便攜式泳池防溺水警報與生理健康狀態(tài)評估系統設計

據國際救生協(xié)會(huì )統計，每年全球約有120 萬(wàn)人因游泳而溺亡，大部分溺水者其實(shí)是熟練的游泳者，因為在游泳的過(guò)程中大多會(huì )產(chǎn)生抽筋和運動(dòng)性休克的身體問(wèn)題。與其他休閑運動(dòng)項目比較，溺水身亡的背后，是安全防護的缺失。目前的防護手段主要是依靠救生員和泳池管理員的實(shí)時(shí)監測，耗費人力物力，且對專(zhuān)注力要求極高。因此設計一款能夠智能反饋游泳者游泳狀態(tài)及生理健康水平的系統，非常具有現實(shí)意義。

本文的設計是基于單片機和傳感器、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的智能泳池防溺水警報器及生理健康狀態(tài)評估系統。

選取單片機為核心控制器，采用水壓傳感電路實(shí)現入水深度的檢測，生理參數檢測模塊測量游泳者的生理參數，無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊實(shí)現將身份標簽信息與上位機傳輸，PC端通過(guò)算法進(jìn)行定位和健康狀態(tài)評估。

1 系統總體方案設計

系統主要由上位機和下位機組成。游泳者下位機采用單片機系統、水位監測系統、ZigBee 通信系統、定位系統、JFH111 生理參數檢測傳感器模塊和報警系統實(shí)時(shí)監控游泳者安全和監測生理參數。定位基站實(shí)時(shí)監控游泳者的位置，實(shí)現縮小營(yíng)救范圍，加快營(yíng)救速度。上位機接收通信模塊傳來(lái)的信息包括游泳者的身份ID，水壓信息和失聯(lián)情況。具體原理是：采用水壓傳感器來(lái)判斷游泳者的深度，并配有進(jìn)入危險區的警告燈光和振動(dòng)報警。在游泳者的頭沉入水后，根據水壓傳感器探測到的數據，可以判定出游泳人的深度，如果超出了警告值，就會(huì )發(fā)出光閃振動(dòng)的警告信號。一旦暫時(shí)失聯(lián)者的腦袋浮出海面，系統就可以繼續收發(fā)身份ID 信號。當游泳者一直在水下時(shí)，上位機沒(méi)有接收到對應的ID，那么就會(huì )一直計時(shí)。利用該方法可以獲得游泳者的頭部入水的時(shí)長(cháng)，從而判定者有無(wú)溺水。從游泳者在不同時(shí)期的生理狀況來(lái)看，短暫的失去聯(lián)系是指泳者的頭沉在水里30 s，如果超過(guò)了30 s 就會(huì )失去聯(lián)系。同時(shí)上位機將接收來(lái)的生理參數信息通過(guò)SVM 算法得出游泳者生理健康水平，根據心率、血氧飽和度和血壓3 個(gè)生理參數，構建6 個(gè)支持向量機。最后分為身體狀況良好、輕微失衡和嚴重失衡，失衡時(shí)做出提醒和警示。系統結構如圖所示。

圖1 系統總體設計圖

圖2 生理參數檢測設計

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統

單片機作為系統的控制核心，需要控制整個(gè)系統的運行情況，所以本設計經(jīng)過(guò)比較最終選擇單片機的型號為STC12C5A60S2。雖然也屬于51 單片機一類(lèi)，但比普通的單片機運行速度更快，速度約為之前的8~12 倍。另外還具有獨立的串行接口和獨立的波特率發(fā)生器。其具有的參數均可以滿(mǎn)足本設計的需求。單片機設計部分如圖3 所示。

2.2 水壓檢測模塊

HX711型微處理器的重量AD模組，是一款高達24位的A/D變換芯片HX711，它是一款高精密的數字稱(chēng)量系統。該輸入線(xiàn)路可以被構造成能夠為諸如壓力、稱(chēng)重之類(lèi)的橋接電橋型傳感器的結構，是一種精度高、成本低的理想的采樣頭組件。本模塊設計中，為方便試驗防止設備接觸水，使用HX711代替水壓傳感器。用給稱(chēng)重塊施加壓力模擬設備入水的場(chǎng)景。本設計選用的量程為5 kg。實(shí)物圖如下。

圖4 水壓檢測模塊實(shí)物圖

2.3 通信模塊

無(wú)線(xiàn)模塊選擇zigbee 模塊，具體型號為DL-20。本設計采用一對多的方式進(jìn)行連接，用3 臺下位機模擬3個(gè)泳者，編號分別為1、2、3。采用DL-20 的方式來(lái)進(jìn)行全雙向的數據傳輸，具有較寬的頻帶、較寬的波特率和較好的收發(fā)器，并且價(jià)格比較便宜，可以用于串行的調試。

通過(guò)連接到無(wú)線(xiàn)通訊模塊和單片機的MCU，DL-20接收到來(lái)自于下位機的無(wú)線(xiàn)信息，從而實(shí)現了對下位機的全部識別。上位機判斷是否有人落水和開(kāi)始計時(shí)的依據是下位機即泳者頭部是否入水和入水時(shí)間，同時(shí)將檢測到的生理參數發(fā)送到上位機。3 臺下位機向上位機發(fā)送的標簽是不同的。1 到3 號機分別發(fā)送“1”“2”和“3”，如下圖所示。

