基于水压监测的智能防溺水装置

王康辰

摘要：本设计利用人体腰部离水面的距离作为判断人是否溺水的条件，采用水压传感器测量出腰部的水压大小，判断人是否处于危险状态；采用双救生气囊，包含主气囊和副气囊，当控制器检测到腰部水压处于危险状态后，会先给主气囊无线发送打开主气囊的信号，主救生装置则自动释放高压二氧化碳气罐中的气体给主气囊充气；如果15秒内监测溺水者还不能处于安全状态，控制器将发送打开副气囊信号进行二次救助；控制器与救生气囊采用无线通信方式，可根据不同人群的需要，把救生气囊放在不同的位置。能通过佩戴智能防溺水装置，可极大的降低溺水的发生和死亡。

关键词：水压监测；双气囊；无线通信；二次救助

1、引言

2017年度有关报告显示，我国因溺水死亡总人数约是 11.2 万人。青少年的安全问题一直受到社会的广泛关注。儿童溺水的事件，虽然从学校、社会等多个方面都加强了对中小学生的安全教育，但是溺水事件还时有发生.有关儿童溺水死亡的数据显示，每年均有近 3 万名儿童死于溺水事件。

通过专利和文献的检索，发现已有一些防溺水的智能装置，比如在游泳馆里安装监控装置、自动寻人的救生圈、某一水域的监控装置等，但这些装置都有很大的局限性。目前能检索到的资料关于溺水的监测主要有以下几种方式：

1、人一落水就自动报警；无法区分人是游泳、正常水中作业还是无意落水。

2、利用人在正常游泳和发生溺水时，心电变化的不同判断人是否溺水。

3、获取游泳者在水中的呼吸温度和周围环境温度，根据该游泳者的呼吸的温度来获取游泳者的呼吸周期，当监测该游泳者的呼吸周期大于预设的周期时长，确定周围环境温度为第一预设温度的时长超过预设的水温时长时，发送报警控制信号，并根据该信号输出溺水报警信号。

4、采用脉搏与所处水压综合判断游泳者是否处于危险情况，该方法同样需要测量脉搏，这种方式的不足上面已述。

针对以上的不足，本文设计了一种基于腰部水压监测的智能防溺水装置，当人落水时，这个装置可以自动根据落水者的腰部离水面的距离判断此人是在游泳、正常的水中作业还是遇到溺水时的危险。如果遇到危险状态，装置会自动释放高压二氧化碳气罐中的气体给主救生气囊充气，使佩戴者迅速的漂浮起来，避免溺水事故的发生。

2、设计原理和系统结构

本设计的方法是根据人的身高的不同，使用前输入使用者的身高，系统会自动设置其游泳时腰部离水面的安全范围。如果人的腰部离水面的距离处于非安全的范围，系统就会预警，如果在10秒内手动解除预警信号或腰部回到了离水面的安全距离。系统将接着监测落水者的状态。若10秒后还是处于危险状态，会通过无线通信模块给救生装置发送打开主气囊的信号。系统结构如图一。

救生装置接收到主控制器的打开救生气囊的命令后，救生装置则自动释放高压二氧化碳气罐中的气体给主气囊充气；如果10秒内监测溺水者还不能处于安全状态，控制器将再次发送打开副气囊信号进行二次救助。使佩戴者迅速漂浮起来，避免了溺水事故的发生。系统结构如图二。

