基于心率檢測的兒童溺水呼救報警系統設計

孫海濤 江遠航 梅新潮 曾佳峰 王喜鴻

（三亞學院，海南 三亞 572000）

1 引言

夏季天氣酷熱，游泳運動十分受兒童歡迎，在鍛煉身體的同時，也能夠消暑降溫。但每年都有大量兒童溺水死亡新聞被媒體報道，引發了社會的廣泛關注。據統計，溺水是五歲以下兒童傷害致死的重要原因之一[1]。我國是兒童溺水死亡事故高發國家之一，兒童溺水死亡問題不可被忽視。夏季頻繁發兒童溺水事件，主要原因是大部分兒童沒有充分認識到意外傷害的危險性，加之身心發育不完全，在面對溺水危險時，幾乎是沒有任何自我保護意識和能力。并且多數兒童溺水很難被其他人所發現，并及時采取措施。當兒童在玩水意外沉入水下時，自身呼吸不暢，心理緊張，動作一旦慌亂身體便立刻失去平衡。并且，岸上救生員僅憑肉眼又無法快速察覺到危險的發生，最終導致溺水悲劇發生。溺水不僅致死率高，后遺癥、傷殘率也較高，這無疑會對一個家庭和整個社會帶來永久的創傷。所以，設計一款簡單實用的兒童溺水呼救報警系統裝置具有一定的現實意義。該裝置可佩戴在兒童手腕處，當檢測到兒童心率波動異常或者在水中持續時間超過一定值的時候發出聲光報警信號，及時提醒岸邊家長以及救生人員的注意，實現對水中溺水兒童進行迅速救援的目的，從而降低兒童溺水死亡事故的發生。

預防泳池溺水報警系統的設計最早是由科蒂納于1976年在美國申報的專利《游泳池報警》，接著是新加坡南洋科技大學“DEWS”小組于2003年研制的溺水預警系統[2]。此后2015年瑞士研發出了BLUEFOX泳池安全系統，而且已經在部分泳池中配備使用[3]。這些泳池溺水報警系統已經在真實場景里預防了不少溺水死亡事故的發生，可以說國外在防溺水方面的理論研究已經得到了較好的應用，每個時期發明的防溺水系統都會被投入到泳池設施中，并且隨著新技術的不斷突破，會對原有的裝置進行更新完善。

2 系統方案設計

河北醫科大學第一醫院在搶救一名溺水兒童時發現，該兒童送至醫院時心率在200次/分鐘左右，生命體征處于危險狀態。而據相關研究表明，兒童在運動時處于安全狀態的最佳心率數值應保持在150次/分鐘左右。通過對比能夠發現，兒童在溺水狀態下的心率數值和健康運動時的心率數值相差非常大，由此本文設計了一款基于心率的兒童溺水呼救報警系統。游泳兒童佩戴實時監測兒童心率的裝置，一旦裝置檢測到有異常的心率數值出現，系統的報警模塊立即發出警報信號，模擬兒童的呼救來引起岸邊看護人員的注意。

系統結構框圖如圖1所示，系統由單片機模塊、心率監測模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報警呼救模塊和電源模塊組成。其中，電源模塊為整個系統供電，心率監測模塊采用光電傳感器用來采集兒童的心率信號[4]。單片機模塊是整個系統的核心處理器，將光電傳感器獲取的兒童心率信號處理后以數值的形式顯示在液晶屏幕上。當采集到的兒童實時心率數值不在設定的正常心率數值范圍內，此時將通過報警模塊向外界發出呼救信號。按鍵模塊可以根據兒童不同的生理、身體狀況對其溺水報警的心率上下限數值進行設置。

圖1 系統結構框圖

3 硬件系統設計

硬件系統由單片機模塊、心率監測模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報警呼救模塊和電源模塊組成。各模塊間功能確定，相互協作。硬件電路設計如圖2所示，采用立創EDA進行原理圖繪制，采用Proteus仿真軟件進行仿真驗證，仿真驗證成功后再進行硬件電路的制作與調試。