圖5 下位機顯示到的身份標簽

2.4 JFH111 生理參數檢測模塊

JFH111 生理參數檢測單元依據PPG 光電容積脈搏波描記法、非貫穿式血壓測量方法中的模糊記憶方式作為基礎原理，可提供準確的脈搏波形、心臟跳動(dòng)速率、血氧飽和度以及血壓數據。用戶(hù)系統只需通過(guò)串口即可和模塊通信，并且直接獲得測量結果，一定程度上降低了人體運動(dòng)狀態(tài)下多項生理參數異常監測報警系統的復雜程度。JFH111 生理參數檢測模塊電路原理及顯示效果如下圖所示。

圖6 JFH111生理參數檢測模塊電路原理圖

圖7 生理參數顯示效果圖

3 軟件設計

3.1 主程序軟件設計

主程序通過(guò)對其他子程序的調用實(shí)現了設計功能，實(shí)現了對游泳者的頭部沒(méi)入水中時(shí)間計時(shí)、識別游泳者的實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)現溺水預警或報警、顯示游泳者的狀態(tài)以及向救生員發(fā)送救援信號。其中系統初始化包括了定時(shí)器0 和定時(shí)器1 的初始化，設置了定時(shí)器中斷的時(shí)間和串口通信波特率，還有STC12C5A60S2 的雙串口的初始化。主程序的流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程

3.2 狀態(tài)識別程序設計

游泳者的狀態(tài)根據游泳者的頭部沒(méi)入水中時(shí)間來(lái)判斷，頭部沒(méi)入水中時(shí)間超過(guò)30 s 的判定為暫時(shí)失聯(lián)，超過(guò)50 s 的判定為超時(shí)失聯(lián)。游泳者頭部沒(méi)入水中時(shí)間通過(guò)定時(shí)器中斷次數來(lái)確定，定時(shí)器0 設置為50 ms 定時(shí)中斷一次，將每個(gè)游泳者對應的定時(shí)中斷次數存放在1個(gè)數組中，每個(gè)游泳者對應的定時(shí)器中斷次數為數組中的一個(gè)元素，當接收到身份標簽時(shí)，將數組中對應的定時(shí)中斷次數清零，比如接收到身份標簽“1”，就將數組中第一個(gè)元素清零。頭部露出水面的游泳者所攜帶的下位機會(huì )一直向本設計發(fā)送身份標簽，所以中斷次數總是被清零。當某位游泳者的定時(shí)中斷次數達到600 次，判定該游泳者為暫時(shí)失聯(lián)，當某位游泳者的定時(shí)中斷次數達到1 000 次，判定該游泳者為超時(shí)失聯(lián)。

3.3 健康狀態(tài)評估數據分析程序設計

支持向量機（SVM）是一類(lèi)按監督學(xué)習方式對數據進(jìn)行二元分類(lèi)的廣義線(xiàn)性分類(lèi)器，其決策邊界是對學(xué)習樣本求解的最大邊距超平面，在標準樣本存在且覆蓋較廣的情況下，通過(guò)較少的測試樣本即可達到對樣本二分判斷的目的。利用MATLAB 結合SVM編寫(xiě)數據處理程序，本系統涉及3 個(gè)參數的綜合評估，且血壓數據分為高壓與低壓兩類(lèi)，出于分別對數據進(jìn)行兩兩比對的需要，程序中構建6 個(gè)支持向量機，進(jìn)行心率數據、血氧數據、高壓數據以及低壓數據的分別比對，最終根據比對結果與標準數據庫計算出的結果，綜合判斷健康狀態(tài)，最后用LabVIEW 構建評估界面。支持向量機分類(lèi)原理概述圖如圖9 所示，評估界面示例如圖10所示。

圖9 支持向量機分類(lèi)原理概述圖

圖10 評估界面示例

3.4 手機APP設計

App Inventor是一個(gè)完全在線(xiàn)開(kāi)發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復雜的程序代碼而使用積木式的堆疊法來(lái)完成Android程式。通過(guò)自己下載Wi-Fi插件，模塊化堆積編程，制作出一款在同一局域網(wǎng)下可以接收顯示消息的App，通過(guò)設計，可在手機APP上直接查看游泳者的身份ID、所處水深及生理參數。組件設計如圖11 所示，邏輯設計如圖12 所示。

圖11 組件設計

圖12 邏輯設計

4 結束語(yǔ)

智能化時(shí)代的來(lái)臨促進(jìn)了智能化安全系統的發(fā)展，本設計含有智能泳池防溺水監控系統、生理健康狀態(tài)評估和定位基站三者，他們密切聯(lián)系，綜合并創(chuàng )新創(chuàng )造一款智能泳池防溺水監控及生理參數監測系統。此系統能及時(shí)查看游泳者生理健康狀態(tài)，并對超水壓游泳者提出警報，快速發(fā)出監控人員對溺水者做出援救的信號的裝置，能大大降低因為游泳而帶來(lái)的隱患。還可以結合生理健康狀態(tài)數據制訂或及時(shí)調整運動(dòng)訓練方案和策略，不斷提高人們的身體素質(zhì)，增強專(zhuān)業(yè)運動(dòng)員的身體機能和競技水平，讓更多的青年人放心游泳、喜歡游泳。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）