基于無線通信的視覺識別自動救生系統(tǒng)的設(shè)計

全劉輝 李玉香 澹臺夢陽 胡騰達

摘要：水上樂園、江邊、水庫等大型游泳場所，常有客流量大或人流稀少的極端情況。雖然很多場所配備救生員，但也會出現(xiàn)不能及時準確發(fā)現(xiàn)溺水者并進行施救。針對以上現(xiàn)象，設(shè)計了一款基于無線通信的視覺識別自動救生系統(tǒng)。該系統(tǒng)手環(huán)部分以STM32微控制器為控制核心，使用MAX30102血氧心率集成芯片采集脈搏信號，經(jīng)STM32主控芯片預(yù)處理和特征提取，計算當前的心率，從而判斷佩戴者是否遇險。此外，手環(huán)采用無線充電方式，在報警的同時自動打開救生氣囊，為救援爭取寶貴時間；無線通信部分使用ZigBee將手環(huán)的報警數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，救生筏接收到數(shù)據(jù)后通過視覺識別等方法進行快速定位并迅速展開救援。解決了傳統(tǒng)人力監(jiān)控因觀察不到位、發(fā)現(xiàn)不及時而錯過黃金救援時期的問題。大大降低了救援所需的時間，節(jié)省了人力和物力，保證了游泳者的生命安全。

關(guān)鍵詞：防溺水；心率檢測；無線通信；實時定位；無線充電

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0096-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，溺水檢測研究已有40多年歷史，從初步探索逐漸進入產(chǎn)品改進階段，而我國在此領(lǐng)域的研究仍處于較初級階段。早在1976年，美國就有了游泳池報警專利，但受當時技術(shù)限制，未得到廣泛應(yīng)用。2001年，法國公司推出了“海神號”系統(tǒng)，利用紅外線及RGB相機定位游泳者，實現(xiàn)實時溺水檢測，但由于維護成本高昂，難以普及[1]。

當前市場上的游泳輔助設(shè)備存在操作不便、攜帶笨重等問題，而智能化產(chǎn)品的智能程度有限，缺乏交互性[2]。本項目研發(fā)的手環(huán)便攜、智能，通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)線上和線下的交互，實時傳輸游泳者的心率信息，便于及時救援。北京工業(yè)大學(xué)閆峰老師采用高清防水攝像機進行圖像處理來識別溺水現(xiàn)象，但成本高昂且誤差大，例如水面晃動、水質(zhì)混濁或人多遮擋時易導(dǎo)致漏報[3-4]。而本項目系統(tǒng)基于個人，不易受外界干擾。國內(nèi)已有的泳帽傳感器裝置，通過信號強弱判斷溺水，但無法定位溺水者，救援時仍存困難[5]。本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)溺水報警，還能實時監(jiān)控游泳者的身體狀況，通過無線通信及時接收求救信號，提供精準救援。因此，本系統(tǒng)的研究對預(yù)防溺水事故具有重要意義。

2 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)以STM32系列單片機作為核心主控，建立起游泳者和施救系統(tǒng)之間的聯(lián)系。整個系統(tǒng)由心率監(jiān)測模塊、無線充電模塊、無線通信模塊、物體識別模塊、電機驅(qū)動模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過手環(huán)對游泳者心率進行實時監(jiān)測并判斷是否溺水，從而實現(xiàn)應(yīng)急情況下的自救以及及時向救生筏主節(jié)點報警。救生筏快速定位并迅速展開救援，解決了過去傳統(tǒng)的人力監(jiān)控可能出現(xiàn)的觀察不到位、發(fā)現(xiàn)不及時而錯過黃金救援時期的問題。這顯著降低了救援所需的時間，節(jié)省了人力和物力，確保了游泳者的生命安全。

