雒 珊 楊嘉航 劉洪瑞

（呂梁學院物理系，山西 呂梁 033001）

1 引言

近年來隨著水上健身運動的發(fā)展，隨之而來發(fā)生的溺水死亡事故也呈逐年上升的趨勢。據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)表的《全球溺水報告：預防一個主要殺手》報告稱，溺水能造成毀滅性影響，溺水是全世界各區(qū)域兒童和青年的十大主要死因之一。全球每年共有37.2萬人溺亡[1]。

為了減少溺水事件發(fā)生，目前正規(guī)的游泳池都配備救生員，救生員實時觀察泳池內的情況，隨時做好救援準備，但這種監(jiān)控手段弊端非常明顯：一是如果泳池比較大，一個救生員無法全面看顧，需要配備多個救生員，成本開支會比較大；二是如果泳池內人員密集，肉眼或監(jiān)控很難發(fā)現(xiàn)是否有人員出現(xiàn)溺水險情，可能錯過險情。因此，對于泳池監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)方案設計

本裝置由一個發(fā)射器、一個接收器組成，發(fā)射器與接收器之間采用無線數(shù)傳模塊（WSN_31）進行數(shù)據(jù)通信。其中，發(fā)射器是一款為游泳者專門設計的頭戴式頭箍，外形如圖1所示，硬件構成如圖2所示。系統(tǒng)以MCU微處理器為核心，結合電源、水位電極模塊、無線模塊、蜂鳴器、LED 燈帶及人機對話電路組成。工作原理為：當兩個水位電極浸入水中，通過電路檢測為導通狀態(tài)時，系統(tǒng)開始計時，當超過設定時間（時間由人機對話電路自定義設置，默認是30s），開啟報警模式（開啟LED燈帶及蜂鳴器），并將險情信息通過無線模塊發(fā)送至接收器；當兩個水位電極為斷開狀態(tài)時（至少有一個水位電極離開水面），關閉報警模式（關閉LED 燈帶及蜂鳴器）。接收端的系統(tǒng)硬件構成圖如圖3，接收器由救生員隨身攜帶。

圖1 頭箍外形

圖2 發(fā)射器硬件構成圖

圖3 接收器硬件構成圖

其中，1是一對水電極，2是頭箍上的一圈LED燈帶。

3 硬件電路設計

發(fā)射器硬件電路原理圖如圖4，接收器硬件電路原理圖如圖5所示。

圖4 發(fā)射器硬件電路圖

圖5 接收器硬件電路圖

（1）電源電路

電源電路分為兩個部分：供電電路及低電壓提示電路。在發(fā)射器及接收器的供電電路中，3.7V 鋰電池通過ME6209A33M3G 芯片，轉換為3.3V。在發(fā)射器中，3.7V 給LED燈帶供電，3.3V給蜂鳴器、無線模塊、水位電極模塊及人機對話電路供電；在接收器中，3.7V 給LED 燈帶供電，3.3V給蜂鳴器、無線模塊及振動馬達驅動電路供電。

（2）水位電極模塊

兩個水位電極即石墨棒銅柱電極，一個接入3.3v電壓，另一個通過電阻接到三極管的基極。當兩個銅柱電極均浸入水中時，電極導通（即P4 為導通），經(jīng)過三極管，此時STM32 單片機的PB7口采集到的電壓為0V；當銅柱電極至少有一個不在水中時，P4不導通，因此三極管無法導通，此時PB7口采集到的電壓為3.3V。發(fā)射器通過采集PB7口的狀態(tài)信息，判斷是否水位電極是否導通；若導通，則系統(tǒng)開始計時。

（3）人機對話電路

人機對話電路由一個3位共陽數(shù)碼管及按鍵構成，如圖4所示。由此電路自定義設置觸發(fā)報警的時長。按鍵有3個，分別為：時間加鍵S1、時間減鍵S2、確認鍵S3。根據(jù)需要按下時間加減鍵，其中，按鍵修改時間步長為1s，范圍為（10s～200s），設置結束后，按下確認鍵進行保存，該設置值掉電不丟失。當發(fā)射器完全浸入水中，此時兩個電極為導通狀態(tài)，系統(tǒng)開始計時，分為兩種模式。模式一：當計時時間到達此設定值之前，兩個電極為斷開狀態(tài)（至少有一個電極離開水面），此時計時清零，等待開始下一次計時。模式二：當計時時間到達此設定值，兩個電極依然為導通狀態(tài)，則發(fā)射器開啟報警模式，直到兩個電極斷開，此時發(fā)射器停止報警模式。

