基于水壓監(jiān)測(cè)的智能防溺水裝置

王康辰

摘要：本設(shè)計(jì)利用人體腰部離水面的距離作為判斷人是否溺水的條件，采用水壓傳感器測(cè)量出腰部的水壓大小，判斷人是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)；采用雙救生氣囊，包含主氣囊和副氣囊，當(dāng)控制器檢測(cè)到腰部水壓處于危險(xiǎn)狀態(tài)后，會(huì)先給主氣囊無(wú)線發(fā)送打開(kāi)主氣囊的信號(hào)，主救生裝置則自動(dòng)釋放高壓二氧化碳?xì)夤拗械臍怏w給主氣囊充氣；如果15秒內(nèi)監(jiān)測(cè)溺水者還不能處于安全狀態(tài)，控制器將發(fā)送打開(kāi)副氣囊信號(hào)進(jìn)行二次救助；控制器與救生氣囊采用無(wú)線通信方式，可根據(jù)不同人群的需要，把救生氣囊放在不同的位置。能通過(guò)佩戴智能防溺水裝置，可極大的降低溺水的發(fā)生和死亡。

關(guān)鍵詞：水壓監(jiān)測(cè)；雙氣囊；無(wú)線通信；二次救助

1、引言

2017年度有關(guān)報(bào)告顯示，我國(guó)因溺水死亡總?cè)藬?shù)約是 11.2 萬(wàn)人。青少年的安全問(wèn)題一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。兒童溺水的事件，雖然從學(xué)校、社會(huì)等多個(gè)方面都加強(qiáng)了對(duì)中小學(xué)生的安全教育，但是溺水事件還時(shí)有發(fā)生.有關(guān)兒童溺水死亡的數(shù)據(jù)顯示，每年均有近 3 萬(wàn)名兒童死于溺水事件。

通過(guò)專(zhuān)利和文獻(xiàn)的檢索，發(fā)現(xiàn)已有一些防溺水的智能裝置，比如在游泳館里安裝監(jiān)控裝置、自動(dòng)尋人的救生圈、某一水域的監(jiān)控裝置等，但這些裝置都有很大的局限性。目前能檢索到的資料關(guān)于溺水的監(jiān)測(cè)主要有以下幾種方式：

1、人一落水就自動(dòng)報(bào)警；無(wú)法區(qū)分人是游泳、正常水中作業(yè)還是無(wú)意落水。

2、利用人在正常游泳和發(fā)生溺水時(shí)，心電變化的不同判斷人是否溺水。

3、獲取游泳者在水中的呼吸溫度和周?chē)h(huán)境溫度，根據(jù)該游泳者的呼吸的溫度來(lái)獲取游泳者的呼吸周期，當(dāng)監(jiān)測(cè)該游泳者的呼吸周期大于預(yù)設(shè)的周期時(shí)長(zhǎng)，確定周?chē)h(huán)境溫度為第一預(yù)設(shè)溫度的時(shí)長(zhǎng)超過(guò)預(yù)設(shè)的水溫時(shí)長(zhǎng)時(shí)，發(fā)送報(bào)警控制信號(hào)，并根據(jù)該信號(hào)輸出溺水報(bào)警信號(hào)。

4、采用脈搏與所處水壓綜合判斷游泳者是否處于危險(xiǎn)情況，該方法同樣需要測(cè)量脈搏，這種方式的不足上面已述。

針對(duì)以上的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于腰部水壓監(jiān)測(cè)的智能防溺水裝置，當(dāng)人落水時(shí)，這個(gè)裝置可以自動(dòng)根據(jù)落水者的腰部離水面的距離判斷此人是在游泳、正常的水中作業(yè)還是遇到溺水時(shí)的危險(xiǎn)。如果遇到危險(xiǎn)狀態(tài)，裝置會(huì)自動(dòng)釋放高壓二氧化碳?xì)夤拗械臍怏w給主救生氣囊充氣，使佩戴者迅速的漂浮起來(lái)，避免溺水事故的發(fā)生。