3.1 單片機最小系統

單片機最小系統是整個電路的核心，起到檢測心率信號并根據預先設定的心率數值判斷是否有溺水危險的作用，一旦系統判斷兒童有溺水危險就立刻啟動聲光報警。圖2中（左上角）展示了單片機最小系統的電路組成，由89C52單片機、復位電路和時鐘電路組成。其中復位電路由一個10k電阻、一個10μF電容和按鍵KEY1組成，通過按下KEY1按鍵給89C52單片機RST引腳輸送高電平，從而使系統恢復到初始狀態。時鐘電路采用12MHz的石英晶振為系統提供基本的時鐘信號，石英晶振的兩個引腳各串聯一個30pF電容來提高時鐘電路振蕩的穩定性。由于89C52單片機P0口的八位都是漏極開路輸出，因此在電路中需要連接10k上拉電阻（排阻）來確保高電平的正常輸出。

3.2 心率監測模塊

心率監測模塊是系統的傳感器部分，主要作用是實時采集兒童游泳時的心率數據，將該數據進行處理，以滿足89C52單片機對數據的要求。該模塊由心率采集電路、濾波電路和整形電路組成，如圖2（下部）所示。

圖2 硬件電路設計

3.2.1 心率采集電路

該電路通過ST188光電式傳感器加外圍電路，實時將傳感器采集的兒童心率信號轉換為電信號[5]。ST188光電式傳感器心率信號采集的原理為：傳感器發出的光線可以穿透人的身體表皮組織，并且容易被人身體內的血液所吸收，當心跳變化導致血管內血液的流速變化時能夠被傳感器所捕捉，并把這種變化轉換為心率的數值。在心率采集電路圖中，光敏二極管的1腳需要接合適阻值的限流電阻，以確保傳感器能正常工作。如果阻值過大，會因發光二極管的亮度不足而使傳感器的靈敏度降低，如果阻值過小，會因為電流過大而使發光二極管和光敏二極管燒壞，由于光敏二極管采集到的兒童心率信號非常微弱，甚至采集不到，經過測試最終確定電路中采用220Ω電阻。在心率采集模塊工作時，兒童只需要將手指貼放在ST188光電式傳感器上，由于兒童指端血液的流動在不斷地變化，那么光敏二極管采集到的光信號也會隨時發生變化，光敏管接收到光信號后，通過光敏三極管將采集的光信號轉化為電信號從3腳和4腳輸出，實時向電路發送兒童的心率信號。

3.2.2 濾波、整形電路

ST188光電式傳感器在進行信號轉換的時候存在信號強度弱、容易受到干擾而導致數據不準等問題。對此，在硬件電路上采用濾波電路和整形電路對傳感器輸出的信號進行處理。濾波電路的主要作用是去除干擾信號，整形電路可以使信號被放大，達到單片機對數據的幅值要求。

濾波器電路采用可靠性較高的LC帶通濾波器，主要作用是保證與兒童心率頻段相似的數據信號穩定輸入到整形放大電路中，濾除不需要的高頻和低頻信號。濾波電路是由電容C6、電阻R6組成的高通濾波器電路和兩個上限頻率相同的低通濾波器電路串聯組成。

兒童心率信號在經過濾波后，通過雙運算放大器LM358組成整形放大電路，對可能存在的不規則的脈沖信號進行整形處理，同時對信號電壓進行放大，通過7號引腳輸出給單片機進行比較處理。LM358放大器的內部由兩個電壓比較器組成，如果輸入電壓1IN比2IN大時，正輸入端的電壓會高一些，最終輸出高電平。同理，當輸入電壓2IN比1IN大時，負輸入端的電壓會高一些，最終輸出高電平，這樣就得到了波形幅值穩定的方波信號。同時，當兒童心率信號進入整形電路中時，還能通過LM358的放大功能來增強信號強度。

3.3 顯示模塊

顯示模塊的主要作用是顯示兒童的實時心率數值，并且在設定心率上下限數值的時候可以觀察到修改前后的數據，本設計選用LCD1602液晶顯示屏，電路如圖2（右上）所示。其中3腳外接的兩個電阻R4、R5用來改變液晶顯示屏的亮度。RS引腳是數據/命令選擇端，該引腳為高電平時，接收需要在液晶屏幕上顯示的數據，引腳是低電平時，接收命令實現需求功能[6]。RW引腳是讀寫選擇端，本設計主要使用寫功能，當該引腳為低電平時，可將兒童心率數據寫入到液晶屏幕元器件中。