在游泳場所范圍內(nèi)，通過ZigBee節(jié)點的全覆蓋實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)。手環(huán)通過MAX30102血氧心率傳感器采集佩戴者的心率數(shù)據(jù)，進而分析心率變化[6]。一旦遇到險情，如果佩戴者的心率異常觸發(fā)了遇險條件，手環(huán)會自動彈開救生氣囊，防止佩戴者下沉，為救援爭取寶貴時間。此外，也可手動打開救生氣囊。同時，主控芯片通過ZigBee向主節(jié)點發(fā)送求救信號，在彈開救生氣囊的同時，救生筏接收到信號后啟動系統(tǒng)，機器視覺模塊進行識別鎖定，并將數(shù)據(jù)傳輸給救生筏。救生筏通過控制舵機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)移動和轉(zhuǎn)向。

3 硬件部分

3.1 心率檢測

系統(tǒng)的心率檢測采用MAX30102傳感器，它是一款集成了高靈敏度心率脈搏檢測的傳感模塊。心率檢測采用的是動脈血壓法，該方法的原理是心臟的收縮與舒張會引起血液呈脈動流動，同時血管的壓力也會產(chǎn)生變化。傳感器在采樣時，發(fā)射區(qū)的紅外光經(jīng)過血液反射后返回接收區(qū)，接收到的數(shù)值通過光電轉(zhuǎn)換器計算出心率以及血氧飽和度。當接收到的信號為峰值時，表示心臟收縮，血管壓力增大；反之，心臟舒張，血管壓力減小。

人體在正常情況下的心率范圍為60～100次/分鐘，正常游泳情況下為120～130次/分鐘，而受到驚嚇時可達到180～200次/分鐘。根據(jù)以上幾點，本研究將心率異常情況定義為持續(xù)時間超過一定閾值的情況，其中正常范圍為55～160次/分鐘，超過160次/分鐘或低于50次/分鐘則屬于異常情況，可能意味著溺水等危險狀態(tài)。心率異常持續(xù)時間統(tǒng)計如表1所示。

3.2 無線通信及定位

系統(tǒng)選用ZigBee（低速短距離無線通信技術(shù)）作為傳輸媒介，主要工作頻段在2.4GHz，可配置點對點或廣播工作模式，與上位機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互，還支持不間斷發(fā)送，不限包長且傳輸速度快，最高能達到3 300bps。為了定位更準確，將ZigBee與GPS結(jié)合，提供更實時和精確的坐標位置。GPS接收模塊通過串口與主控芯片進行數(shù)據(jù)交互，只需在解析數(shù)據(jù)時提取GPS接收的冗余信息。在初始化時，通過MCU發(fā)送相關(guān)配置指令進行第一輪篩選，只保留 GPRMC 語句，其中包含 UTC 時間、定位狀態(tài)、經(jīng)緯度信息、磁偏角、模式指示等；然后進行時間和經(jīng)緯度的第二輪篩選，進一步減少冗余數(shù)據(jù)，也節(jié)省了發(fā)送成本，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.3 視覺識別及定位

采用OpenMV進行視覺識別輔助定位，系統(tǒng)接收到報警后，OpenMV攝像頭啟動，識別救生氣囊的顏色和位置，并將坐標數(shù)據(jù)傳輸給救生筏。為了提高識別準確性，需要對救生氣囊在水下的各種狀態(tài)進行學(xué)習(xí)，使定位更加精準。攝像頭向主控傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀頭使用“0x2c”標識，幀尾使用“0x5b”標識，編號長度根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)報警及救生設(shè)備

救生筏在接收到報警時，采用蜂鳴器和LED燈閃爍的方式表示接收到的報警信號。救生筏的推進器通過單片機發(fā)送PWM信號控制電機轉(zhuǎn)動，其電調(diào)的PWM頻率為50Hz，脈寬范圍是800～2 200us，將脈寬調(diào)至1 500～2 200us時為正轉(zhuǎn)，1 200～800us時為反轉(zhuǎn)。

3.5 救生系統(tǒng)的防水保護

由于救生裝置使用場景為水中，需要對設(shè)備進行防水處理。為了滿足水上作業(yè)的需求，將系統(tǒng)的電池和電路板封裝在防水外殼內(nèi)，對邊緣等部位進行灌膠密封處理，以確保更好的防水密封性。

