叢高翔 馬天洋 羅明軒 鄭梓文 曾鵬輝 賈曉強(qiáng)

摘要：針對(duì)現(xiàn)在社會(huì)上缺少智能游泳救生裝備的問題，該文設(shè)計(jì)了一款基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能防溺水呼救護(hù)腕——智能游泳衛(wèi)士。智能游泳衛(wèi)士可以通過佩戴者的心率、血氧含量、位置、所處環(huán)境濕度等信息進(jìn)行綜合測(cè)定與判斷，當(dāng)檢測(cè)到佩戴者的生命體征等信息開始出現(xiàn)不正常的波動(dòng)或存在向溺水狀態(tài)靠近時(shí)，裝置需要立刻將信息向手機(jī)客戶端發(fā)送預(yù)警信號(hào)。此外智能游泳衛(wèi)士還配有北斗GPS定位模塊，用戶家人或親屬可以第一時(shí)間通過手機(jī)App查看使用這兒的位置信息，從而最大限度地減少溺水帶來的意外事故。

關(guān)鍵詞： STM32; 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù); 北斗GPS定位;游泳救生; 溺水事故

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）02-0065-02

1 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，占1～14歲兒童意外死亡的前五大原因之一是游泳溺水死亡[1]。每年有3萬名左右的兒童死于溺水事故，溺水死亡占0～14歲兒童少年意外死亡的六成之多[2]。傳統(tǒng)的救生設(shè)備如救生背心和救生圈等，在救援時(shí)較為笨拙且不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)溺水者，沒有智能化的救援設(shè)備也間接的造成溺水事故的頻繁發(fā)生[3]?；赟TM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能游泳呼救護(hù)腕（智能游泳衛(wèi)士）能有效地解決溺水發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問題，對(duì)智能游泳救生領(lǐng)域的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

2 智能游泳衛(wèi)士的設(shè)計(jì)思路

智能游泳衛(wèi)士的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[4]，整個(gè)系統(tǒng)共分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)基本層構(gòu)成。具體的傳感器和服務(wù)器由智能游泳衛(wèi)士的系統(tǒng)設(shè)計(jì)連接圖如圖1所示，每層的設(shè)計(jì)思路如下。

2.1 智能游泳衛(wèi)士的感知層

硬件感知層采用 STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心[5]，運(yùn)用北斗GPS 定位模塊，GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊，心率測(cè)量傳感器，脈搏傳感器和九軸姿態(tài)傳感器等相關(guān)監(jiān)測(cè)人體生理狀況的傳感器設(shè)備，可以大大提高溺水者的位置信息的精確度。

2.2 智能游泳衛(wèi)士的傳輸層

傳輸層搭建MQTT Broker[6]，作為消息的中轉(zhuǎn)保證信息的安全。通過訂閱 GPRS推送上的Basic Data并進(jìn)行處理。然后，通過MySql Connector將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)MySql數(shù)據(jù)庫，用作存儲(chǔ)備份。當(dāng)手機(jī)客戶端請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，將Basic Data 與 Processed Data再遞交到Client service ，通過前端頁面來展現(xiàn)所有數(shù)據(jù)。用戶界面有更直觀的圖標(biāo)與更清晰的數(shù)據(jù)，給用戶更直觀的變化。用戶還可以查看歷史數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的預(yù)測(cè)。

2.3 智能游泳衛(wèi)士的傳應(yīng)用層

智能游泳衛(wèi)士的App 使用 uni-app前端應(yīng)用的框架[7]，可發(fā)布到iOS、Android、H5、以及各種小程序（微信、頭條、QQ、釘釘）等多個(gè)平臺(tái)。App的頁面文件遵循Vue單文件組件 （SFC）規(guī)范，數(shù)據(jù)綁定和事件處理遵循 Vue.js 規(guī)范[8]。系統(tǒng)還優(yōu)化了多端運(yùn)行、編譯速度和運(yùn)行性能等問題。

3 智能游泳衛(wèi)士的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 PCB設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了使設(shè)計(jì)核心可以適用于游泳手環(huán)，本文將所有硬件感知模塊繪制到PCB電路板上，可以避免不必要的空間浪費(fèi)。針對(duì)PCB的繪制，本文對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，如圖2所示，在完成器件的封裝后，根據(jù)對(duì)應(yīng)的連接進(jìn)行布局，為了盡量減小空間占用，將成品的傳感器繪制重疊起來，這樣可以減小板子的面積，在進(jìn)行焊接時(shí)，可以直接將傳感器焊接到核心電路板上。

3.2 STM32F103最小系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

STM32F103主控核心板的算法設(shè)計(jì)流程如圖3所示，九軸姿態(tài)傳感器、GPS模塊、心率血氧模塊、人體溫度模塊均有核心板STM32F103C8T6控制，經(jīng)過綜合數(shù)據(jù)處理后判斷使用者是否有溺水的情況發(fā)生，如果有那么就會(huì)彈出手環(huán)的安全氣囊。

3.3 智能游泳衛(wèi)士手機(jī)App

為了給用戶提供更好的體驗(yàn)，智能游泳衛(wèi)士的手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)選用vscode開發(fā)工具，在技術(shù)上運(yùn)用 echarts與vant進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。用戶下載并注冊(cè)信息后，可以實(shí)時(shí)地查看自己游泳時(shí)的心率，血氧含量，運(yùn)動(dòng)速率和查看歷史記錄等功能。此外，手機(jī)App還能通過北斗GPS實(shí)時(shí)定位使用者的地理位置信息，如果不幸發(fā)生意外可以找到位置并給予救援。

4 結(jié)論

智能游泳衛(wèi)士具有便捷性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，切合實(shí)際地解決了目前溺水發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問題，能夠有效地減少溺水事故的發(fā)生。智能游泳救生設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，解決了目前市場(chǎng)上傳感器和游泳設(shè)備相結(jié)合的空缺，具有良好的社會(huì)價(jià)值，可廣泛地運(yùn)用于各地游泳館、海水浴場(chǎng)和方塘水庫等多種溺水事故頻發(fā)地段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 上海市疾病預(yù)防控制中心.夏季兒童溺水高發(fā)，防范意識(shí)不能少[J].生命與災(zāi)害，2019（8）：20-21.

[2] World Health Organization. Global report on drowning： preventing a leading killer[R]. Geneva： World Health Organization，2014.

[3] 孫永泉.可穿戴救生裝置開發(fā)及浴場(chǎng)智能救生系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2019.

[4] 官國(guó)飛，宋慶武，張萬生，等.基于邊緣計(jì)算與強(qiáng)化學(xué)習(xí)的配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究與應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2020，38（7）：14-22.

[5] 李國(guó)瀧，楊開建，程雙鈺，等.基于STM32的脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2020（11）：23-25.

[6] 趙政，王彥冰.基于MQTT協(xié)議的遠(yuǎn)程管理智能化Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（22）：100-102.

[7] 肖文娟，王加勝.基于Vue和Spring Boot的校園記錄管理Web App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2020，37（4）：25-30，88.

[8] 吳志霞，葉根梅，甘麗，等.基于Vue.js框架實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)可視化研究與實(shí)踐[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，41（6）：62-66.

[9] 韓洪勇，冉春晴，陳碩.基于Echarts和Flask的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)[J].中國(guó)新通信，2020，22（12）：59.

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