一种基于STM32 单片机的水下智能自救系统

孙继鲁，盛虎，姜程斌，赵志珍，张汉林，王帅

（大连交通大学电气信息工程学院，辽宁大连，116028）

0 引言

青少年的生命安全问题一直是社会热点，尤其溺水死亡的情况频繁发生，每年夏天的沿海城市有近十亿人次的旅客流量，每年因海边度假溺亡的人不计其数。救生衣是解决溺水问题的一种有效方式，救生衣的样式和功能随着相关科学技术的发展发生了很大改进。在国外，救生衣起源于二战时期，它的研发大大提升了海上救援的速度和效率。此后，对水下救生装置不断进行研究和改进，在结构、材料等方面不断更新，部分救生衣配备了定位、供氧等功能。

针对现有救生衣体积大影响游泳体验，而且充气装置大多采用手动触发方式，无法对溺水人员及时起到保护作用的问题，本研究设计一种基于STM32 单片机的水下智能自救系统。该系统通过溺水识别装置判断是否发生溺水情况，在特定情况下触发充气装置，使臂环充气，保障用户的生命安全。在臂环上方还有手动触发装置和遥控触发装置，用户可拔下保险销来触发装置；青少年使用者还可由家长使用遥控器，在发生危险时遥控触发装置，全方面防止意外发生。

1 系统设计方案

1.1 系统整体结构

系统由STM32 单片机控制模块、溺水识别装置、二氧化碳充气装置和遥控装置四部分组成。系统由锂电池供电，STM32单片机模块实现信息处理和其它模块的控制；溺水识别装置实时检测游泳人的生理特征；二氧化碳充气装置可以快速释放大量二氧化碳，使臂环迅速充气；遥控装置实现充气装置的远程触发。图1 为系统的整体结构图。

图1 系统结构图

1.2 系统各模块功能

（1）溺水识别装置佩戴在手腕上，采用呼吸血氧传感器检测血氧和心率参数，采用水压传感器检测液位，将采集到的水压和生理参数传送给STM32 单片机控制模块。

（2）STM32 单片机控制模块接收溺水自动识别装置发送的信号，并进行预处理和分析，如果判断为溺水情况发生，则发送“启动”信号给二氧化碳充气装置。STM32 单片机控制模块同时接收遥控装置发送的无线信号，与遥控装置进行通信。

（3）二氧化碳充气装置佩戴在一侧大臂上，用于接收STM32 单片机控制模块的控制信号，当接收到“启动”信号时，启动充气装置快速释放大量二氧化碳。

（4）遥控装置接收STM32 单片机控制模块发送的溺水提示信号，根据溺水提示信号和现场情况，远程触发充气装置。

2 系统功能实现

2.1 溺水识别装置设计

溺水识别装置采集血氧信号、心率信号以及水压信号，其中血氧信号和心率信号采用红外传感器采集，水压信号通过压力传感器采集。血氧信号和心率信号采集电路如图2 所示，采用双波长红外发射管D1 与D3，基于血红蛋白对不同波长红光吸收率不同的原理检测透过动脉血管的电信号计算血氧，并根据检测电信号的周期性变化，确定脉搏。电路中C5和R7构成无源滤波电路，滤除其他频率干扰。水压信号采用膜片式压力传感器，将水压信号变送为电压信号进行采集。

图2 血氧和心率信号采集电路

2.2 二氧化碳充气装置设计

二氧化碳充气装置可以分别采用自动触发、手动触发和遥控触发3 种方式，此装置外形为一个臂环，内置二氧化碳气罐舱和折叠的气囊。气囊由高浮力防水TPU 复合布料制成，充气后为长30cm、宽30cm、厚度10cm 的椭球状。气罐为铁镀镍材质，内含压缩二氧化碳气体12g 左右，在大气压下释放充满气囊可承重120kg，完全符合正常人体重要求。气罐为针刺式触发，可由手动、溺水识别装置以及遥控装置触发，释放二氧化碳充满气囊需3 秒。

2.3 遥控装置设计

为保证安全，尽量减小风险，在臂环上加装遥控电路，作为触发二氧化碳充气装置的一种备用方式。当监护人发现可能发生溺水情况，或者在传感器失效、用户无法手动打开充气装置时，可通过遥控器帮助用户打开臂环充气装置。遥控装置的无线通信采用315M Hz 数据编码发送芯片PT2262 和解码接收芯片PT2272 实现。PT2262 工作时发送编码、调制后的高频信号；PT2272 接收PT2262 发送的高频信号并进行解码实现遥控，遥控装置的传输距离为20-50 米。

2.4 系统软件流程

STM32 单片机是系统信号处理及控制的核心，接收血氧、脉搏和水压信号进行分析评判，并控制二氧化碳充气装置实现救助功能，系统的软件流程如图3 所示。系统上电工作后首先进行初始化，设置系统各模块的工作模式。初始化结束后检测遥控信号，当接收到遥控装置发送的“启动”信号后，立即触发二氧化碳充气装置，否则接收溺水识别装置的血氧、脉搏和水压信号。当检测到水位或生理参数异常时立即触发二氧化碳充气装置，否则循环检测遥控信号和溺水识别信号。

图3 系统软件流程图

3 结论

基于STM32 单片机的水下智能自救系统由锂电池供电，采用小尺寸、低功耗的贴片元件制作，具有小型化、低成本、低功耗等特点。考虑到系统的应用环境差异，系统分别设置了3 种二氧化碳充气触发方式：自动触发、手动触发、遥控触发，为用户提供方便、可靠的救助服务。系统可以与救生衣一起穿着，在溺水情况发生时快速完成充气，提供浮力，保证安全。经过测试，此装置操作简单、可靠性高、实时性好，对避免青少年出现溺水问题具有很大实用价值。