3.6 電池的續(xù)航

為解決系統(tǒng)封裝后電池充電問題，采用無線充電方式對電池進行充電，實現(xiàn)電池的循環(huán)利用。系統(tǒng)將無線充電裝置作為發(fā)射端，手環(huán)作為接收端，利用磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理，在發(fā)射端直流電經(jīng)過無線充電的主控芯片、全橋芯片、諧振電容、線圈等組成的LC諧振電路后，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡涣麟娛┘又辆€圈產(chǎn)生交變電壓從而產(chǎn)生交變磁場。在接收端靠近時會產(chǎn)生一個同頻率的交變電壓，交流電經(jīng)過整流濾波后變成直流電，最終輸出到電池完成充電。為了減少能量的損耗，手環(huán)的感應(yīng)線圈緊貼于內(nèi)壁。利用無線充電方法，免去了拆開裝置的煩瑣步驟，也提高了設(shè)備的防水性能。

4 軟件部分

本系統(tǒng)采用IAR集成開發(fā)環(huán)境，OpenMVIDE編寫軟件對各個模塊進行代碼編寫，以STM32作為主控，結(jié)合心率傳感器、OpenMV攝像頭、ZigBee、蜂鳴器、LED燈、水下推進器等實現(xiàn)救援任務(wù)[7]。手環(huán)檢測到心率異常后報警，打開救生氣囊并發(fā)送求救信號，求救信號通過ZigBee將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄壬?，救生筏根?jù)GPS定位信息驅(qū)動推進器使之靠近溺水者，OpenMV使救生筏更精確地定位到達求救者附近。硬件程序設(shè)計分為主程序、心率采集程序、GPS定位程序、OpenMV圖像識別定位程序、推進器驅(qū)動程序等模塊。

5 測試結(jié)果與分析

為了檢測系統(tǒng)的測量準確性，對系統(tǒng)的心率檢測進行不同狀態(tài)下的測試，獲得準確的心率閾值。具體測試結(jié)果如表2～4所示。測試類型包括游泳者在水下靜止或運動量較小情況下的測試、在水下劇烈運動情況下的測試以及不會游泳者在水下受驚嚇時的測試。根據(jù)測試數(shù)據(jù)推斷出不同情況下游泳者在水下活動的心率狀態(tài)，從而推斷出較合適的閾值，以此確定心率異常的閾值范圍，從而設(shè)計系統(tǒng)的心率檢測閾值設(shè)計在55～160次/分鐘為正常情況，大于160次/分鐘或小于50次/分鐘為異常情況[8]。

6 結(jié)論

救生手環(huán)能夠?qū)崟r監(jiān)測佩戴者的心率。一旦檢測到心率超出安全范圍，即判定佩戴者遇險。在遇險時，手環(huán)會立即發(fā)出求救信號，并自動展開救生氣囊，確保佩戴者不會因溺水而下沉。同時，通過ZigBee技術(shù)將遇險數(shù)據(jù)傳輸給救生筏，而GPS則對溺水者進行初步定位。當救生筏靠近溺水者時，OpenMV會進行精確的定位。接收到數(shù)據(jù)后，救生筏會啟動報警裝置，并控制推進器運轉(zhuǎn)，迅速展開營救。此外，手環(huán)采用無線充電設(shè)計，不僅免去了拆解裝置的煩瑣，也進一步增強了設(shè)備的防水性能，確保在緊急情況下能夠可靠工作。

參考文獻：

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[6] 何向陽，劉彬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能防溺水系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子制作，2023，31（21）：93-96.

[7] 賈雙英，楊淳樂.基于OpenCV和CNN的兒童防溺水測試研究[J].電腦與電信，2023（8）：85-89.

[8] 謝江娜，劉利秋，趙佳琳，等.便攜式泳池防溺水警報與生理健康狀態(tài)評估系統(tǒng)設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2023，30（3）：19-23.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】