2、設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的方法是根據(jù)人的身高的不同，使用前輸入使用者的身高，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)置其游泳時(shí)腰部離水面的安全范圍。如果人的腰部離水面的距離處于非安全的范圍，系統(tǒng)就會(huì)預(yù)警，如果在10秒內(nèi)手動(dòng)解除預(yù)警信號(hào)或腰部回到了離水面的安全距離。系統(tǒng)將接著監(jiān)測(cè)落水者的狀態(tài)。若10秒后還是處于危險(xiǎn)狀態(tài)，會(huì)通過(guò)無(wú)線通信模塊給救生裝置發(fā)送打開(kāi)主氣囊的信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一。

救生裝置接收到主控制器的打開(kāi)救生氣囊的命令后，救生裝置則自動(dòng)釋放高壓二氧化碳?xì)夤拗械臍怏w給主氣囊充氣；如果10秒內(nèi)監(jiān)測(cè)溺水者還不能處于安全狀態(tài)，控制器將再次發(fā)送打開(kāi)副氣囊信號(hào)進(jìn)行二次救助。使佩戴者迅速漂浮起來(lái)，避免了溺水事故的發(fā)生。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二。

利用腰部的水壓監(jiān)測(cè)的智能防溺水雙氣囊救生裝置在國(guó)內(nèi)尚屬首創(chuàng)，佩戴這種裝置可大大降低溺水事件的發(fā)生。

3.硬件電路

3.1控制器

本裝置控制器采用的具有雙核處理器的ESP32作為主控。集成了 2.4 GHz、Wi-Fi 和藍(lán)牙雙模的單芯片方案，采用臺(tái)積電（TSMC）超低功耗的 40 納米工藝，具有超 高的射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，以及超低的功耗，滿(mǎn)足不同的功耗需求，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。兩個(gè)或一個(gè)可以單獨(dú)控制的 CPU 內(nèi)核，時(shí)鐘頻率可調(diào)，范圍從 80 MHz 到 240 MHz。+19.5 dBm 天線端輸出功率，確保良好的覆蓋范圍。傳統(tǒng)藍(lán)牙支持 L2CAP，SDP，GAP，SMP，AVDTP，AVCTP，A2DP（SNK）和 AVRCP（CT）協(xié)議；低功耗藍(lán)牙（BLE）支持 L2CAP，GAP，GATT，SMP，和 GATT 之上的 BluFi，SPP-like 協(xié)議等；低功耗藍(lán)牙連接智能手機(jī)，發(fā)送低功耗信標(biāo)，方便檢測(cè)；睡眠電流小于 5 μA，適用于電池供電的可穿戴電子設(shè)備；外設(shè)包括電容式觸摸傳感器，霍爾傳感器，低噪聲放大器，SD 卡接口，以太網(wǎng)，高速 SPI，UART，I2S 和 I2C。ESP32 還集成了豐富的模擬傳感和數(shù)字接口。況且價(jià)格低廉，非常適合本系統(tǒng)。

3.2水壓監(jiān)測(cè)傳感器

本裝置的水壓傳感器采用的是MS5837-30BA。它是新一代的高分辨率I2C接口壓力傳感器，是高精度水深測(cè)量的理想選擇，水深測(cè)量分辨率高達(dá)2mm。傳感器模塊包括高線性度的壓力傳感元件和超低功耗的24位 ADC，內(nèi)置工廠校準(zhǔn)系數(shù)。MS5837-30BA同時(shí)具有高精度的24位壓力和溫度數(shù)字輸出，可根據(jù)實(shí)際需要配置轉(zhuǎn)換速度和功耗。MS5837-30BA可以與所有形式的微控器配合，通訊協(xié)議非常簡(jiǎn)單，無(wú)需修改內(nèi)部寄存器。防水膠和防磁不銹鋼圈使得傳感器可防水。本系統(tǒng)踩踏這款新傳感器模塊，可準(zhǔn)確的測(cè)量出人體腰部的水壓數(shù)值。為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供強(qiáng)有力的支撐。

