基于水壓監測的智能防溺水裝置

王康辰

摘要：本設計利用人體腰部離水面的距離作為判斷人是否溺水的條件，采用水壓傳感器測量出腰部的水壓大小，判斷人是否處于危險狀態；采用雙救生氣囊，包含主氣囊和副氣囊，當控制器檢測到腰部水壓處于危險狀態后，會先給主氣囊無線發送打開主氣囊的信號，主救生裝置則自動釋放高壓二氧化碳氣罐中的氣體給主氣囊充氣；如果15秒內監測溺水者還不能處于安全狀態，控制器將發送打開副氣囊信號進行二次救助；控制器與救生氣囊采用無線通信方式，可根據不同人群的需要，把救生氣囊放在不同的位置。能通過佩戴智能防溺水裝置，可極大的降低溺水的發生和死亡。

關鍵詞：水壓監測；雙氣囊；無線通信；二次救助

1、引言

2017年度有關報告顯示，我國因溺水死亡總人數約是 11.2 萬人。青少年的安全問題一直受到社會的廣泛關注。兒童溺水的事件，雖然從學校、社會等多個方面都加強了對中小學生的安全教育，但是溺水事件還時有發生.有關兒童溺水死亡的數據顯示，每年均有近 3 萬名兒童死于溺水事件。

通過專利和文獻的檢索，發現已有一些防溺水的智能裝置，比如在游泳館里安裝監控裝置、自動尋人的救生圈、某一水域的監控裝置等，但這些裝置都有很大的局限性。目前能檢索到的資料關于溺水的監測主要有以下幾種方式：

1、人一落水就自動報警；無法區分人是游泳、正常水中作業還是無意落水。

2、利用人在正常游泳和發生溺水時，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圍環境溫度，根據該游泳者的呼吸的溫度來獲取游泳者的呼吸周期，當監測該游泳者的呼吸周期大于預設的周期時長，確定周圍環境溫度為第一預設溫度的時長超過預設的水溫時長時，發送報警控制信號，并根據該信號輸出溺水報警信號。

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

針對以上的不足，本文設計了一種基于腰部水壓監測的智能防溺水裝置，當人落水時，這個裝置可以自動根據落水者的腰部離水面的距離判斷此人是在游泳、正常的水中作業還是遇到溺水時的危險。如果遇到危險狀態，裝置會自動釋放高壓二氧化碳氣罐中的氣體給主救生氣囊充氣，使佩戴者迅速的漂浮起來，避免溺水事故的發生。

2、設計原理和系統結構

本設計的方法是根據人的身高的不同，使用前輸入使用者的身高，系統會自動設置其游泳時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，系統就會預警，如果在10秒內手動解除預警信號或腰部回到了離水面的安全距離。系統將接著監測落水者的狀態。若10秒后還是處于危險狀態，會通過無線通信模塊給救生裝置發送打開主氣囊的信號。系統結構如圖一。

救生裝置接收到主控制器的打開救生氣囊的命令后，救生裝置則自動釋放高壓二氧化碳氣罐中的氣體給主氣囊充氣；如果10秒內監測溺水者還不能處于安全狀態，控制器將再次發送打開副氣囊信號進行二次救助。使佩戴者迅速漂浮起來，避免了溺水事故的發生。系統結構如圖二。

利用腰部的水壓監測的智能防溺水雙氣囊救生裝置在國內尚屬首創，佩戴這種裝置可大大降低溺水事件的發生。

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 和藍牙雙模的單芯片方案，采用臺積電（TSMC）超低功耗的 40 納米工藝，具有超 高的射頻性能、穩定性、通用性和可靠性，以及超低的功耗，滿足不同的功耗需求，適用于各種應用場景。兩個或一個可以單獨控制的 CPU 內核，時鐘頻率可調，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。傳統藍牙支持 L2CAP，SDP，GAP，SMP，AVDTP，AVCTP，A2DP（SNK）和 AVRCP（CT）協議；低功耗藍牙（BLE）支持 L2CAP，GAP，GATT，SMP，和 GATT 之上的 BluFi，SPP-like 協議等；低功耗藍牙連接智能手機，發送低功耗信標，方便檢測；睡眠電流小于 5 μA，適用于電池供電的可穿戴電子設備；外設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，高速 SPI，UART，I2S 和 I2C。ESP32 還集成了豐富的模擬傳感和數字接口。況且價格低廉，非常適合本系統。

