基于單片機(jī)的微型防溺腰帶設(shè)計(jì)

張曉培，門(mén)延濤，郭旭，陳楷林，羅華鋒

（北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西欽州，535011）

0 引言

水是人們生活中必不可少的資源，水上活動(dòng)也是一種廣泛的娛樂(lè)和體育方式。但是，由于意外事故的發(fā)生和風(fēng)險(xiǎn)的存在，水上活動(dòng)也是比較危險(xiǎn)的活動(dòng)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)發(fā)生的溺水事件不斷上升，尤其是在旅游和娛樂(lè)活動(dòng)中，游泳事故發(fā)生率較高，無(wú)論是成人還是兒童，都存在一定的安全隱患。防溺水技術(shù)和產(chǎn)品因此應(yīng)運(yùn)而生，以預(yù)防和減少溺水事故的發(fā)生。現(xiàn)有的防溺水產(chǎn)品大多是較為復(fù)雜的設(shè)備，如救生衣、救生圈等，加之價(jià)格較高，使用也不太方便。因此，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的微型防溺腰帶，以滿足人們?cè)谒匣顒?dòng)中的安全需求，加強(qiáng)對(duì)兒童的監(jiān)護(hù)，減少意外事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

微型防溺水腰帶在外觀設(shè)計(jì)總體采用U形游泳圈結(jié)構(gòu)，為防止水對(duì)微型器件的影響，本裝置所有傳感器及其他微型裝置都分布于游泳圈內(nèi)部。結(jié)構(gòu)如圖1 所示：腰帶主體部分為1-游泳圈，腰帶內(nèi)部一端外部帶有2-單向吹氣裝置，另一端內(nèi)部裝有3-傳感器、4-氣瓶、5-手動(dòng)開(kāi)關(guān)等微型裝置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)待救人員落水之后游泳圈一端的輸入信號(hào)發(fā)生變化，傳感器接收信號(hào)并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理發(fā)送至單片機(jī)中，隨后單片機(jī)工作釋放報(bào)警信號(hào)，氣囊自動(dòng)打開(kāi)，游泳圈自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。同時(shí)為防止芯片易出現(xiàn)問(wèn)題，本防溺腰帶采用電導(dǎo)率傳感器、液位傳感器、血氧傳感器同時(shí)工作，多方位監(jiān)測(cè)易于接收輸入信號(hào)的改變，增加自動(dòng)裝置的容錯(cuò)率。如果氣囊仍然無(wú)法自動(dòng)打開(kāi)，待救人員還可按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)氣瓶釋放氣體，使腰帶進(jìn)入工作狀態(tài)。同時(shí)腰帶另一端外部還裝有單向吹氣口，此部分的作用是在自動(dòng)充氣裝置、手動(dòng)開(kāi)關(guān)均出錯(cuò)的情況下進(jìn)行人工吹氣使游泳圈正常工作。微型防溺腰帶工作原理框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)方框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含單片機(jī)、傳感器和通訊模塊等重要組件，用于控制和監(jiān)測(cè)防溺腰帶的各項(xiàng)功能。

2.1.1 單片機(jī)模塊

該模塊采用了處理速度快、性能穩(wěn)定的STM32F103C8T6芯片，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。單片機(jī)需要通過(guò)各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，處理、分析并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)控制防溺腰帶的報(bào)警和預(yù)警功能。

2.1.2 電源供應(yīng)模塊

該模塊用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，可以接受電池或外部電源的輸入。在設(shè)計(jì)中，需要考慮到防溺腰帶輕便的特點(diǎn)，并兼顧電源的持續(xù)時(shí)間和安全性等因素。

2.1.3 傳感器模塊

該模塊包括多個(gè)傳感器組件，主要用于采集用戶和周圍環(huán)境的參數(shù)，包括血氧、電導(dǎo)率、液位等。通過(guò)傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的身體情況和周圍環(huán)境，從而預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況。

2.1.4 通信模塊

該模塊用于系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通訊，通過(guò)使用藍(lán)牙通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。用戶可以通過(guò)手機(jī)小程序與防溺腰帶進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)定預(yù)警閾值等操作。

通過(guò)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防溺腰帶的多項(xiàng)功能的整合和管理。同時(shí)，合理的模塊設(shè)計(jì)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而更好地保障用戶的安全和使用效果。

■2.2 血氧檢測(cè)模塊

在本設(shè)計(jì)中，我們采用了脈搏氧飽和度傳感器——MAX30100，該傳感器能夠通過(guò)紅外光和紅光的反射來(lái)測(cè)量用戶的血氧飽和度。血氧檢測(cè)模塊的硬件電路主要由MAX30100血氧傳感器、主控單片機(jī)和串口傳輸模塊等組成。在具體實(shí)現(xiàn)中，傳感器通過(guò)發(fā)射紅外光和紅光，測(cè)量用戶的血氧含量和血氧，并通過(guò)I2C 與主控單片機(jī)進(jìn)行通訊。主控單片機(jī)對(duì)傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將用戶的血氧飽和度值上傳到上位機(jī)。

圖3 血氧傳感器實(shí)物圖

圖4 血氧傳感器電路圖

■2.3 電導(dǎo)率檢測(cè)模塊

電導(dǎo)率模塊是微型防溺腰帶的重要組成部分之一。在本設(shè)計(jì)中，電導(dǎo)率模塊采用了AD5933 數(shù)字電阻計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的電導(dǎo)率的快速準(zhǔn)確測(cè)量AD5933 數(shù)字電阻計(jì)能夠輸出高達(dá)1MHz 的正弦波，并且具備高精度的測(cè)量能力。該模塊通過(guò)單片機(jī)與AD5933 進(jìn)行SPI 通訊，并接收和處理從AD5933 傳回的數(shù)據(jù)信息。

