基于心率檢測(cè)的兒童溺水呼救報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海濤 江遠(yuǎn)航 梅新潮 曾佳峰 王喜鴻

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

1 引言

夏季天氣酷熱，游泳運(yùn)動(dòng)十分受兒童歡迎，在鍛煉身體的同時(shí)，也能夠消暑降溫。但每年都有大量?jī)和缢劳鲂侣劚幻襟w報(bào)道，引發(fā)了社會(huì)的廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溺水是五歲以下兒童傷害致死的重要原因之一[1]。我國(guó)是兒童溺水死亡事故高發(fā)國(guó)家之一，兒童溺水死亡問題不可被忽視。夏季頻繁發(fā)兒童溺水事件，主要原因是大部分兒童沒有充分認(rèn)識(shí)到意外傷害的危險(xiǎn)性，加之身心發(fā)育不完全，在面對(duì)溺水危險(xiǎn)時(shí)，幾乎是沒有任何自我保護(hù)意識(shí)和能力。并且多數(shù)兒童溺水很難被其他人所發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)采取措施。當(dāng)兒童在玩水意外沉入水下時(shí)，自身呼吸不暢，心理緊張，動(dòng)作一旦慌亂身體便立刻失去平衡。并且，岸上救生員僅憑肉眼又無法快速察覺到危險(xiǎn)的發(fā)生，最終導(dǎo)致溺水悲劇發(fā)生。溺水不僅致死率高，后遺癥、傷殘率也較高，這無疑會(huì)對(duì)一個(gè)家庭和整個(gè)社會(huì)帶來永久的創(chuàng)傷。所以，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的兒童溺水呼救報(bào)警系統(tǒng)裝置具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。該裝置可佩戴在兒童手腕處，當(dāng)檢測(cè)到兒童心率波動(dòng)異?；蛘咴谒谐掷m(xù)時(shí)間超過一定值的時(shí)候發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，及時(shí)提醒岸邊家長(zhǎng)以及救生人員的注意，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中溺水兒童進(jìn)行迅速救援的目的，從而降低兒童溺水死亡事故的發(fā)生。

預(yù)防泳池溺水報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最早是由科蒂納于1976年在美國(guó)申報(bào)的專利《游泳池報(bào)警》，接著是新加坡南洋科技大學(xué)“DEWS”小組于2003年研制的溺水預(yù)警系統(tǒng)[2]。此后2015年瑞士研發(fā)出了BLUEFOX泳池安全系統(tǒng)，而且已經(jīng)在部分泳池中配備使用[3]。這些泳池溺水報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)在真實(shí)場(chǎng)景里預(yù)防了不少溺水死亡事故的發(fā)生，可以說國(guó)外在防溺水方面的理論研究已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，每個(gè)時(shí)期發(fā)明的防溺水系統(tǒng)都會(huì)被投入到泳池設(shè)施中，并且隨著新技術(shù)的不斷突破，會(huì)對(duì)原有的裝置進(jìn)行更新完善。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院在搶救一名溺水兒童時(shí)發(fā)現(xiàn)，該兒童送至醫(yī)院時(shí)心率在200次/分鐘左右，生命體征處于危險(xiǎn)狀態(tài)。而據(jù)相關(guān)研究表明，兒童在運(yùn)動(dòng)時(shí)處于安全狀態(tài)的最佳心率數(shù)值應(yīng)保持在150次/分鐘左右。通過對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，兒童在溺水狀態(tài)下的心率數(shù)值和健康運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率數(shù)值相差非常大，由此本文設(shè)計(jì)了一款基于心率的兒童溺水呼救報(bào)警系統(tǒng)。游泳兒童佩戴實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兒童心率的裝置，一旦裝置檢測(cè)到有異常的心率數(shù)值出現(xiàn)，系統(tǒng)的報(bào)警模塊立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，模擬兒童的呼救來引起岸邊看護(hù)人員的注意。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警呼救模塊和電源模塊組成。其中，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，心率監(jiān)測(cè)模塊采用光電傳感器用來采集兒童的心率信號(hào)[4]。單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器，將光電傳感器獲取的兒童心率信號(hào)處理后以數(shù)值的形式顯示在液晶屏幕上。當(dāng)采集到的兒童實(shí)時(shí)心率數(shù)值不在設(shè)定的正常心率數(shù)值范圍內(nèi)，此時(shí)將通過報(bào)警模塊向外界發(fā)出呼救信號(hào)。按鍵模塊可以根據(jù)兒童不同的生理、身體狀況對(duì)其溺水報(bào)警的心率上下限數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警呼救模塊和電源模塊組成。各模塊間功能確定，相互協(xié)作。硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，采用立創(chuàng)EDA進(jìn)行原理圖繪制，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證成功后再進(jìn)行硬件電路的制作與調(diào)試。

