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

據(jù)國(guó)際救生協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，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?yàn)樵谟斡镜倪^程中大多會(huì)產(chǎn)生抽筋和運(yùn)動(dòng)性休克的身體問題。與其他休閑運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目比較，溺水身亡的背后，是安全防護(hù)的缺失。目前的防護(hù)手段主要是依靠救生員和泳池管理員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，耗費(fèi)人力物力，且對(duì)專注力要求極高。因此設(shè)計(jì)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(shí)意義。

本文的設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和傳感器、無(wú)線通訊技術(shù)的智能泳池防溺水警報(bào)器及生理健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。

選取單片機(jī)為核心控制器，采用水壓傳感電路實(shí)現(xiàn)入水深度的檢測(cè)，生理參數(shù)檢測(cè)模塊測(cè)量游泳者的生理參數(shù)，無(wú)線發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)將身份標(biāo)簽信息與上位機(jī)傳輸，PC端通過算法進(jìn)行定位和健康狀態(tài)評(píng)估。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。游泳者下位機(jī)采用單片機(jī)系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、ZigBee 通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)傳感器模塊和報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控游泳者安全和監(jiān)測(cè)生理參數(shù)。定位基站實(shí)時(shí)監(jiān)控游泳者的位置，實(shí)現(xiàn)縮小營(yíng)救范圍，加快營(yíng)救速度。上位機(jī)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(xiǎn)區(qū)的警告燈光和振動(dòng)報(bào)警。在游泳者的頭沉入水后，根據(jù)水壓傳感器探測(cè)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(huì)發(fā)出光閃振動(dòng)的警告信號(hào)。一旦暫時(shí)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(hào)。當(dāng)游泳者一直在水下時(shí)，上位機(jī)沒有接收到對(duì)應(yīng)的ID，那么就會(huì)一直計(jì)時(shí)。利用該方法可以獲得游泳者的頭部入水的時(shí)長(zhǎng)，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，如果超過了30 s 就會(huì)失去聯(lián)系。同時(shí)上位機(jī)將接收來(lái)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(gè)生理參數(shù)，構(gòu)建6 個(gè)支持向量機(jī)。最后分為身體狀況良好、輕微失衡和嚴(yán)重失衡，失衡時(shí)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(jì)圖

圖2 生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，需要控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，所以本設(shè)計(jì)經(jīng)過比較最終選擇單片機(jī)的型號(hào)為STC12C5A60S2。雖然也屬于51 單片機(jī)一類，但比普通的單片機(jī)運(yùn)行速度更快，速度約為之前的8~12 倍。另外還具有獨(dú)立的串行接口和獨(dú)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(jì)的需求。單片機(jī)設(shè)計(jì)部分如圖3 所示。

2.2 水壓檢測(cè)模塊

HX711型微處理器的重量AD模組，是一款高達(dá)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?yàn)橹T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(jì)中，為方便試驗(yàn)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(chǎng)景。本設(shè)計(jì)選用的量程為5 kg。實(shí)物圖如下。

圖4 水壓檢測(cè)模塊實(shí)物圖

2.3 通信模塊

無(wú)線模塊選擇zigbee 模塊，具體型號(hào)為DL-20。本設(shè)計(jì)采用一對(duì)多的方式進(jìn)行連接，用3 臺(tái)下位機(jī)模擬3個(gè)泳者，編號(hào)分別為1、2、3。采用DL-20 的方式來(lái)進(jìn)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(jià)格比較便宜，可以用于串行的調(diào)試。

通過連接到無(wú)線通訊模塊和單片機(jī)的MCU，DL-20接收到來(lái)自于下位機(jī)的無(wú)線信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)的全部識(shí)別。上位機(jī)判斷是否有人落水和開始計(jì)時(shí)的依據(jù)是下位機(jī)即泳者頭部是否入水和入水時(shí)間，同時(shí)將檢測(cè)到的生理參數(shù)發(fā)送到上位機(jī)。3 臺(tái)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的標(biāo)簽是不同的。1 到3 號(hào)機(jī)分別發(fā)送“1”“2”和“3”，如下圖所示。