3.2水壓監測傳感器

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，是高精度水深測量的理想選擇，水深測量分辨率高達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，內置工廠校準系數。MS5837-30BA同時具有高精度的24位壓力和溫度數字輸出，可根據實際需要配置轉換速度和功耗。MS5837-30BA可以與所有形式的微控器配合，通訊協議非常簡單，無需修改內部寄存器。防水膠和防磁不銹鋼圈使得傳感器可防水。本系統踩踏這款新傳感器模塊，可準確的測量出人體腰部的水壓數值。為系統的穩定性提供強有力的支撐。

3.3 救生氣囊設計

考慮到智能防溺水系統使用過程中，如果能正常打開救生氣囊，溺水者可能就會被救了上來。在一次電視節目中我看到飛機中的降落傘是包含一個主降落傘和一個副降落傘。當跳傘者主降落傘不能打開時，可以啟用副降落傘?；谶@個思路，本救生裝置中也采用了雙氣囊設計。當主氣囊充氣后15秒內監測溺水者還不能處于安全狀態，控制器將再發送打開副氣囊信號進行二次救助；這樣可以大大提高了系統的安全性能。

3.4無線通信方式的選擇

由于本裝置的無線通信的距離較短，而控制器ESP32本身具備 WiFi 802.11b/g/n/e/i和 藍牙4.2 的標準，集成了 WiFi/藍牙/BLE射頻 和 低功耗技術，并且支持開放性的實時操作系統 RTOS。所以本系統的無線通信采用了 ESP32 自帶的藍牙的通信方式。

4、系統軟件設計

基于水壓監測的智能防溺水系統主程序只包含初始化、初始參數設置和LCD屏顯示部分，然后進入待機模式，中斷服務子程序完成其他功能。單片機檢測水壓傳感器過來的信號，與根據用戶的身高設定的參數值進行比較，給出相應的操作。如持續10秒鐘處于危險狀態則給發送打開主氣囊的信號，同時繼續監測當前水壓狀態，如在10秒恢復到正常范圍，則跳出中斷。如果10秒后監測的水壓狀態還沒恢復到正常范圍，則發送打開副氣囊的信號，進行二次救助。確保溺水者的安全。當人工干預中斷產生時，單片機被叫醒并開始執行相對應的中斷服務子程序。從中斷服務子程序結束后，系統仍回到待機模式且關上顯示設備，以節約用電。系統的大部分時間是在最低功耗狀態，具體流程圖，如圖三所示。

4、結論

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，采用水壓傳感器測量出腰部的水壓大小，從而判斷人是否處于危險狀態。采用的是雙救生氣囊。雙氣囊包含主氣囊和副氣囊，當控制器檢測到腰部水壓處于危險狀態后，會先給主氣囊無線發送打開主氣囊的信號，主救生裝置則自動釋放高壓二氧化碳氣罐中的氣體給主氣囊充氣。使佩戴者迅速漂浮起來，避免了溺水事故的發生。如果10秒內監測溺水者還不能處于安全狀態，控制器將發送打開副氣囊信號進行二次救助?？刂破髋c救生氣囊采用的是無線通信方式，可控制的救生氣囊數量是2個及以上數量。根據不同人群的需要，可以把救生氣囊放在適當的位置，比如可以把氣囊放在手腕、頸部和背部等位置，能通過佩戴這種裝置大大降低溺水發生率和溺水死亡率。

參考文獻：

[1]譚嘉俊.基于 PVDF 的脈搏傳感器研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[2]馬科峰.防溺水系統、防溺水泳池以及防溺水方法 CN201610440372