基于STM32和物聯網技術的智能游泳衛士

叢高翔 馬天洋 羅明軒 鄭梓文 曾鵬輝 賈曉強

摘要：針對現在社會上缺少智能游泳救生裝備的問題，該文設計了一款基于STM32和物聯網技術的智能防溺水呼救護腕——智能游泳衛士。智能游泳衛士可以通過佩戴者的心率、血氧含量、位置、所處環境濕度等信息進行綜合測定與判斷，當檢測到佩戴者的生命體征等信息開始出現不正常的波動或存在向溺水狀態靠近時，裝置需要立刻將信息向手機客戶端發送預警信號。此外智能游泳衛士還配有北斗GPS定位模塊，用戶家人或親屬可以第一時間通過手機App查看使用這兒的位置信息，從而最大限度地減少溺水帶來的意外事故。

關鍵詞： STM32; 物聯網技術; 北斗GPS定位;游泳救生; 溺水事故

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0065-02

1 引言

據世界衛生組織統計，占1～14歲兒童意外死亡的前五大原因之一是游泳溺水死亡[1]。每年有3萬名左右的兒童死于溺水事故，溺水死亡占0～14歲兒童少年意外死亡的六成之多[2]。傳統的救生設備如救生背心和救生圈等，在救援時較為笨拙且不能及時的發現溺水者，沒有智能化的救援設備也間接的造成溺水事故的頻繁發生[3]。基于STM32和物聯網技術的智能游泳呼救護腕（智能游泳衛士）能有效地解決溺水發現不及時的問題，對智能游泳救生領域的發展具有積極的推動作用。

2 智能游泳衛士的設計思路

智能游泳衛士的系統設計遵循物聯網架構[4]，整個系統共分為感知層、傳輸層和應用層三個基本層構成。具體的傳感器和服務器由智能游泳衛士的系統設計連接圖如圖1所示，每層的設計思路如下。

2.1 智能游泳衛士的感知層

硬件感知層采用 STM32F103C8T6單片機為控制核心[5]，運用北斗GPS 定位模塊，GPRS 數據傳輸模塊，心率測量傳感器，脈搏傳感器和九軸姿態傳感器等相關監測人體生理狀況的傳感器設備，可以大大提高溺水者的位置信息的精確度。

2.2 智能游泳衛士的傳輸層

傳輸層搭建MQTT Broker[6]，作為消息的中轉保證信息的安全。通過訂閱 GPRS推送上的Basic Data并進行處理。然后，通過MySql Connector將數據存儲進MySql數據庫，用作存儲備份。當手機客戶端請求數據時，將Basic Data 與 Processed Data再遞交到Client service ，通過前端頁面來展現所有數據。用戶界面有更直觀的圖標與更清晰的數據，給用戶更直觀的變化。用戶還可以查看歷史數據，做出相應的預測。

2.3 智能游泳衛士的傳應用層

智能游泳衛士的App 使用 uni-app前端應用的框架[7]，可發布到iOS、Android、H5、以及各種小程序（微信、頭條、QQ、釘釘）等多個平臺。App的頁面文件遵循Vue單文件組件 （SFC）規范，數據綁定和事件處理遵循 Vue.js 規范[8]。系統還優化了多端運行、編譯速度和運行性能等問題。

3 智能游泳衛士的系統實現

3.1 PCB設計與實現

為了使設計核心可以適用于游泳手環，本文將所有硬件感知模塊繪制到PCB電路板上，可以避免不必要的空間浪費。針對PCB的繪制，本文對傳感器進行封裝，如圖2所示，在完成器件的封裝后，根據對應的連接進行布局，為了盡量減小空間占用，將成品的傳感器繪制重疊起來，這樣可以減小板子的面積，在進行焊接時，可以直接將傳感器焊接到核心電路板上。

3.2 STM32F103最小系統算法設計

STM32F103主控核心板的算法設計流程如圖3所示，九軸姿態傳感器、GPS模塊、心率血氧模塊、人體溫度模塊均有核心板STM32F103C8T6控制，經過綜合數據處理后判斷使用者是否有溺水的情況發生，如果有那么就會彈出手環的安全氣囊。

3.3 智能游泳衛士手機App

為了給用戶提供更好的體驗，智能游泳衛士的手機客戶端設計選用vscode開發工具，在技術上運用 echarts與vant進行設計[9]。用戶下載并注冊信息后，可以實時地查看自己游泳時的心率，血氧含量，運動速率和查看歷史記錄等功能。此外，手機App還能通過北斗GPS實時定位使用者的地理位置信息，如果不幸發生意外可以找到位置并給予救援。

4 結論

智能游泳衛士具有便捷性、實時性、準確性等特點，切合實際地解決了目前溺水發現不及時的問題，能夠有效地減少溺水事故的發生。智能游泳救生設備的實現，解決了目前市場上傳感器和游泳設備相結合的空缺，具有良好的社會價值，可廣泛地運用于各地游泳館、海水浴場和方塘水庫等多種溺水事故頻發地段。

參考文獻：

[1] 上海市疾病預防控制中心.夏季兒童溺水高發，防范意識不能少[J].生命與災害，2019（8）：20-21.

[2] World Health Organization. Global report on drowning： preventing a leading killer[R]. Geneva： World Health Organization，2014.

[3] 孫永泉.可穿戴救生裝置開發及浴場智能救生系統設計[D].秦皇島：燕山大學，2019.

[4] 官國飛，宋慶武，張萬生，等.基于邊緣計算與強化學習的配電物聯網體系架構研究與應用[J].機械與電子，2020，38（7）：14-22.

[5] 李國瀧，楊開建，程雙鈺，等.基于STM32的脈搏信號監測系統設計[J].電子制作，2020（11）：23-25.

[6] 趙政，王彥冰.基于MQTT協議的遠程管理智能化Android系統設計與實現[J].科學技術創新，2020（22）：100-102.

[7] 肖文娟，王加勝.基于Vue和Spring Boot的校園記錄管理Web App的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2020，37（4）：25-30，88.

[8] 吳志霞，葉根梅，甘麗，等.基于Vue.js框架實現移動終端數據可視化研究與實踐[J].通化師范學院學報，2020，41（6）：62-66.

[9] 韓洪勇，冉春晴，陳碩.基于Echarts和Flask的數據可視化系統[J].中國新通信，2020，22（12）：59.

【通聯編輯：代影】