3.4 按鍵模塊

按鍵模塊由三個獨立按鍵組成，電路如圖2（中左）所示。KEY2按鍵，用于設置心率上下限范圍，同時在液晶屏幕上會顯示設置的上下限心率報警數值。KEY3按鍵或KEY4按鍵是加減鍵，進行心率報警數值的增加或減少設置。按鍵與單片機P1口部分引腳連接后，重啟系統時單片機的P1口默認高電平，當有按鍵按下時，單片機P1口對應的某個引腳變為低電平，從而系統能夠判斷出是哪一個按鍵按下，最終實現按下三個按鍵實現對應不同的功能。

3.5 報警呼救模塊

報警呼救模塊電路如圖2（中右）所示，主要作用是當兒童心率超過設定上限時發出報警信號，提示救生員和家長的注意。三極管的發射極E通過蜂鳴器連接電源，為高電平狀態。兒童游泳時的實時心率正常時，單片機的P2.4口輸出高電平，三極管的基極B通過2.2k電阻與P2.4連接也處于高電平狀態，此時三極管沒有導通，蜂鳴器不工作[7]。當兒童的實時心率超過心率報警上限值或者低于心率報警下限值時，單片機的P2.4口輸出低電平，三極管的基極B也被拉低為低電平，此時三極管導通，蜂鳴器持續報警代替兒童呼救，引起家長和救生員的注意力。

4 軟件系統設計

4.1 主程序設計

系統主程序流程如圖3所示，當電源模塊給整個系統上電后，組成系統的各個模塊需要進行初始化處理。隨后，心率采集模塊通過開啟單片機的定時器來采集兒童心率實時信號，心率信號經過濾波電路和整形電路轉換成電信號后，在LCD1602液晶顯示屏幕上顯示出來。當單片機收到兒童的心率數值在設定的正常心率數值范圍內時，系統持續循環檢測。否則，單片機就會發出報警信號，觸發蜂鳴器發出報警信號。

圖3 系統主程序流程圖

主程序如下：

4.2 仿真測試

為了驗證基于心率檢測的兒童溺水呼救報警系統方案設計和功能需求的可行性，在系統實物制作之前，使用Proteus和Keil軟件對系統進行仿真。Proteus軟件用來繪制系統電路原理圖，如圖4所示，Keil軟件用來編譯C語言代碼，如果編譯沒有錯誤會有hex文件，接著將生成的hex文件燒錄到Proteus原理圖中的單片機內，最后分析仿真結果，驗證系統需求的功能能否實現。圖中R2（1）為模擬兒童心率數據波形輸入端，采用方波發生器替代。當前系統設定報警下限心率為60次/分鐘，當輸入心率為48次/分鐘時系統發出報警信號，指示燈D1發光，蜂鳴器報警。通過仿真測試，驗證系統功能正常。

圖4 Proteus電路仿真

5 硬件電路調試

兒童溺水報警系統通過監測兒童的實時心率來實現，系統實物如圖5所示。當手指放在ST188光電式傳感器上時，系統開始采集心率信號，LED燈亮表示系統正常運行，LCD1602液晶屏幕會顯示實時心率數值。如圖5所示，心率上限設為80次/分鐘，當實時采集到的心率為86次/分鐘時，超過設定上限，指示燈亮起，蜂鳴器報警。在相關文獻研究中提到150次/分鐘的心率是兒童保持健康運動的黃金心率，為了預防以及保護兒童游泳的健康性，在兒童游泳使用該系統時，心率報警上限數值應當設置在每分鐘155次左右。

圖5 心率過高測試

6 結語

基于心率檢測的兒童溺水呼救報警系統從檢測兒童溺水時的生理特征出發，通過監測心率在溺水前后的變化來判斷兒童所處的狀態，實現了溺水檢測的作用。系統設計完成后，采用Proteus軟件仿真進行系統功能驗證，輔助系統調試。經測試，實現了溺水后心率變化的檢測，達到了及時發現兒童溺水現象、盡早發出聲光報警的作用，為兒童戲水安全提供了有效保障。