全劉輝 李玉香 澹臺(tái)夢(mèng)陽(yáng) 胡騰達(dá)

摘要：水上樂(lè)園、江邊、水庫(kù)等大型游泳場(chǎng)所，常有客流量大或人流稀少的極端情況。雖然很多場(chǎng)所配備救生員，但也會(huì)出現(xiàn)不能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)溺水者并進(jìn)行施救。針對(duì)以上現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)線(xiàn)通信的視覺(jué)識(shí)別自動(dòng)救生系統(tǒng)。該系統(tǒng)手環(huán)部分以STM32微控制器為控制核心，使用MAX30102血氧心率集成芯片采集脈搏信號(hào)，經(jīng)STM32主控芯片預(yù)處理和特征提取，計(jì)算當(dāng)前的心率，從而判斷佩戴者是否遇險(xiǎn)。此外，手環(huán)采用無(wú)線(xiàn)充電方式，在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)打開(kāi)救生氣囊，為救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間；無(wú)線(xiàn)通信部分使用ZigBee將手環(huán)的報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，救生筏接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)視覺(jué)識(shí)別等方法進(jìn)行快速定位并迅速展開(kāi)救援。解決了傳統(tǒng)人力監(jiān)控因觀(guān)察不到位、發(fā)現(xiàn)不及時(shí)而錯(cuò)過(guò)黃金救援時(shí)期的問(wèn)題。大大降低了救援所需的時(shí)間，節(jié)省了人力和物力，保證了游泳者的生命安全。

關(guān)鍵詞：防溺水；心率檢測(cè)；無(wú)線(xiàn)通信；實(shí)時(shí)定位；無(wú)線(xiàn)充電

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）09-0096-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，溺水檢測(cè)研究已有40多年歷史，從初步探索逐漸進(jìn)入產(chǎn)品改進(jìn)階段，而我國(guó)在此領(lǐng)域的研究仍處于較初級(jí)階段。早在1976年，美國(guó)就有了游泳池報(bào)警專(zhuān)利，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，未得到廣泛應(yīng)用。2001年，法國(guó)公司推出了“海神號(hào)”系統(tǒng)，利用紅外線(xiàn)及RGB相機(jī)定位游泳者，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溺水檢測(cè)，但由于維護(hù)成本高昂，難以普及[1]。

當(dāng)前市場(chǎng)上的游泳輔助設(shè)備存在操作不便、攜帶笨重等問(wèn)題，而智能化產(chǎn)品的智能程度有限，缺乏交互性[2]。本項(xiàng)目研發(fā)的手環(huán)便攜、智能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上和線(xiàn)下的交互，實(shí)時(shí)傳輸游泳者的心率信息，便于及時(shí)救援。北京工業(yè)大學(xué)閆峰老師采用高清防水?dāng)z像機(jī)進(jìn)行圖像處理來(lái)識(shí)別溺水現(xiàn)象，但成本高昂且誤差大，例如水面晃動(dòng)、水質(zhì)混濁或人多遮擋時(shí)易導(dǎo)致漏報(bào)[3-4]。而本項(xiàng)目系統(tǒng)基于個(gè)人，不易受外界干擾。國(guó)內(nèi)已有的泳帽傳感器裝置，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)弱判斷溺水，但無(wú)法定位溺水者，救援時(shí)仍存困難[5]。本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)溺水報(bào)警，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控游泳者的身體狀況，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信及時(shí)接收求救信號(hào)，提供精準(zhǔn)救援。因此，本系統(tǒng)的研究對(duì)預(yù)防溺水事故具有重要意義。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以STM32系列單片機(jī)作為核心主控，建立起游泳者和施救系統(tǒng)之間的聯(lián)系。整個(gè)系統(tǒng)由心率監(jiān)測(cè)模塊、無(wú)線(xiàn)充電模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、物體識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)手環(huán)對(duì)游泳者心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷是否溺水，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下的自救以及及時(shí)向救生筏主節(jié)點(diǎn)報(bào)警。救生筏快速定位并迅速展開(kāi)救援，解決了過(guò)去傳統(tǒng)的人力監(jiān)控可能出現(xiàn)的觀(guān)察不到位、發(fā)現(xiàn)不及時(shí)而錯(cuò)過(guò)黃金救援時(shí)期的問(wèn)題。這顯著降低了救援所需的時(shí)間，節(jié)省了人力和物力，確保了游泳者的生命安全。