利用腰部的水压监测的智能防溺水双气囊救生装置在国内尚属首创，佩戴这种装置可大大降低溺水事件的发生。

3.硬件电路

3.1控制器

本装置控制器采用的具有双核处理器的ESP32作为主控。集成了 2.4 GHz、Wi-Fi 和蓝牙双模的单芯片方案，采用台积电（TSMC）超低功耗的 40 纳米工艺，具有超 高的射频性能、稳定性、通用性和可靠性，以及超低的功耗，满足不同的功耗需求，适用于各种应用场景。两个或一个可以单独控制的 CPU 内核，时钟频率可调，范围从 80 MHz 到 240 MHz。+19.5 dBm 天线端输出功率，确保良好的覆盖范围。传统蓝牙支持 L2CAP，SDP，GAP，SMP，AVDTP，AVCTP，A2DP（SNK）和 AVRCP（CT）协议；低功耗蓝牙（BLE）支持 L2CAP，GAP，GATT，SMP，和 GATT 之上的 BluFi，SPP-like 协议等；低功耗蓝牙连接智能手机，发送低功耗信标，方便检测；睡眠电流小于 5 μA，适用于电池供电的可穿戴电子设备；外设包括电容式触摸传感器，霍尔传感器，低噪声放大器，SD 卡接口，以太网，高速 SPI，UART，I2S 和 I2C。ESP32 还集成了丰富的模拟传感和数字接口。况且价格低廉，非常适合本系统。

3.2水压监测传感器

本装置的水压传感器采用的是MS5837-30BA。它是新一代的高分辨率I2C接口压力传感器，是高精度水深测量的理想选择，水深测量分辨率高达2mm。传感器模块包括高线性度的压力传感元件和超低功耗的24位 ADC，内置工厂校准系数。MS5837-30BA同时具有高精度的24位压力和温度数字输出，可根据实际需要配置转换速度和功耗。MS5837-30BA可以与所有形式的微控器配合，通讯协议非常简单，无需修改内部寄存器。防水胶和防磁不锈钢圈使得传感器可防水。本系统踩踏这款新传感器模块，可准确的测量出人体腰部的水压数值。为系统的稳定性提供强有力的支撑。

3.3 救生气囊设计

考虑到智能防溺水系统使用过程中，如果能正常打开救生气囊，溺水者可能就会被救了上来。在一次电视节目中我看到飞机中的降落伞是包含一个主降落伞和一个副降落伞。当跳伞者主降落伞不能打开时，可以启用副降落伞。基于这个思路，本救生装置中也采用了双气囊设计。当主气囊充气后15秒内监测溺水者还不能处于安全状态，控制器将再发送打开副气囊信号进行二次救助；这样可以大大提高了系统的安全性能。

3.4无线通信方式的选择

由于本装置的无线通信的距离较短，而控制器ESP32本身具备 WiFi 802.11b/g/n/e/i和 蓝牙4.2 的标准，集成了 WiFi/蓝牙/BLE射频 和 低功耗技术，并且支持开放性的实时操作系统 RTOS。所以本系统的无线通信采用了 ESP32 自带的蓝牙的通信方式。

4、系统软件设计

基于水压监测的智能防溺水系统主程序只包含初始化、初始参数设置和LCD屏显示部分，然后进入待机模式，中断服务子程序完成其他功能。单片机检测水压传感器过来的信号，与根据用户的身高设定的参数值进行比较，给出相应的操作。如持续10秒钟处于危险状态则给发送打开主气囊的信号，同时继续监测当前水压状态，如在10秒恢复到正常范围，则跳出中断。如果10秒后监测的水压状态还没恢复到正常范围，则发送打开副气囊的信号，进行二次救助。确保溺水者的安全。当人工干预中断产生时，单片机被叫醒并开始执行相对应的中断服务子程序。从中断服务子程序结束后，系统仍回到待机模式且关上显示设备，以节约用电。系统的大部分时间是在最低功耗状态，具体流程图，如图三所示。

4、结论

本装置利用人体腰部离水面的距离作为判断人是否溺水的条件，采用水压传感器测量出腰部的水压大小，从而判断人是否处于危险状态。采用的是双救生气囊。双气囊包含主气囊和副气囊，当控制器检测到腰部水压处于危险状态后，会先给主气囊无线发送打开主气囊的信号，主救生装置则自动释放高压二氧化碳气罐中的气体给主气囊充气。使佩戴者迅速漂浮起来，避免了溺水事故的发生。如果10秒内监测溺水者还不能处于安全状态，控制器将发送打开副气囊信号进行二次救助。控制器与救生气囊采用的是无线通信方式，可控制的救生气囊数量是2个及以上数量。根据不同人群的需要，可以把救生气囊放在适当的位置，比如可以把气囊放在手腕、颈部和背部等位置，能通过佩戴这种装置大大降低溺水发生率和溺水死亡率。

参考文献：

[1]谭嘉俊.基于 PVDF 的脉搏传感器研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

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