一種基于STM32 單片機(jī)的水下智能自救系統(tǒng)

孫繼魯，盛虎，姜程斌，趙志珍，張漢林，王帥

（大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，遼寧大連，116028）

0 引言

青少年的生命安全問(wèn)題一直是社會(huì)熱點(diǎn)，尤其溺水死亡的情況頻繁發(fā)生，每年夏天的沿海城市有近十億人次的旅客流量，每年因海邊度假溺亡的人不計(jì)其數(shù)。救生衣是解決溺水問(wèn)題的一種有效方式，救生衣的樣式和功能隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了很大改進(jìn)。在國(guó)外，救生衣起源于二戰(zhàn)時(shí)期，它的研發(fā)大大提升了海上救援的速度和效率。此后，對(duì)水下救生裝置不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)、材料等方面不斷更新，部分救生衣配備了定位、供氧等功能。

針對(duì)現(xiàn)有救生衣體積大影響游泳體驗(yàn)，而且充氣裝置大多采用手動(dòng)觸發(fā)方式，無(wú)法對(duì)溺水人員及時(shí)起到保護(hù)作用的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)一種基于STM32 單片機(jī)的水下智能自救系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)溺水識(shí)別裝置判斷是否發(fā)生溺水情況，在特定情況下觸發(fā)充氣裝置，使臂環(huán)充氣，保障用戶的生命安全。在臂環(huán)上方還有手動(dòng)觸發(fā)裝置和遙控觸發(fā)裝置，用戶可拔下保險(xiǎn)銷來(lái)觸發(fā)裝置；青少年使用者還可由家長(zhǎng)使用遙控器，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)遙控觸發(fā)裝置，全方面防止意外發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)控制模塊、溺水識(shí)別裝置、二氧化碳充氣裝置和遙控裝置四部分組成。系統(tǒng)由鋰電池供電，STM32單片機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)信息處理和其它模塊的控制；溺水識(shí)別裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)游泳人的生理特征；二氧化碳充氣裝置可以快速釋放大量二氧化碳，使臂環(huán)迅速充氣；遙控裝置實(shí)現(xiàn)充氣裝置的遠(yuǎn)程觸發(fā)。圖1 為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)各模塊功能

（1）溺水識(shí)別裝置佩戴在手腕上，采用呼吸血氧傳感器檢測(cè)血氧和心率參數(shù)，采用水壓傳感器檢測(cè)液位，將采集到的水壓和生理參數(shù)傳送給STM32 單片機(jī)控制模塊。

（2）STM32 單片機(jī)控制模塊接收溺水自動(dòng)識(shí)別裝置發(fā)送的信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理和分析，如果判斷為溺水情況發(fā)生，則發(fā)送“啟動(dòng)”信號(hào)給二氧化碳充氣裝置。STM32 單片機(jī)控制模塊同時(shí)接收遙控裝置發(fā)送的無(wú)線信號(hào)，與遙控裝置進(jìn)行通信。

（3）二氧化碳充氣裝置佩戴在一側(cè)大臂上，用于接收STM32 單片機(jī)控制模塊的控制信號(hào)，當(dāng)接收到“啟動(dòng)”信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)充氣裝置快速釋放大量二氧化碳。

（4）遙控裝置接收STM32 單片機(jī)控制模塊發(fā)送的溺水提示信號(hào)，根據(jù)溺水提示信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)情況，遠(yuǎn)程觸發(fā)充氣裝置。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 溺水識(shí)別裝置設(shè)計(jì)

溺水識(shí)別裝置采集血氧信號(hào)、心率信號(hào)以及水壓信號(hào)，其中血氧信號(hào)和心率信號(hào)采用紅外傳感器采集，水壓信號(hào)通過(guò)壓力傳感器采集。血氧信號(hào)和心率信號(hào)采集電路如圖2 所示，采用雙波長(zhǎng)紅外發(fā)射管D1 與D3，基于血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)紅光吸收率不同的原理檢測(cè)透過(guò)動(dòng)脈血管的電信號(hào)計(jì)算血氧，并根據(jù)檢測(cè)電信號(hào)的周期性變化，確定脈搏。電路中C5和R7構(gòu)成無(wú)源濾波電路，濾除其他頻率干擾。水壓信號(hào)采用膜片式壓力傳感器，將水壓信號(hào)變送為電壓信號(hào)進(jìn)行采集。

