便攜式泳池防溺水警報與生理健康狀態(tài)評估系統(tǒng)設(shè)計

據(jù)國際救生協(xié)會統(tǒng)計，每年全球約有120 萬人因游泳而溺亡，大部分溺水者其實是熟練的游泳者，因為在游泳的過程中大多會產(chǎn)生抽筋和運動性休克的身體問題。與其他休閑運動項目比較，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時監(jiān)測，耗費人力物力，且對專注力要求極高。因此設(shè)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(tǒng)，非常具有現(xiàn)實意義。

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

選取單片機為核心控制器，采用水壓傳感電路實現(xiàn)入水深度的檢測，生理參數(shù)檢測模塊測量游泳者的生理參數(shù)，無線發(fā)送模塊實現(xiàn)將身份標(biāo)簽信息與上位機傳輸，PC端通過算法進行定位和健康狀態(tài)評估。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)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(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)、ZigBee 通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、JFH111 生理參數(shù)檢測傳感器模塊和報警系統(tǒng)實時監(jiān)控游泳者安全和監(jiān)測生理參數(shù)。定位基站實時監(jiān)控游泳者的位置，實現(xiàn)縮小營救范圍，加快營救速度。上位機接收通信模塊傳來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：采用水壓傳感器來判斷游泳者的深度，并配有進入危險區(qū)的警告燈光和振動報警。在游泳者的頭沉入水后，根據(jù)水壓傳感器探測到的數(shù)據(jù)，可以判定出游泳人的深度，如果超出了警告值，就會發(fā)出光閃振動的警告信號。一旦暫時失聯(lián)者的腦袋浮出海面，系統(tǒng)就可以繼續(xù)收發(fā)身份ID 信號。當(dāng)游泳者一直在水下時，上位機沒有接收到對應(yīng)的ID，那么就會一直計時。利用該方法可以獲得游泳者的頭部入水的時長，從而判定者有無溺水。從游泳者在不同時期的生理狀況來看，短暫的失去聯(lián)系是指泳者的頭沉在水里30 s，如果超過了30 s 就會失去聯(lián)系。同時上位機將接收來的生理參數(shù)信息通過SVM 算法得出游泳者生理健康水平，根據(jù)心率、血氧飽和度和血壓3 個生理參數(shù)，構(gòu)建6 個支持向量機。最后分為身體狀況良好、輕微失衡和嚴(yán)重失衡，失衡時做出提醒和警示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

圖2 生理參數(shù)檢測設(shè)計

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機作為系統(tǒng)的控制核心，需要控制整個系統(tǒng)的運行情況，所以本設(shè)計經(jīng)過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，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(shù)均可以滿足本設(shè)計的需求。單片機設(shè)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(shù)字稱量系統(tǒng)。該輸入線路可以被構(gòu)造成能夠為諸如壓力、稱重之類的橋接電橋型傳感器的結(jié)構(gòu)，是一種精度高、成本低的理想的采樣頭組件。本模塊設(shè)計中，為方便試驗防止設(shè)備接觸水，使用HX711代替水壓傳感器。用給稱重塊施加壓力模擬設(shè)備入水的場景。本設(shè)計選用的量程為5 kg。實物圖如下。

圖4 水壓檢測模塊實物圖

2.3 通信模塊

無線模塊選擇zigbee 模塊，具體型號為DL-20。本設(shè)計采用一對多的方式進行連接，用3 臺下位機模擬3個泳者，編號分別為1、2、3。采用DL-20 的方式來進行全雙向的數(shù)據(jù)傳輸，具有較寬的頻帶、較寬的波特率和較好的收發(fā)器，并且價格比較便宜，可以用于串行的調(diào)試。

通過連接到無線通訊模塊和單片機的MCU，DL-20接收到來自于下位機的無線信息，從而實現(xiàn)了對下位機的全部識別。上位機判斷是否有人落水和開始計時的依據(jù)是下位機即泳者頭部是否入水和入水時間，同時將檢測到的生理參數(shù)發(fā)送到上位機。3 臺下位機向上位機發(fā)送的標(biāo)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(biāo)簽