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)電路的核心，起到檢測(cè)心率信號(hào)并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的心率數(shù)值判斷是否有溺水危險(xiǎn)的作用，一旦系統(tǒng)判斷兒童有溺水危險(xiǎn)就立刻啟動(dòng)聲光報(bào)警。圖2中（左上角）展示了單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路組成，由89C52單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。其中復(fù)位電路由一個(gè)10k電阻、一個(gè)10μF電容和按鍵KEY1組成，通過按下KEY1按鍵給89C52單片機(jī)RST引腳輸送高電平，從而使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。時(shí)鐘電路采用12MHz的石英晶振為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，石英晶振的兩個(gè)引腳各串聯(lián)一個(gè)30pF電容來提高時(shí)鐘電路振蕩的穩(wěn)定性。由于89C52單片機(jī)P0口的八位都是漏極開路輸出，因此在電路中需要連接10k上拉電阻（排阻）來確保高電平的正常輸出。

3.2 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)的傳感器部分，主要作用是實(shí)時(shí)采集兒童游泳時(shí)的心率數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以滿足89C52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的要求。該模塊由心率采集電路、濾波電路和整形電路組成，如圖2（下部）所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 心率采集電路

該電路通過ST188光電式傳感器加外圍電路，實(shí)時(shí)將傳感器采集的兒童心率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[5]。ST188光電式傳感器心率信號(hào)采集的原理為：傳感器發(fā)出的光線可以穿透人的身體表皮組織，并且容易被人身體內(nèi)的血液所吸收，當(dāng)心跳變化導(dǎo)致血管內(nèi)血液的流速變化時(shí)能夠被傳感器所捕捉，并把這種變化轉(zhuǎn)換為心率的數(shù)值。在心率采集電路圖中，光敏二極管的1腳需要接合適阻值的限流電阻，以確保傳感器能正常工作。如果阻值過大，會(huì)因發(fā)光二極管的亮度不足而使傳感器的靈敏度降低，如果阻值過小，會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而使發(fā)光二極管和光敏二極管燒壞，由于光敏二極管采集到的兒童心率信號(hào)非常微弱，甚至采集不到，經(jīng)過測(cè)試最終確定電路中采用220Ω電阻。在心率采集模塊工作時(shí)，兒童只需要將手指貼放在ST188光電式傳感器上，由于兒童指端血液的流動(dòng)在不斷地變化，那么光敏二極管采集到的光信號(hào)也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，光敏管接收到光信號(hào)后，通過光敏三極管將采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)從3腳和4腳輸出，實(shí)時(shí)向電路發(fā)送兒童的心率信號(hào)。

3.2.2 濾波、整形電路

ST188光電式傳感器在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)候存在信號(hào)強(qiáng)度弱、容易受到干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題。對(duì)此，在硬件電路上采用濾波電路和整形電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。濾波電路的主要作用是去除干擾信號(hào)，整形電路可以使信號(hào)被放大，達(dá)到單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的幅值要求。

濾波器電路采用可靠性較高的LC帶通濾波器，主要作用是保證與兒童心率頻段相似的數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定輸入到整形放大電路中，濾除不需要的高頻和低頻信號(hào)。濾波電路是由電容C6、電阻R6組成的高通濾波器電路和兩個(gè)上限頻率相同的低通濾波器電路串聯(lián)組成。

兒童心率信號(hào)在經(jīng)過濾波后，通過雙運(yùn)算放大器LM358組成整形放大電路，對(duì)可能存在的不規(guī)則的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形處理，同時(shí)對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行放大，通過7號(hào)引腳輸出給單片機(jī)進(jìn)行比較處理。LM358放大器的內(nèi)部由兩個(gè)電壓比較器組成，如果輸入電壓1IN比2IN大時(shí)，正輸入端的電壓會(huì)高一些，最終輸出高電平。同理，當(dāng)輸入電壓2IN比1IN大時(shí)，負(fù)輸入端的電壓會(huì)高一些，最終輸出高電平，這樣就得到了波形幅值穩(wěn)定的方波信號(hào)。同時(shí)，當(dāng)兒童心率信號(hào)進(jìn)入整形電路中時(shí)，還能通過LM358的放大功能來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。

3.3 顯示模塊

顯示模塊的主要作用是顯示兒童的實(shí)時(shí)心率數(shù)值，并且在設(shè)定心率上下限數(shù)值的時(shí)候可以觀察到修改前后的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選用LCD1602液晶顯示屏，電路如圖2（右上）所示。其中3腳外接的兩個(gè)電阻R4、R5用來改變液晶顯示屏的亮度。RS引腳是數(shù)據(jù)/命令選擇端，該引腳為高電平時(shí)，接收需要在液晶屏幕上顯示的數(shù)據(jù)，引腳是低電平時(shí)，接收命令實(shí)現(xiàn)需求功能[6]。RW引腳是讀寫選擇端，本設(shè)計(jì)主要使用寫功能，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，可將兒童心率數(shù)據(jù)寫入到液晶屏幕元器件中。

