防溺水游泳圈的设计

张以涵 罗磊 王学忠

摘要：该文介绍了一种基于MSP430F249、GR-87定位芯片、SIM900短信模块为核心的防溺水游泳圈。该游泳圈是一种项型结构，套在游泳者的脖子上，两侧还设有能自动充气的安全气囊装置，当遇到危险时能一键启动报警系统，发出声光报警信号、打开安全气囊以保证游泳者的头部垂直朝上，同时发出求救短信和地理位置信息等。实验表明，该产品结构设计合理、操作方便、性能稳定、工作可靠，具有广阔的市场前景。

关键词：游泳圈；GPS；MSP430F249；GPRS

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0254-03

Abstract： This paper introduces an anti-drowning swimming ring based on MSP430F249， GR-87 positioning chip and SIM900 short message module. The swimming ring is a neck-shaped structure， which is set around the swimmer's neck and is equipped with an automatic inflatable airbag device on both sides. When in danger， it can start the alarm system with one key， send out sound and light alarm signals， open the airbag to ensure that the swimmer's head is vertical upward， and send out short messages for help and geographical position messages and so on. Experiments show that the product is reasonable in structure design， convenient in operation， stable in performance， reliable in work， and has broad market prospects.

Key words： swimming ring； GPS；MSP430F249； GPRS

1 背景

每到夏季，酷暑难忍，人们想到的最佳解暑娱乐方式——游泳，然而每年夏天因游泳溺亡的事故时有发生，主要原因：一是游泳者对所游泳的水域环境不熟悉，又没有使用游泳圈等安全保护措施（主要是嫌传统游泳圈使用不方便），误入深水区而导致死亡；二是使用了游泳圈，因游泳圈的质量等问题而导致溺水又没有得到及时的救援而死亡等。该文设计的一款具有GSM 短信远程报警功能的防溺水游泳圈，该设计具有使用方便、设计巧妙，结构设计充分考虑到使用的性安全和舒适性，具有稳定的工作状态、制作的成本较低等特点，市场开发的空间较大。

2 防溺水游泳圈的原理

该游泳圈是一种主要采用内置压力感应器的游泳安全工具，该压力感应器具有价格低廉、灵敏度高、反应速度快，非常适合运用在普通泳圈上。该产品可设计成一个圆形，直径约22毫米的圈，游泳者可把它戴在颈脖子上，该游泳圈两侧设计有能够充气的气囊，能够保证游泳者的人身安全。当游泳者遇到危险按下报警按钮是，能自动打开安全气囊，让用户的头部始终保持垂直于水面上，以保证他们的安全，其原理就是正常游泳时，气囊内没有气体，当遇到危险时，打开充气阀门开关，瞬间充满气体，以确保游泳者头部不被水淹没，还能正常的呼吸；同时也打开声、光和短信报警系统，通知岸上人员进行施救。

3 硬件設计

基于MSP430的GSM/GPRS防溺水游泳圈是以TI的MSP430f249控制芯片作为系统的主控制单元[1]，外配有32768Hz，8MHz两个晶体构成的时钟系统、复位单元模块、按键输入、LED闪烁报警、蜂鸣器报警模块、GPS模块、GSM/GPRS模块电路等构成微控制系统；MSP430f249通报警按钮感知游泳者的安全状况，以LED灯、蜂鸣器、GPS和GSM/GPRS模块为控制对象；实现异常情况报警，MSP430F249通过通用串口与GPRS模块SIM900 进行信息交换。系统总体结构如图1所示。

3.1 主控单元电路设计

MSP430f249芯片是整个防溺水游泳圈整个设计的核心部分，MSP430控制芯片是一种能把功耗设计很低的、16位的RISC指令集、模数信号融合的处理器[2]，系统工作非常稳定，有多个时钟系统，包括辅助时钟系统（ACLK）、主时钟系统（MCLK）、子系统时钟（SMCLK）和内部数字控制时钟（DCO_CLK），并且具有当OSC外围模块在用作CPU的MCLK信号发生错误的信号时，DCO_CLK会自行开启工作，以保证系统能够正常运行。工作效率高，一个时钟周期就可以执行一条指令，采用矢量中断，支持多个中断源，工作电压低，一般采用1.8～3.6V，工作频率最高可达16MHz，片内含有丰富的外围结构（如WDT看门狗电路、16定时电路、模拟信号转换成数字信号的ADC电路和数字信号转换成模拟信号的DAC电路、DMA直接存储访问、USCI等），采取Flash结构的ROM，具有JTAG口，开发调试十分方面。主控电路原理图如图2所示。图中的D9、D10是两个LED指示灯电路，D9是用来指示GPS的接收状况、D10用来指示GPRS的数据发送状况。

