蜂鳴器報警模塊、GPS模塊、GSM/GPRS模塊電路等構成微控制系統；MSP430f249通報警按鈕感知游泳者的安全狀況，以LED燈、蜂鳴器、GPS和GSM/GPRS模塊為控制對象；實現異常情況報警，MSP430F249通過通用串口與GPRS模塊SIM900 進行信息交換。系統總體結構如圖1所示。

3.1 主控單元電路設計

MSP430f249芯片是整個防溺水游泳圈整個設計的核心部分，MSP430控制芯片是一種能把功耗設計很低的、16位的RISC指令集、模數信號融合的處理器[2]，系統工作非常穩定，有多個時鐘系統，包括輔助時鐘系統（ACLK）、主時鐘系統（MCLK）、子系統時鐘（SMCLK）和內部數字控制時鐘（DCO_CLK），并且具有當OSC外圍模塊在用作CPU的MCLK信號發生錯誤的信號時，DCO_CLK會自行開啟工作，以保證系統能夠正常運行。工作效率高，一個時鐘周期就可以執行一條指令，采用矢量中斷，支持多個中斷源，工作電壓低，一般采用1.8～3.6V，工作頻率最高可達16MHz，片內含有豐富的外圍結構（如WDT看門狗電路、16定時電路、模擬信號轉換成數字信號的ADC電路和數字信號轉換成模擬信號的DAC電路、DMA直接存儲訪問、USCI等），采取Flash結構的ROM，具有JTAG口，開發調試十分方面。主控電路原理圖如圖2所示。圖中的D9、D10是兩個LED指示燈電路，D9是用來指示GPS的接收狀況、D10用來指示GPRS的數據發送狀況。

3.2 聲光報警電路

該設計中有兩個按鍵，分別是緊急報警按鍵K2和取消報警按鍵（復位按鍵）K1。當按鍵緊急報警按鍵K2時，一方面自動打開項圈游泳圈的兩側安全氣囊，使用戶的頭部始終保持在水面以上，以保證他們的生命安全；另一方面打開聲光報警系統，并向岸上的親人發送求救信號和位置信息，以便獲得及時的救助。

圖4為蜂鳴器報警電路。電路采用低電平驅動的方式，這樣不管使用哪個端口都可以，且驅動電流都足以使晶體管輸出飽和，達到報警的功能。另外，在三極管Q1的B極與E極之間串入阻值3K的電阻R11，為的是讓Q1管從導通到閉合時產生一個釋放BE之間的載流子的通道，以達到加速切換，防止拖音的目的。

3.3 GPS模塊電路

GPRS是General Packet Radio Service第一個字母的簡寫，它也是GSM移動電話數據交換的一種[6-7]。我們習慣上叫第2.5代移動數據交換技術。GPRS是GSM數據傳輸的延續，數據通常采用分組發送和分組接收的方式，具有訪問速度快，能充分利用網絡資源，利用率遠高于GSM。GPRS/GSM的模塊也很多，有西門子公司的TC35i系列、SIMCOM公司的SIM300、SIM900等。該系統中采用的是SIM900芯片。具體單元電路如圖6所示，主要包括SIM900的芯片硬件工作開啟電路、SIM900工作狀況指示電路、SIM卡與MSP430F249的接口等。GPRS模塊SIM900硬件啟動部分是有NE555組成的施密特觸發器、Q2晶體管，NE555的第7端口DIS與單片機的P1.5引腳相連，當單片機產生的觸發信號后，通過啟動電路將產生約1.5秒低電平延時信號PWR加到SIM900的PWRKEY引腳，啟動GPRS模塊工作。

圖3中的Q3、R15～R17、LED等D11構成GPRS模塊的工作狀態指示電路，當GPRS正常工作時，從SIM_STATUS端發出信號控制LED指示燈D11以便觀察SIM900模塊是否登錄網絡。SIM卡主要通過RST、CLK、I/O端口與SIM900模塊的SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA管腳相連。

4 軟件設計

4.1 整體設計方案

整個設計的軟件部分包括單片機的初始化、GPS單元GR-87的數據采集和分析、相關求救信號與定位數據的GPRS（SIM900）網絡發送等。根據該系統防溺水游泳圈主要要實現的功能，設計軟件方案的整體程序流程圖7所示：

4.2 AT指令集

當MCU主控芯片MSP430F249與SIM900的波特率設置為一致的時候，MSP430F249單片機通過SIM900模塊的AT指令來執行收發短信、發送地理位置等報警信息。該系統可設置單片機MSP430F249與SIM900模塊的波特率為9600bps。GPRS與MSP430F249芯片之間的許可協議就是一些AT指示命令，該指示命令的格式是用AT字符開始，結尾是結束字符串，中間是AT所要傳送的數據，每條指令語句發送結束都有一個返回值，對一些特殊的非預期的信息，GPRS（SIM900）將會給出一些提示，以便終端做出正確的分析。AT指令比較多達上百條，如AT+CMGR接收短信息、AT+CMGS為短信的發送等，具體情況可查看SIM900的常用指令手冊。

5 結論

該文提出并實現了一個基于MSP430F249芯片的防溺水游泳圈。該游泳圈具有遇到危險時，能夠一鍵啟動報警系統，并發出響亮的報警聲音，兩側的高亮度LED發光二極管不停閃爍；同時打開頸部兩側的安全氣囊，以保證使用者的頭部一直垂直于水面上，防止溺水。該裝置還具有GPS定位功能、短信報警以及發送地理位置的功能，以便得到岸上人員的及時救助。經過實驗證明，該系統操作簡單、安全可靠，遇到危險時能夠及時啟動報警系統，發出報警聲、發出求救短信和地理位置信息、打開安全氣囊，并且結構設計合理，功耗較低，耐用可靠，產品的市場開發的空間較大。

參考文獻：

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[2] 沈建華， 楊艷琴. MSP430超低功耗單片機原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社，2015.

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[5] 馬蘭， 袁衛. 基于GPS 的數據采集系統設計[J]. 現在電子技術， 2010（15）： 61-63.

[6] 薛慶吉， 周國運. 基于GSM/GPRS網絡遠程無線控制系統應用研究[J]. 福建電腦， 2008（3）： 17-18.

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【通聯編輯：謝媛媛】