在游泳場(chǎng)所范圍內(nèi)，通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)的全覆蓋實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)。手環(huán)通過(guò)MAX30102血氧心率傳感器采集佩戴者的心率數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析心率變化[6]。一旦遇到險(xiǎn)情，如果佩戴者的心率異常觸發(fā)了遇險(xiǎn)條件，手環(huán)會(huì)自動(dòng)彈開(kāi)救生氣囊，防止佩戴者下沉，為救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。此外，也可手動(dòng)打開(kāi)救生氣囊。同時(shí)，主控芯片通過(guò)ZigBee向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送求救信號(hào)，在彈開(kāi)救生氣囊的同時(shí)，救生筏接收到信號(hào)后啟動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)器視覺(jué)模塊進(jìn)行識(shí)別鎖定，并將數(shù)據(jù)傳輸給救生筏。救生筏通過(guò)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

3 硬件部分

3.1 心率檢測(cè)

系統(tǒng)的心率檢測(cè)采用MAX30102傳感器，它是一款集成了高靈敏度心率脈搏檢測(cè)的傳感模塊。心率檢測(cè)采用的是動(dòng)脈血壓法，該方法的原理是心臟的收縮與舒張會(huì)引起血液呈脈動(dòng)流動(dòng)，同時(shí)血管的壓力也會(huì)產(chǎn)生變化。傳感器在采樣時(shí)，發(fā)射區(qū)的紅外光經(jīng)過(guò)血液反射后返回接收區(qū)，接收到的數(shù)值通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器計(jì)算出心率以及血氧飽和度。當(dāng)接收到的信號(hào)為峰值時(shí)，表示心臟收縮，血管壓力增大；反之，心臟舒張，血管壓力減小。

人體在正常情況下的心率范圍為60～100次/分鐘，正常游泳情況下為120～130次/分鐘，而受到驚嚇時(shí)可達(dá)到180～200次/分鐘。根據(jù)以上幾點(diǎn)，本研究將心率異常情況定義為持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定閾值的情況，其中正常范圍為55～160次/分鐘，超過(guò)160次/分鐘或低于50次/分鐘則屬于異常情況，可能意味著溺水等危險(xiǎn)狀態(tài)。心率異常持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3.2 無(wú)線(xiàn)通信及定位

系統(tǒng)選用ZigBee（低速短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)）作為傳輸媒介，主要工作頻段在2.4GHz，可配置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或廣播工作模式，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)交互，還支持不間斷發(fā)送，不限包長(zhǎng)且傳輸速度快，最高能達(dá)到3 300bps。為了定位更準(zhǔn)確，將ZigBee與GPS結(jié)合，提供更實(shí)時(shí)和精確的坐標(biāo)位置。GPS接收模塊通過(guò)串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，只需在解析數(shù)據(jù)時(shí)提取GPS接收的冗余信息。在初始化時(shí)，通過(guò)MCU發(fā)送相關(guān)配置指令進(jìn)行第一輪篩選，只保留 GPRMC 語(yǔ)句，其中包含 UTC 時(shí)間、定位狀態(tài)、經(jīng)緯度信息、磁偏角、模式指示等；然后進(jìn)行時(shí)間和經(jīng)緯度的第二輪篩選，進(jìn)一步減少冗余數(shù)據(jù)，也節(jié)省了發(fā)送成本，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.3 視覺(jué)識(shí)別及定位

采用OpenMV進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別輔助定位，系統(tǒng)接收到報(bào)警后，OpenMV攝像頭啟動(dòng)，識(shí)別救生氣囊的顏色和位置，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給救生筏。為了提高識(shí)別準(zhǔn)確性，需要對(duì)救生氣囊在水下的各種狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使定位更加精準(zhǔn)。攝像頭向主控傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀頭使用“0x2c”標(biāo)識(shí)，幀尾使用“0x5b”標(biāo)識(shí)，編號(hào)長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)報(bào)警及救生設(shè)備