2.4 JFH111 生理參數(shù)檢測模塊

JFH111 生理參數(shù)檢測單元依據(jù)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(chǔ)原理，可提供準(zhǔn)確的脈搏波形、心臟跳動速率、血氧飽和度以及血壓數(shù)據(jù)。用戶系統(tǒng)只需通過串口即可和模塊通信，并且直接獲得測量結(jié)果，一定程度上降低了人體運動狀態(tài)下多項生理參數(shù)異常監(jiān)測報警系統(tǒng)的復(fù)雜程度。JFH111 生理參數(shù)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(shù)檢測模塊電路原理圖

圖7 生理參數(shù)顯示效果圖

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序軟件設(shè)計

主程序通過對其他子程序的調(diào)用實現(xiàn)了設(shè)計功能，實現(xiàn)了對游泳者的頭部沒入水中時間計時、識別游泳者的實時狀態(tài)、實現(xiàn)溺水預(yù)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(tǒng)初始化包括了定時器0 和定時器1 的初始化，設(shè)置了定時器中斷的時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(shè)計

游泳者的狀態(tài)根據(jù)游泳者的頭部沒入水中時間來判斷，頭部沒入水中時間超過30 s 的判定為暫時失聯(lián)，超過50 s 的判定為超時失聯(lián)。游泳者頭部沒入水中時間通過定時器中斷次數(shù)來確定，定時器0 設(shè)置為50 ms 定時中斷一次，將每個游泳者對應(yīng)的定時中斷次數(shù)存放在1個數(shù)組中，每個游泳者對應(yīng)的定時器中斷次數(shù)為數(shù)組中的一個元素，當(dāng)接收到身份標(biāo)簽時，將數(shù)組中對應(yīng)的定時中斷次數(shù)清零，比如接收到身份標(biāo)簽“1”，就將數(shù)組中第一個元素清零。頭部露出水面的游泳者所攜帶的下位機會一直向本設(shè)計發(fā)送身份標(biāo)簽，所以中斷次數(shù)總是被清零。當(dāng)某位游泳者的定時中斷次數(shù)達到600 次，判定該游泳者為暫時失聯(lián)，當(dāng)某位游泳者的定時中斷次數(shù)達到1 000 次，判定該游泳者為超時失聯(lián)。

3.3 健康狀態(tài)評估數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計

支持向量機（SVM）是一類按監(jiān)督學(xué)習(xí)方式對數(shù)據(jù)進行二元分類的廣義線性分類器，其決策邊界是對學(xué)習(xí)樣本求解的最大邊距超平面，在標(biāo)準(zhǔn)樣本存在且覆蓋較廣的情況下，通過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(jié)合SVM編寫數(shù)據(jù)處理程序，本系統(tǒng)涉及3 個參數(shù)的綜合評估，且血壓數(shù)據(jù)分為高壓與低壓兩類，出于分別對數(shù)據(jù)進行兩兩比對的需要，程序中構(gòu)建6 個支持向量機，進行心率數(shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)、高壓數(shù)據(jù)以及低壓數(shù)據(jù)的分別比對，最終根據(jù)比對結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫計算出的結(jié)果，綜合判斷健康狀態(tài)，最后用LabVIEW 構(gòu)建評估界面。支持向量機分類原理概述圖如圖9 所示，評估界面示例如圖10所示。

圖9 支持向量機分類原理概述圖

圖10 評估界面示例

3.4 手機APP設(shè)計

App Inventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復(fù)雜的程序代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式。通過自己下載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，通過設(shè)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(shù)。組件設(shè)計如圖11 所示，邏輯設(shè)計如圖12 所示。

圖11 組件設(shè)計

圖12 邏輯設(shè)計

4 結(jié)束語

智能化時代的來臨促進了智能化安全系統(tǒng)的發(fā)展，本設(shè)計含有智能泳池防溺水監(jiān)控系統(tǒng)、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(jiān)控及生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)能及時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(jiān)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的隱患。還可以結(jié)合生理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)制訂或及時調(diào)整運動訓(xùn)練方案和策略，不斷提高人們的身體素質(zhì)，增強專業(yè)運動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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）