圖5 下位機(jī)顯示到的身份標(biāo)簽

2.4 JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)模塊

JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)單元依據(jù)PPG 光電容積脈搏波描記法、非貫穿式血壓測(cè)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(dòng)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(cè)量結(jié)果，一定程度上降低了人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下多項(xiàng)生理參數(shù)異常監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的復(fù)雜程度。JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)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(cè)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(jì)

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序通過對(duì)其他子程序的調(diào)用實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)游泳者的頭部沒入水中時(shí)間計(jì)時(shí)、識(shí)別游泳者的實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)溺水預(yù)警或報(bào)警、顯示游泳者的狀態(tài)以及向救生員發(fā)送救援信號(hào)。其中系統(tǒng)初始化包括了定時(shí)器0 和定時(shí)器1 的初始化，設(shè)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(shí)別程序設(shè)計(jì)

游泳者的狀態(tài)根據(jù)游泳者的頭部沒入水中時(shí)間來(lái)判斷，頭部沒入水中時(shí)間超過30 s 的判定為暫時(shí)失聯(lián)，超過50 s 的判定為超時(shí)失聯(lián)。游泳者頭部沒入水中時(shí)間通過定時(shí)器中斷次數(shù)來(lái)確定，定時(shí)器0 設(shè)置為50 ms 定時(shí)中斷一次，將每個(gè)游泳者對(duì)應(yīng)的定時(shí)中斷次數(shù)存放在1個(gè)數(shù)組中，每個(gè)游泳者對(duì)應(yīng)的定時(shí)器中斷次數(shù)為數(shù)組中的一個(gè)元素，當(dāng)接收到身份標(biāo)簽時(shí)，將數(shù)組中對(duì)應(yīng)的定時(shí)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(gè)元素清零。頭部露出水面的游泳者所攜帶的下位機(jī)會(huì)一直向本設(shè)計(jì)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(shí)中斷次數(shù)達(dá)到600 次，判定該游泳者為暫時(shí)失聯(lián)，當(dāng)某位游泳者的定時(shí)中斷次數(shù)達(dá)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(píng)估數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計(jì)

支持向量機(jī)（SVM）是一類按監(jiān)督學(xué)習(xí)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元分類的廣義線性分類器，其決策邊界是對(duì)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(cè)試樣本即可達(dá)到對(duì)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(gè)參數(shù)的綜合評(píng)估，且血壓數(shù)據(jù)分為高壓與低壓兩類，出于分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩比對(duì)的需要，程序中構(gòu)建6 個(gè)支持向量機(jī)，進(jìn)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(duì)，最終根據(jù)比對(duì)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出的結(jié)果，綜合判斷健康狀態(tài)，最后用LabVIEW 構(gòu)建評(píng)估界面。支持向量機(jī)分類原理概述圖如圖9 所示，評(píng)估界面示例如圖10所示。

圖9 支持向量機(jī)分類原理概述圖

圖10 評(píng)估界面示例

3.4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

App Inventor是一個(gè)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(lái)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(jì)，可在手機(jī)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(jì)如圖11 所示，邏輯設(shè)計(jì)如圖12 所示。

圖11 組件設(shè)計(jì)

圖12 邏輯設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

智能化時(shí)代的來(lái)臨促進(jìn)了智能化安全系統(tǒng)的發(fā)展，本設(shè)計(jì)含有智能泳池防溺水監(jiān)控系統(tǒng)、生理健康狀態(tài)評(píng)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(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能及時(shí)查看游泳者生理健康狀態(tài)，并對(duì)超水壓游泳者提出警報(bào)，快速發(fā)出監(jiān)控人員對(duì)溺水者做出援救的信號(hào)的裝置，能大大降低因?yàn)橛斡径鴰?lái)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(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方案和策略，不斷提高人們的身體素質(zhì)，增強(qiáng)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的身體機(jī)能和競(jìng)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）