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題一直是社會熱點(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其數(shù)。救生衣是解決溺水問題的一種有效方式，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)。在國外，救生衣起源于二戰(zhàn)時期，它的研發(fā)大大提升了海上救援的速度和效率。此后，對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。

針對現(xiàn)有救生衣體積大影響游泳體驗，而且充氣裝置大多采用手動觸發(fā)方式，無法對溺水人員及時起到保護(hù)作用的問題，本研究設(shè)計一種基于STM32 單片機(jī)的水下智能自救系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過溺水識別裝置判斷是否發(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)上方還有手動觸發(fā)裝置和遙控觸發(fā)裝置，用戶可拔下保險銷來觸發(fā)裝置；青少年使用者還可由家長使用遙控器，在發(fā)生危險時遙控觸發(fā)裝置，全方面防止意外發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

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)模塊實現(xiàn)信息處理和其它模塊的控制；溺水識別裝置實時檢測游泳人的生理特征；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）溺水識別裝置佩戴在手腕上，采用呼吸血氧傳感器檢測血氧和心率參數(shù)，采用水壓傳感器檢測液位，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識別裝置發(fā)送的信號，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”信號給二氧化碳充氣裝置。STM32 單片機(jī)控制模塊同時接收遙控裝置發(fā)送的無線信號，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，當(dāng)接收到“啟動”信號時，啟動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，根據(jù)溺水提示信號和現(xiàn)場情況，遠(yuǎn)程觸發(fā)充氣裝置。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 溺水識別裝置設(shè)計

溺水識別裝置采集血氧信號、心率信號以及水壓信號，其中血氧信號和心率信號采用紅外傳感器采集，水壓信號通過壓力傳感器采集。血氧信號和心率信號采集電路如圖2 所示，采用雙波長紅外發(fā)射管D1 與D3，基于血紅蛋白對不同波長紅光吸收率不同的原理檢測透過動脈血管的電信號計算血氧，并根據(jù)檢測電信號的周期性變化，確定脈搏。電路中C5和R7構(gòu)成無源濾波電路，濾除其他頻率干擾。水壓信號采用膜片式壓力傳感器，將水壓信號變送為電壓信號進(jìn)行采集。

圖2 血氧和心率信號采集電路

2.2 二氧化碳充氣裝置設(shè)計

二氧化碳充氣裝置可以分別采用自動觸發(fā)、手動觸發(fā)和遙控觸發(fā)3 種方式，此裝置外形為一個臂環(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、溺水識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

為保證安全，盡量減小風(fēng)險，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、用戶無法手動打開充氣裝置時，可通過遙控器幫助用戶打開臂環(huán)充氣裝置。遙控裝置的無線通信采用315M Hz 數(shù)據(jù)編碼發(fā)送芯片PT2262 和解碼接收芯片PT2272 實現(xiàn)。PT2262 工作時發(fā)送編碼、調(diào)制后的高頻信號；PT2272 接收PT2262 發(fā)送的高頻信號并進(jìn)行解碼實現(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)信號處理及控制的核心，接收血氧、脈搏和水壓信號進(jìn)行分析評判，并控制二氧化碳充氣裝置實現(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)束后檢測遙控信號，當(dāng)接收到遙控裝置發(fā)送的“啟動”信號后，立即觸發(fā)二氧化碳充氣裝置，否則接收溺水識別裝置的血氧、脈搏和水壓信號。當(dāng)檢測到水位或生理參數(shù)異常時立即觸發(fā)二氧化碳充氣裝置，否則循環(huán)檢測遙控信號和溺水識別信號。

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：自動觸發(fā)、手動觸發(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)生時快速完成充氣，提供浮力，保證安全。經(jīng)過測試，此裝置操作簡單、可靠性高、實時性好，對避免青少年出現(xiàn)溺水問題具有很大實用價值。