（4）LED燈帶

LED 燈帶通過PB8 口發(fā)出高低電平信號，經(jīng)過三極管（ss8050），控制LED 燈帶的亮滅（高電平時，點亮LED 燈帶；低電平時，關閉LED燈帶）。

（5）振動馬達驅動電路

振動馬達驅動電路由PB10 發(fā)出高低電平信號，經(jīng)過三極管，驅動P4（馬達），從而控制馬達振動或停止（高電平時，馬達通電，振動；反之，停止振動）。

（6）無線數(shù)傳模塊

將無線數(shù)傳模塊（WSN_31）上的SET引腳設置為低電平設置相應參數(shù)（包括網(wǎng)絡編號、工作模式、波特率、無線信道、無線功率、數(shù)據(jù)位、校驗位等）后，將此引腳懸空，處于工作狀態(tài)時，由發(fā)射器檢測、判斷是否為溺水狀態(tài)，從而將狀態(tài)信息通過無線模塊發(fā)送至接收器，接收器的無線模塊通過串口引腳（RXD、TXD）接收對應信息。具體來說，共有兩次數(shù)據(jù)傳輸過程：

1）當發(fā)射器中的水位電極浸入水中導通時長超過設定值時，發(fā)射器開啟報警模式的同時，向接收器發(fā)送報警信號；

2）在1)的前提下，當發(fā)射器中的兩個電極為斷開狀態(tài)時，發(fā)射器關閉報警模式的同時，向接收器發(fā)送解除報警信號。

4 PCB板設計及制作

（1）發(fā)射器

采用AD電路設計軟件，設計出的發(fā)射器的PCB設計如圖6 所示，圖（a）包括型號為STM32F103 的MCU 微處理器、水位電極模塊、無線模塊、蜂鳴器及LED燈帶；圖（b）為人機對話電路模塊，對應的實物圖如圖7所示。當裝置完全浸入水中并超過設定時間時，處理器會控制LED燈帶以及蜂鳴器進行報警，并通過無線模塊將報警信息發(fā)送至接收器；當裝置檢測到水位電極模塊為斷開狀態(tài)時，裝置停止報警模式，并將解除報警信息發(fā)送至接收器模塊。

圖6 發(fā)射器PCB設計圖

圖7 發(fā)射器PCB實物圖

（2）接收器

接收器的PCB 設計如圖8 所示，對應的實物圖如圖9 所示。接收器包括MCU 微處理器、無線模塊、蜂鳴器、LED 燈帶及振動馬達驅動電路。通過無線模塊接收來自發(fā)射器的信息，當接收到報警信息時，控制LED燈帶、蜂鳴器以及振動馬達工作，以此提醒管理員及時進行施救工作；當接收到解除報警信息時，即成功解救溺水者，此時關閉報警模式。

圖8 接收器PCB設計圖

圖9 接收器PCB實物圖

5 軟件程序設計

（1）發(fā)射器軟件設計

發(fā)射器軟件流程圖如圖10所示，通過傳感器（水位電極）檢測方式判斷游泳者是否為溺水狀態(tài)，若為正常游泳狀態(tài)，則繼續(xù)等待監(jiān)測下一次的狀態(tài)，若為溺水狀態(tài)，則通過無線模塊向接收器發(fā)送報警信息并開啟報警模式（開啟LED燈帶以及蜂鳴器），之后通過傳感器狀態(tài)繼續(xù)判斷溺水者是否脫離危險，若脫離危險，則通過無線模塊向接收器發(fā)送解除報警信息，并關閉報警模式（關閉LED燈帶以及蜂鳴器）。

圖10 發(fā)射器工作流程圖

（2）接收器軟件設計

接收器工作流程圖如圖11所示，當接收到報警信息時，接收器開啟報警模式（開啟LED燈帶、蜂鳴器及振動馬達），通知工作人員有溺水情況發(fā)生，當接收到發(fā)射器發(fā)送解除警報信息時，關閉報警模式（關閉LED 燈帶、蜂鳴器及振動馬達）。

圖11 接收器工作流程圖

7 結語

通過實驗和測試，本設計基于無線通信的水中主動式呼救裝置，發(fā)射器主要利用了傳感器監(jiān)測技術，由游泳者攜帶，通過雙電極式水位傳感器檢測判斷游泳者是否完全在水下，以及在水下的持續(xù)時間，如果超過了設定時間，判斷為溺水狀態(tài)，此時開啟聲光報警模式，并將報警信息以無線通信方式發(fā)送至接收器；接收器由工作人員攜帶，當接收到報警信息時，接收器開啟聲光報警以及振動馬達，采取相應救援工作，達到了預期設計目標和任務。該裝置功能完整、使用方便、性價比高，適合于室內游泳館等水上娛樂場所，具有較大的市場推廣應用價值。