圖5 電導(dǎo)率傳感器實(shí)物圖

圖6 電導(dǎo)率傳感器電路圖

■2.4 液位檢測(cè)模塊

在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)SR402 是著名Interlink Electronics公司生產(chǎn)的一款重量輕，體積小，感測(cè)精度高，超薄型電阻式壓力傳感器。這款壓力傳感器是將施加在FSR 傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，從而獲得壓力信息。壓力越大，電阻越低。其允許用在壓力100g～10kg的場(chǎng)合。

圖7 液位傳感器實(shí)物圖

圖8 液位傳感器電路圖

■2.5 藍(lán)牙模塊

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)牙無(wú)線通信也日趨成熟。現(xiàn)在的無(wú)線藍(lán)牙通信技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用在手機(jī)、耳機(jī)、便攜電腦等各種設(shè)備中。本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊HC-06，HC-06 模塊是專為智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸而打造的，采用英國(guó)CSR 公司Blue Core4-Ext 芯片，遵循V2.0+EDR 藍(lán)牙協(xié)議。藍(lán)牙模塊HC-06 是一款支持多種接口，支持SPP 藍(lán)牙串口協(xié)議，具有體積小、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖9 藍(lán)牙模塊實(shí)物圖

圖10 藍(lán)牙模塊電路圖

■2.6 報(bào)警指示燈電路

根據(jù)555 多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)間歇式聲光報(bào)警，聲報(bào)警選擇蜂鳴器，光報(bào)警選用發(fā)光二極管。當(dāng)血氧濃度低于設(shè)定的下限濃度時(shí)，指示燈亮并伴隨蜂鳴器報(bào)警。或當(dāng)電導(dǎo)率和液位同時(shí)達(dá)到設(shè)定值，蜂鳴器發(fā)生報(bào)警，LED 燈也將點(diǎn)亮[2]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)防溺腰帶的全面掌控和管理，需要進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，其主要功能包括：設(shè)置和修改預(yù)警閾值、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警。

圖11 報(bào)警指示燈及蜂鳴器電路

（1)設(shè)置和修改預(yù)警閾值

用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)置預(yù)警閾值，包括血氧、電導(dǎo)率、液位等。設(shè)定閾值后，系統(tǒng)將對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，一旦超出設(shè)定閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（2)數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，涉及的參數(shù)包括血氧、電導(dǎo)率、液位等。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

（3)數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)使用了基于單片機(jī)控制的智能算法，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)用戶的身體情況和周圍環(huán)境的變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況。基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶不同的身體特征，自適應(yīng)調(diào)整預(yù)警閾值。

（4)報(bào)警

防溺腰帶在檢測(cè)到用戶處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)會(huì)立即報(bào)警。報(bào)警方式包括發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送至用戶的手機(jī)或其他管理者的手機(jī)上。用戶可以通過(guò)手機(jī)小程序查看預(yù)警信息和實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)，作出適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

圖12 整體電路圖

圖13 系統(tǒng)主程序流程

通過(guò)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，用戶可以清晰了解自己和周圍環(huán)境的情況，及時(shí)調(diào)整適當(dāng)?shù)拇胧Ｍ瑫r(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防溺腰帶的全面管理和控制，提高了使用的方便性和安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的微型防溺腰帶，采用了傳感器感知能力與單片機(jī)的協(xié)同控制，對(duì)血氧、電導(dǎo)率、液位等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)有開(kāi)關(guān)控制和記錄器邏輯，能夠在佩戴者遭遇溺水事故時(shí)即時(shí)診斷并發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)情況的快速響應(yīng)和及時(shí)救援。整個(gè)設(shè)計(jì)主要涉及傳感器、單片機(jī)和IC 等多種技術(shù)，在中小型設(shè)備上具有廣泛應(yīng)用前景。

本文設(shè)計(jì)方案中，采用了傳感器、單片機(jī)、IC 等多種技術(shù)，采用了簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)能浖\(yùn)算，可極大地降低了成本。其中血氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器等多種傳感器均為市面上常用的技術(shù)，容易購(gòu)買(mǎi)且使用方便，整機(jī)制造成本相對(duì)較低。

在實(shí)踐中，本文所設(shè)計(jì)的防溺腰帶已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際生活中，取得了較好的效果，其有效地避免了救援工作的困難，防范了意外事故的發(fā)生，對(duì)于增強(qiáng)人們的戶外安全意識(shí)、保障人類生命安全、促進(jìn)水上活動(dòng)的健康發(fā)展有著重要的意義。

在未來(lái)，此類防溺腰帶有望在智能化、無(wú)線化方面進(jìn)行進(jìn)一步的深入推廣，例如加入GPS 定位、WiFi 網(wǎng)絡(luò)等功能，以便實(shí)現(xiàn)更加完整、高效的應(yīng)用。此外，也可以加入微信、手機(jī)等社交軟件，以便用戶能夠更方便地接受安全信息的傳播和交流。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的微型防溺腰帶具有很好的創(chuàng)新性和實(shí)用性，未來(lái)有望在智能化、無(wú)線化、社交化方面進(jìn)行進(jìn)一步的推進(jìn)和應(yīng)用，對(duì)于提高人們?cè)谒匣顒?dòng)中的安全意識(shí)和保障人類生命安全等方面具有重要意義。