王玲，魏芳波，陳妮婷

（漢江師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北十堰， 442000）

0 引言

隨著科技推動(dòng)時(shí)代更迭，人民對(duì)美好生活的需求日益增長(zhǎng)，帶來全新的市場(chǎng)需求，新型市場(chǎng)需求引領(lǐng)各類新興技術(shù)不斷更替。另一方面，每年溺亡事件時(shí)有發(fā)生，官方不完全統(tǒng)計(jì)溺亡數(shù)據(jù)更是駭人聽聞，防溺水問題迫在眉睫地需要被解決。本設(shè)計(jì)基于第三次科技浪潮的爆發(fā)，以現(xiàn)市場(chǎng)所存在的智能手環(huán)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款具有防溺水功能的智能防溺水手環(huán)，使佩戴智能防溺水手環(huán)的游泳人員可在發(fā)生溺亡危險(xiǎn)時(shí)得到一定保護(hù)。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

本智能防溺水手環(huán)能夠迅速判斷危險(xiǎn)信號(hào)并將其自動(dòng)定位的危險(xiǎn)信號(hào)傳出，與此同時(shí)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，警報(bào)聲能引起周圍人的注意從而獲得救助。除此之外，GPRS或者GSM的網(wǎng)絡(luò)可以快速將游泳者溺水的信息發(fā)送至與手環(huán)連接的監(jiān)控端，與手環(huán)連接的監(jiān)控端就會(huì)收到來自無線發(fā)射器發(fā)出的報(bào)警求救信號(hào)，提示游泳者發(fā)生了危險(xiǎn)，進(jìn)而實(shí)施必要措施進(jìn)行營(yíng)救，有效地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警和無線網(wǎng)絡(luò)傳播的功能，在一定程度上減少了因溺水死亡的概率。

■1.1 報(bào)警系統(tǒng)的總體功能

第一個(gè)功能是遠(yuǎn)程報(bào)警功能。在手環(huán)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)游泳人員的心率，利用手環(huán)的無線通信功能把游泳者的信息傳送給予手環(huán)監(jiān)測(cè)端的工作人員。如果發(fā)生溺水，手環(huán)會(huì)迅速識(shí)別并發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警，向監(jiān)控手環(huán)的人員發(fā)出求救信號(hào)的同時(shí)通過警報(bào)聲引起周圍路人的注意。第二個(gè)功能是GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，可以利用GSM模塊發(fā)送短信或撥打電話至手環(huán)連接另一端，讓救援人員知道游泳者溺水的信息并立即采取救援。

■1.2 報(bào)警系統(tǒng)的工作流程

報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖如圖1所示，圖中主控制器模塊AT89C51是整個(gè)手環(huán)的中心，電源供電，利用按鍵板塊設(shè)置報(bào)警閾值的調(diào)節(jié)[1,2]，游泳者的心率作為待測(cè)對(duì)象，檢測(cè)到的心率值可以通過顯示模塊進(jìn)行顯示，報(bào)警模塊是在預(yù)設(shè)的心率值外時(shí)發(fā)出警報(bào)聲。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)工作流程圖

通過心率傳感器監(jiān)測(cè)游泳者的心率變化，心率值過低或者過高時(shí)，都會(huì)有信號(hào)產(chǎn)生，這種情況下游泳者很有可能處于溺水狀態(tài)。在GPRS模塊與接收裝置端接收信號(hào)[3]，通過GPRS模塊第一時(shí)間將游泳者的信息傳達(dá)到手環(huán)監(jiān)測(cè)終端，救援人員可以及時(shí)采取有效措施對(duì)溺水者進(jìn)行施救。

2 系統(tǒng)硬件和軟件分析

■2.1 報(bào)警系統(tǒng)主要框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)防溺水手環(huán)報(bào)警系統(tǒng)，分為控制功能消耗部分、波形產(chǎn)生部分和信號(hào)采集與分析部分報(bào)警系統(tǒng)。其中，控制功能消耗的脈沖波形產(chǎn)生、波形產(chǎn)生和報(bào)警信號(hào)分析三部分共同構(gòu)成主控制模塊。主要結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 報(bào)警系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