3.2 声光报警电路

该设计中有两个按键，分别是紧急报警按键K2和取消报警按键（复位按键）K1。当按键紧急报警按键K2时，一方面自动打开项圈游泳圈的两侧安全气囊，使用户的头部始终保持在水面以上，以保证他们的生命安全；另一方面打开声光报警系统，并向岸上的亲人发送求救信号和位置信息，以便获得及时的救助。

图4为蜂鸣器报警电路。电路采用低电平驱动的方式，这样不管使用哪个端口都可以，且驱动电流都足以使晶体管输出饱和，达到报警的功能。另外，在三极管Q1的B极与E极之间串入阻值3K的电阻R11，为的是让Q1管从导通到闭合时产生一个释放BE之间的载流子的通道，以达到加速切换，防止拖音的目的。

3.3 GPS模块电路

GPRS是General Packet Radio Service第一个字母的简写，它也是GSM移动电话数据交换的一种[6-7]。我们习惯上叫第2.5代移动数据交换技术。GPRS是GSM数据传输的延续，数据通常采用分组发送和分组接收的方式，具有访问速度快，能充分利用网络资源，利用率远高于GSM。GPRS/GSM的模块也很多，有西门子公司的TC35i系列、SIMCOM公司的SIM300、SIM900等。该系统中采用的是SIM900芯片。具体单元电路如图6所示，主要包括SIM900的芯片硬件工作开启电路、SIM900工作状况指示电路、SIM卡与MSP430F249的接口等。GPRS模块SIM900硬件启动部分是有NE555组成的施密特触发器、Q2晶体管，NE555的第7端口DIS与单片机的P1.5引脚相连，当单片机产生的触发信号后，通过启动电路将产生约1.5秒低电平延时信号PWR加到SIM900的PWRKEY引脚，启动GPRS模块工作。

图3中的Q3、R15～R17、LED等D11构成GPRS模块的工作状态指示电路，当GPRS正常工作时，从SIM_STATUS端发出信号控制LED指示灯D11以便观察SIM900模块是否登录网络。SIM卡主要通过RST、CLK、I/O端口与SIM900模块的SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA管脚相连。

4 软件设计

4.1 整体设计方案

整个设计的软件部分包括单片机的初始化、GPS单元GR-87的数据采集和分析、相关求救信号与定位数据的GPRS（SIM900）网络发送等。根据该系统防溺水游泳圈主要要实现的功能，设计软件方案的整体程序流程图7所示：

4.2 AT指令集

当MCU主控芯片MSP430F249与SIM900的波特率设置为一致的时候，MSP430F249单片机通过SIM900模块的AT指令来执行收发短信、发送地理位置等报警信息。该系统可设置单片机MSP430F249与SIM900模块的波特率为9600bps。GPRS与MSP430F249芯片之间的许可协议就是一些AT指示命令，该指示命令的格式是用AT字符开始，结尾是结束字符串，中间是AT所要传送的数据，每条指令语句发送结束都有一个返回值，对一些特殊的非预期的信息，GPRS（SIM900）将会给出一些提示，以便终端做出正确的分析。AT指令比较多达上百条，如AT+CMGR接收短信息、AT+CMGS为短信的发送等，具体情况可查看SIM900的常用指令手册。

5 结论

该文提出并实现了一个基于MSP430F249芯片的防溺水游泳圈。该游泳圈具有遇到危險时，能够一键启动报警系统，并发出响亮的报警声音，两侧的高亮度LED发光二极管不停闪烁；同时打开颈部两侧的安全气囊，以保证使用者的头部一直垂直于水面上，防止溺水。该装置还具有GPS定位功能、短信报警以及发送地理位置的功能，以便得到岸上人员的及时救助。经过实验证明，该系统操作简单、安全可靠，遇到危险时能够及时启动报警系统，发出报警声、发出求救短信和地理位置信息、打开安全气囊，并且结构设计合理，功耗较低，耐用可靠，产品的市场开发的空间较大。

参考文献：

[1] 谢楷， 赵建. MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.

[2] 沈建华， 杨艳琴. MSP430超低功耗单片机原理与应用[M]. 北京： 清华大学出版社，2015.

[3] 张义和， 王敏男. 例说51单片机[M]. 3版. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[4] 顾必良， 王黎明， 韩焱. 基于AT89S52 的GPS 数据采集系统设计[J]. 自动化与仪表， 2008（4）： 28-31.

[5] 马兰， 袁卫. 基于GPS 的数据采集系统设计[J]. 现在电子技术， 2010（15）： 61-63.

[6] 薛庆吉， 周国运. 基于GSM/GPRS网络远程无线控制系统应用研究[J]. 福建电脑， 2008（3）： 17-18.

[7] 刘海斌， 廖梦林， 宋寒， 等. 基于GPRS 彩信模块的多功能家庭安防系统[J]. 现代电子技术， 2011（6）： 63-81.

【通联编辑：谢媛媛】