3.4 按鍵模塊

按鍵模塊由三個(gè)獨(dú)立按鍵組成，電路如圖2（中左）所示。KEY2按鍵，用于設(shè)置心率上下限范圍，同時(shí)在液晶屏幕上會(huì)顯示設(shè)置的上下限心率報(bào)警數(shù)值。KEY3按鍵或KEY4按鍵是加減鍵，進(jìn)行心率報(bào)警數(shù)值的增加或減少設(shè)置。按鍵與單片機(jī)P1口部分引腳連接后，重啟系統(tǒng)時(shí)單片機(jī)的P1口默認(rèn)高電平，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)P1口對(duì)應(yīng)的某個(gè)引腳變?yōu)榈碗娖?，從而系統(tǒng)能夠判斷出是哪一個(gè)按鍵按下，最終實(shí)現(xiàn)按下三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的功能。

3.5 報(bào)警呼救模塊

報(bào)警呼救模塊電路如圖2（中右）所示，主要作用是當(dāng)兒童心率超過設(shè)定上限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示救生員和家長(zhǎng)的注意。三極管的發(fā)射極E通過蜂鳴器連接電源，為高電平狀態(tài)。兒童游泳時(shí)的實(shí)時(shí)心率正常時(shí)，單片機(jī)的P2.4口輸出高電平，三極管的基極B通過2.2k電阻與P2.4連接也處于高電平狀態(tài)，此時(shí)三極管沒有導(dǎo)通，蜂鳴器不工作[7]。當(dāng)兒童的實(shí)時(shí)心率超過心率報(bào)警上限值或者低于心率報(bào)警下限值時(shí)，單片機(jī)的P2.4口輸出低電平，三極管的基極B也被拉低為低電平，此時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警代替兒童呼救，引起家長(zhǎng)和救生員的注意力。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，當(dāng)電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)上電后，組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊需要進(jìn)行初始化處理。隨后，心率采集模塊通過開啟單片機(jī)的定時(shí)器來采集兒童心率實(shí)時(shí)信號(hào)，心率信號(hào)經(jīng)過濾波電路和整形電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，在LCD1602液晶顯示屏幕上顯示出來。當(dāng)單片機(jī)收到兒童的心率數(shù)值在設(shè)定的正常心率數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)循環(huán)檢測(cè)。否則，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序如下：

4.2 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證基于心率檢測(cè)的兒童溺水呼救報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和功能需求的可行性，在系統(tǒng)實(shí)物制作之前，使用Proteus和Keil軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Proteus軟件用來繪制系統(tǒng)電路原理圖，如圖4所示，Keil軟件用來編譯C語言代碼，如果編譯沒有錯(cuò)誤會(huì)有hex文件，接著將生成的hex文件燒錄到Proteus原理圖中的單片機(jī)內(nèi)，最后分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)需求的功能能否實(shí)現(xiàn)。圖中R2（1）為模擬兒童心率數(shù)據(jù)波形輸入端，采用方波發(fā)生器替代。當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)定報(bào)警下限心率為60次/分鐘，當(dāng)輸入心率為48次/分鐘時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，指示燈D1發(fā)光，蜂鳴器報(bào)警。通過仿真測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能正常。

圖4 Proteus電路仿真

5 硬件電路調(diào)試

兒童溺水報(bào)警系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)兒童的實(shí)時(shí)心率來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。當(dāng)手指放在ST188光電式傳感器上時(shí)，系統(tǒng)開始采集心率信號(hào)，LED燈亮表示系統(tǒng)正常運(yùn)行，LCD1602液晶屏幕會(huì)顯示實(shí)時(shí)心率數(shù)值。如圖5所示，心率上限設(shè)為80次/分鐘，當(dāng)實(shí)時(shí)采集到的心率為86次/分鐘時(shí)，超過設(shè)定上限，指示燈亮起，蜂鳴器報(bào)警。在相關(guān)文獻(xiàn)研究中提到150次/分鐘的心率是兒童保持健康運(yùn)動(dòng)的黃金心率，為了預(yù)防以及保護(hù)兒童游泳的健康性，在兒童游泳使用該系統(tǒng)時(shí)，心率報(bào)警上限數(shù)值應(yīng)當(dāng)設(shè)置在每分鐘155次左右。

圖5 心率過高測(cè)試

6 結(jié)語

基于心率檢測(cè)的兒童溺水呼救報(bào)警系統(tǒng)從檢測(cè)兒童溺水時(shí)的生理特征出發(fā)，通過監(jiān)測(cè)心率在溺水前后的變化來判斷兒童所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了溺水檢測(cè)的作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，采用Proteus軟件仿真進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，輔助系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了溺水后心率變化的檢測(cè)，達(dá)到了及時(shí)發(fā)現(xiàn)兒童溺水現(xiàn)象、盡早發(fā)出聲光報(bào)警的作用，為兒童戲水安全提供了有效保障。