控制功能消耗部分，由控制功能消耗的脈沖產(chǎn)生和脈沖驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。在一定程度上可以用于減少報(bào)警系統(tǒng)的功能損耗。主控制模塊產(chǎn)生的用于控制功能消耗的脈沖信號(hào)，通過脈沖驅(qū)動(dòng)電路到達(dá)音頻放大電路并控制音頻放大電路的工作[4]。當(dāng)報(bào)警系統(tǒng)不發(fā)出警報(bào)聲的時(shí)候，可以通過關(guān)閉音頻放大電路來減少報(bào)警系統(tǒng)的功能損耗。

波形產(chǎn)生部分分為波形產(chǎn)生、波形驅(qū)動(dòng)電路和音頻放大電路三部分。發(fā)生溺水時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)接收到異常信號(hào)發(fā)出警報(bào)聲，主控制模塊控制波形產(chǎn)生，使產(chǎn)生的波形經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路和音頻放大電路，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲。

報(bào)警信號(hào)采集與分析部分，用來監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)和發(fā)出的警報(bào)聲，在報(bào)警系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，揚(yáng)聲器接收的警報(bào)聲經(jīng)報(bào)警信號(hào)采集電路采集后，通過主控制模塊對(duì)采集到的警報(bào)聲進(jìn)行識(shí)別和分析，當(dāng)發(fā)出異常的警報(bào)聲時(shí)，手環(huán)信息接收端就會(huì)收到緊急報(bào)警的信號(hào)，同時(shí)將定位游泳者的位置采取必要的措施進(jìn)行救援。

揚(yáng)聲器模塊用于將產(chǎn)生的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成手環(huán)報(bào)警聲音信號(hào)。

通信模塊是用于接收?qǐng)?bào)警系統(tǒng)發(fā)出的異常信息，通過定位對(duì)游泳者實(shí)施救援，同時(shí)定時(shí)向監(jiān)測(cè)端發(fā)送報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

■2.2 報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

選用AT89C51為主控制器、ST188心率傳感器監(jiān)測(cè)心率，蜂鳴器作為報(bào)警模塊中的發(fā)聲元件，顯示模塊用于顯示采集到的心率、時(shí)間等。主控電路部分電路圖如圖3所示，微處理器主控芯片AT89C51作為核心元件，MCU最小控制系統(tǒng)為主控電路，控制整個(gè)電路系統(tǒng)。晶振電路一般接在反相放大器的兩端，晶振兩端并聯(lián)兩個(gè)電容，每一個(gè)電容的一端與晶振連接，另一端接地，形成一個(gè)正弦波振蕩電路，晶振電路的存在有利于各部分保持同步，維持電路中所需要的時(shí)鐘頻率運(yùn)行。低通濾波電路如圖4所示，由于人體脈搏信號(hào)極其微弱，脈搏信號(hào)采集成功后，輸出的脈搏信號(hào)中夾雜著高頻信號(hào)和噪音，采用UA741通用運(yùn)算放大器，與電阻和電容共同組成低通濾波電路，過濾掉高頻干擾信號(hào)。

圖3 主控電路部分電路圖

圖4 低通濾波電路

■2.3 報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括信息采集終端和信息接收終端，這兩個(gè)程序均需要經(jīng)過初始化后再傳輸，以及接收。系統(tǒng)通上電后，每個(gè)模塊都需要先經(jīng)過初始化操作，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏斈K，接收端接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行終端處理。系統(tǒng)接收到的信號(hào)經(jīng)GPRS通信模塊傳送給智能監(jiān)測(cè)終端，與此同時(shí)手環(huán)發(fā)出警報(bào)聲。信息采集端流程圖和信息接收端流程圖如圖5、圖6所示。

圖5 信息采集端流程圖

圖6 信息接收端流程圖

采集信息系統(tǒng)啟動(dòng)后，需初始化硬件設(shè)備，經(jīng)過通信通道將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉K端。系統(tǒng)處于準(zhǔn)備階段，如果游泳者的心率發(fā)生較大波動(dòng)，底層信號(hào)收集端將開始采集心率信號(hào)，從底層收集的心率信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化傳輸給心率信號(hào)接收端，若同意接收心率信號(hào)后，經(jīng)初始化采集傳輸，采集傳輸完畢則此次采集信息結(jié)束，若采集傳輸失敗則再次采集傳輸，直到信號(hào)采集傳輸完畢。若接收的信號(hào)沒有得到同意，也需返回準(zhǔn)備接受心率信號(hào)的階段重新接收信號(hào)，重復(fù)操作直至采集信息成功。