圖2 血氧和心率信號(hào)采集電路

2.2 二氧化碳充氣裝置設(shè)計(jì)

二氧化碳充氣裝置可以分別采用自動(dòng)觸發(fā)、手動(dòng)觸發(fā)和遙控觸發(fā)3 種方式，此裝置外形為一個(gè)臂環(huán)，內(nèi)置二氧化碳?xì)夤夼摵驼郫B的氣囊。氣囊由高浮力防水TPU 復(fù)合布料制成，充氣后為長(zhǎng)30cm、寬30cm、厚度10cm 的橢球狀。氣罐為鐵鍍鎳材質(zhì)，內(nèi)含壓縮二氧化碳?xì)怏w12g 左右，在大氣壓下釋放充滿氣囊可承重120kg，完全符合正常人體重要求。氣罐為針刺式觸發(fā)，可由手動(dòng)、溺水識(shí)別裝置以及遙控裝置觸發(fā)，釋放二氧化碳充滿氣囊需3 秒。

2.3 遙控裝置設(shè)計(jì)

為保證安全，盡量減小風(fēng)險(xiǎn)，在臂環(huán)上加裝遙控電路，作為觸發(fā)二氧化碳充氣裝置的一種備用方式。當(dāng)監(jiān)護(hù)人發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生溺水情況，或者在傳感器失效、用戶無(wú)法手動(dòng)打開(kāi)充氣裝置時(shí)，可通過(guò)遙控器幫助用戶打開(kāi)臂環(huán)充氣裝置。遙控裝置的無(wú)線通信采用315M Hz 數(shù)據(jù)編碼發(fā)送芯片PT2262 和解碼接收芯片PT2272 實(shí)現(xiàn)。PT2262 工作時(shí)發(fā)送編碼、調(diào)制后的高頻信號(hào)；PT2272 接收PT2262 發(fā)送的高頻信號(hào)并進(jìn)行解碼實(shí)現(xiàn)遙控，遙控裝置的傳輸距離為20-50 米。

2.4 系統(tǒng)軟件流程

STM32 單片機(jī)是系統(tǒng)信號(hào)處理及控制的核心，接收血氧、脈搏和水壓信號(hào)進(jìn)行分析評(píng)判，并控制二氧化碳充氣裝置實(shí)現(xiàn)救助功能，系統(tǒng)的軟件流程如圖3 所示。系統(tǒng)上電工作后首先進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)各模塊的工作模式。初始化結(jié)束后檢測(cè)遙控信號(hào)，當(dāng)接收到遙控裝置發(fā)送的“啟動(dòng)”信號(hào)后，立即觸發(fā)二氧化碳充氣裝置，否則接收溺水識(shí)別裝置的血氧、脈搏和水壓信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到水位或生理參數(shù)異常時(shí)立即觸發(fā)二氧化碳充氣裝置，否則循環(huán)檢測(cè)遙控信號(hào)和溺水識(shí)別信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)論

基于STM32 單片機(jī)的水下智能自救系統(tǒng)由鋰電池供電，采用小尺寸、低功耗的貼片元件制作，具有小型化、低成本、低功耗等特點(diǎn)。考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境差異，系統(tǒng)分別設(shè)置了3 種二氧化碳充氣觸發(fā)方式：自動(dòng)觸發(fā)、手動(dòng)觸發(fā)、遙控觸發(fā)，為用戶提供方便、可靠的救助服務(wù)。系統(tǒng)可以與救生衣一起穿著，在溺水情況發(fā)生時(shí)快速完成充氣，提供浮力，保證安全。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此裝置操作簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，對(duì)避免青少年出現(xiàn)溺水問(wèn)題具有很大實(shí)用價(jià)值。