救生筏在接收到報(bào)警時(shí)，采用蜂鳴器和LED燈閃爍的方式表示接收到的報(bào)警信號(hào)。救生筏的推進(jìn)器通過(guò)單片機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其電調(diào)的PWM頻率為50Hz，脈寬范圍是800～2 200us，將脈寬調(diào)至1 500～2 200us時(shí)為正轉(zhuǎn)，1 200～800us時(shí)為反轉(zhuǎn)。

3.5 救生系統(tǒng)的防水保護(hù)

由于救生裝置使用場(chǎng)景為水中，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行防水處理。為了滿(mǎn)足水上作業(yè)的需求，將系統(tǒng)的電池和電路板封裝在防水外殼內(nèi)，對(duì)邊緣等部位進(jìn)行灌膠密封處理，以確保更好的防水密封性。

3.6 電池的續(xù)航

為解決系統(tǒng)封裝后電池充電問(wèn)題，采用無(wú)線(xiàn)充電方式對(duì)電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)電池的循環(huán)利用。系統(tǒng)將無(wú)線(xiàn)充電裝置作為發(fā)射端，手環(huán)作為接收端，利用磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理，在發(fā)射端直流電經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)充電的主控芯片、全橋芯片、諧振電容、線(xiàn)圈等組成的LC諧振電路后，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，交流電施加至線(xiàn)圈產(chǎn)生交變電壓從而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。在接收端靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同頻率的交變電壓，交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后變成直流電，最終輸出到電池完成充電。為了減少能量的損耗，手環(huán)的感應(yīng)線(xiàn)圈緊貼于內(nèi)壁。利用無(wú)線(xiàn)充電方法，免去了拆開(kāi)裝置的煩瑣步驟，也提高了設(shè)備的防水性能。

4 軟件部分

本系統(tǒng)采用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，OpenMVIDE編寫(xiě)軟件對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行代碼編寫(xiě)，以STM32作為主控，結(jié)合心率傳感器、OpenMV攝像頭、ZigBee、蜂鳴器、LED燈、水下推進(jìn)器等實(shí)現(xiàn)救援任務(wù)[7]。手環(huán)檢測(cè)到心率異常后報(bào)警，打開(kāi)救生氣囊并發(fā)送求救信號(hào)，求救信號(hào)通過(guò)ZigBee將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄壬?，救生筏根?jù)GPS定位信息驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器使之靠近溺水者，OpenMV使救生筏更精確地定位到達(dá)求救者附近。硬件程序設(shè)計(jì)分為主程序、心率采集程序、GPS定位程序、OpenMV圖像識(shí)別定位程序、推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)程序等模塊。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

為了檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)的心率檢測(cè)進(jìn)行不同狀態(tài)下的測(cè)試，獲得準(zhǔn)確的心率閾值。具體測(cè)試結(jié)果如表2～4所示。測(cè)試類(lèi)型包括游泳者在水下靜止或運(yùn)動(dòng)量較小情況下的測(cè)試、在水下劇烈運(yùn)動(dòng)情況下的測(cè)試以及不會(huì)游泳者在水下受驚嚇時(shí)的測(cè)試。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)推斷出不同情況下游泳者在水下活動(dòng)的心率狀態(tài)，從而推斷出較合適的閾值，以此確定心率異常的閾值范圍，從而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的心率檢測(cè)閾值設(shè)計(jì)在55～160次/分鐘為正常情況，大于160次/分鐘或小于50次/分鐘為異常情況[8]。

6 結(jié)論

救生手環(huán)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的心率。一旦檢測(cè)到心率超出安全范圍，即判定佩戴者遇險(xiǎn)。在遇險(xiǎn)時(shí)，手環(huán)會(huì)立即發(fā)出求救信號(hào)，并自動(dòng)展開(kāi)救生氣囊，確保佩戴者不會(huì)因溺水而下沉。同時(shí)，通過(guò)ZigBee技術(shù)將遇險(xiǎn)數(shù)據(jù)傳輸給救生筏，而GPS則對(duì)溺水者進(jìn)行初步定位。當(dāng)救生筏靠近溺水者時(shí)，OpenMV會(huì)進(jìn)行精確的定位。接收到數(shù)據(jù)后，救生筏會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，并控制推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)，迅速展開(kāi)營(yíng)救。此外，手環(huán)采用無(wú)線(xiàn)充電設(shè)計(jì)，不僅免去了拆解裝置的煩瑣，也進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)備的防水性能，確保在緊急情況下能夠可靠工作。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】