信息接收系統(tǒng)啟動(dòng)后，同樣需要初始化硬件設(shè)備，經(jīng)通信通道將接收到的信息傳輸?shù)浇邮战K端。進(jìn)入準(zhǔn)備接收信號(hào)端，若信號(hào)接收失敗，則重新準(zhǔn)備接收信號(hào)，若成功接收信號(hào)，則通過GPRS通信模塊將接收到的信號(hào)傳輸?shù)浇K端并結(jié)束信息接收。

■2.4 數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理使用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。計(jì)算心率的報(bào)警閾值采用的是反向傳播算法，實(shí)際輸出依照輸入到輸出的順序進(jìn)行計(jì)算，相反修正權(quán)值和閾值依照輸出到輸入的順序進(jìn)行[6]。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中，有輸入層、隱藏層和輸出層三層結(jié)構(gòu)[7]。輸入層得到采集的心率信號(hào)值后，會(huì)把這個(gè)值傳給隱藏層，隱藏層會(huì)判斷這個(gè)值并依據(jù)規(guī)則把這個(gè)值傳輸給輸出層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在輸入層與輸出層間增添的一層或者多層神經(jīng)元，每一層之間的連接方式是一對(duì)多的形式被稱為隱單元神經(jīng)元在同層之間互不相連[8]。為達(dá)到輸出函數(shù)須連續(xù)且可微的要求，把Sigmoid函數(shù)作為輸出層的激活函數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)輸入層中的某一個(gè)神經(jīng)元信號(hào)用ix表示，隱藏層神經(jīng)元的輸出用yj表示，輸出層神經(jīng)元信號(hào)用zh表示，目標(biāo)信號(hào)用kT表示，輸入層與隱藏層間神經(jīng)元的權(quán)值為wij，實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的誤差用Δ表示，n、m、r分別表示輸入層、隱藏層和輸出層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)，輸入層到隱藏層的閾值為jθ，隱藏層到輸出層的閾值為 iγ，步長(zhǎng)用η表示，慣性系數(shù)用α表示式。其中，式(1)、式(2)為隱藏層神經(jīng)元的輸出，式(3)、式(4)為輸出層神經(jīng)元輸出，式(5)為誤差函數(shù)，式(6)為局部梯度，式(7)誤差對(duì)連續(xù)權(quán)值的偏微分。

權(quán)值與閾值的修正量：

令Sigmoid函數(shù)：

成立：

為了加快網(wǎng)絡(luò)收斂的速度，用式(10)來表示式(8)中的權(quán)值修正量：

3 報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試

本設(shè)計(jì)主要通過采集游泳者的心率數(shù)據(jù)作為自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)據(jù)來源，分別在安靜狀態(tài)下和游泳對(duì)游泳者心率變化進(jìn)行分析，報(bào)警系統(tǒng)在接收到異常心率值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，各選取100組在不同強(qiáng)度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]。通過在不同強(qiáng)度下進(jìn)行測(cè)試來驗(yàn)證報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與靈敏性[10]。其中表1為安靜狀態(tài)下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為游泳時(shí)的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 安靜狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

表2 游泳時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

經(jīng)測(cè)驗(yàn)可知，安靜狀態(tài)下人的正常心率在60~100次/分鐘之間，小于60或大于100時(shí)手環(huán)的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，游泳時(shí)人的正常心率在120~130之間，小于120或130時(shí)手環(huán)的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)識(shí)別異常心率值觸發(fā)報(bào)警。

4 結(jié)論

目前在防溺水智能手環(huán)的設(shè)計(jì)上仍在不斷地改造升級(jí)階段，本文以智能手環(huán)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能為核心，通過心率值來判斷游泳者是否溺水，當(dāng)游泳者的心率值不在正常閾值范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并向手環(huán)監(jiān)控端傳達(dá)求救信息。本設(shè)計(jì)為突出優(yōu)勢(shì)在于可運(yùn)用于室外場(chǎng)所，在沒有救援人員的情況提供一種求救措施，以避免因溺水死亡事件發(fā)生。