3.3 救生氣囊設(shè)計(jì)

考慮到智能防溺水系統(tǒng)使用過(guò)程中，如果能正常打開(kāi)救生氣囊，溺水者可能就會(huì)被救了上來(lái)。在一次電視節(jié)目中我看到飛機(jī)中的降落傘是包含一個(gè)主降落傘和一個(gè)副降落傘。當(dāng)跳傘者主降落傘不能打開(kāi)時(shí)，可以啟用副降落傘?；谶@個(gè)思路，本救生裝置中也采用了雙氣囊設(shè)計(jì)。當(dāng)主氣囊充氣后15秒內(nèi)監(jiān)測(cè)溺水者還不能處于安全狀態(tài)，控制器將再發(fā)送打開(kāi)副氣囊信號(hào)進(jìn)行二次救助；這樣可以大大提高了系統(tǒng)的安全性能。

3.4無(wú)線通信方式的選擇

由于本裝置的無(wú)線通信的距離較短，而控制器ESP32本身具備 WiFi 802.11b/g/n/e/i和 藍(lán)牙4.2 的標(biāo)準(zhǔn)，集成了 WiFi/藍(lán)牙/BLE射頻 和 低功耗技術(shù)，并且支持開(kāi)放性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS。所以本系統(tǒng)的無(wú)線通信采用了 ESP32 自帶的藍(lán)牙的通信方式。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于水壓監(jiān)測(cè)的智能防溺水系統(tǒng)主程序只包含初始化、初始參數(shù)設(shè)置和LCD屏顯示部分，然后進(jìn)入待機(jī)模式，中斷服務(wù)子程序完成其他功能。單片機(jī)檢測(cè)水壓傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào)，與根據(jù)用戶(hù)的身高設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較，給出相應(yīng)的操作。如持續(xù)10秒鐘處于危險(xiǎn)狀態(tài)則給發(fā)送打開(kāi)主氣囊的信號(hào)，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)當(dāng)前水壓狀態(tài)，如在10秒恢復(fù)到正常范圍，則跳出中斷。如果10秒后監(jiān)測(cè)的水壓狀態(tài)還沒(méi)恢復(fù)到正常范圍，則發(fā)送打開(kāi)副氣囊的信號(hào)，進(jìn)行二次救助。確保溺水者的安全。當(dāng)人工干預(yù)中斷產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)被叫醒并開(kāi)始執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。從中斷服務(wù)子程序結(jié)束后，系統(tǒng)仍回到待機(jī)模式且關(guān)上顯示設(shè)備，以節(jié)約用電。系統(tǒng)的大部分時(shí)間是在最低功耗狀態(tài)，具體流程圖，如圖三所示。

4、結(jié)論

本裝置利用人體腰部離水面的距離作為判斷人是否溺水的條件，采用水壓傳感器測(cè)量出腰部的水壓大小，從而判斷人是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。采用的是雙救生氣囊。雙氣囊包含主氣囊和副氣囊，當(dāng)控制器檢測(cè)到腰部水壓處于危險(xiǎn)狀態(tài)后，會(huì)先給主氣囊無(wú)線發(fā)送打開(kāi)主氣囊的信號(hào)，主救生裝置則自動(dòng)釋放高壓二氧化碳?xì)夤拗械臍怏w給主氣囊充氣。使佩戴者迅速漂浮起來(lái)，避免了溺水事故的發(fā)生。如果10秒內(nèi)監(jiān)測(cè)溺水者還不能處于安全狀態(tài)，控制器將發(fā)送打開(kāi)副氣囊信號(hào)進(jìn)行二次救助?？刂破髋c救生氣囊采用的是無(wú)線通信方式，可控制的救生氣囊數(shù)量是2個(gè)及以上數(shù)量。根據(jù)不同人群的需要，可以把救生氣囊放在適當(dāng)?shù)奈恢?，比如可以把氣囊放在手腕、頸部和背部等位置，能通過(guò)佩戴這種裝置大大降低溺水發(fā)生率和溺水死亡率。

參考文獻(xiàn)：

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