基于无线通信的游泳池主动式呼救装置

雒 珊 杨嘉航 刘洪瑞

（吕梁学院物理系，山西 吕梁 033001）

1 引言

近年来随着水上健身运动的发展，随之而来发生的溺水死亡事故也呈逐年上升的趋势。据世界卫生组织发表的《全球溺水报告：预防一个主要杀手》报告称，溺水能造成毁灭性影响，溺水是全世界各区域儿童和青年的十大主要死因之一。全球每年共有37.2万人溺亡[1]。

为了减少溺水事件发生，目前正规的游泳池都配备救生员，救生员实时观察泳池内的情况，随时做好救援准备，但这种监控手段弊端非常明显：一是如果泳池比较大，一个救生员无法全面看顾，需要配备多个救生员，成本开支会比较大；二是如果泳池内人员密集，肉眼或监控很难发现是否有人员出现溺水险情，可能错过险情。因此，对于泳池监控系统的研究具有重大的现实意义。

2 系统方案设计

本装置由一个发射器、一个接收器组成，发射器与接收器之间采用无线数传模块（WSN_31）进行数据通信。其中，发射器是一款为游泳者专门设计的头戴式头箍，外形如图1所示，硬件构成如图2所示。系统以MCU微处理器为核心，结合电源、水位电极模块、无线模块、蜂鸣器、LED 灯带及人机对话电路组成。工作原理为：当两个水位电极浸入水中，通过电路检测为导通状态时，系统开始计时，当超过设定时间（时间由人机对话电路自定义设置，默认是30s），开启报警模式（开启LED灯带及蜂鸣器），并将险情信息通过无线模块发送至接收器；当两个水位电极为断开状态时（至少有一个水位电极离开水面），关闭报警模式（关闭LED 灯带及蜂鸣器）。接收端的系统硬件构成图如图3，接收器由救生员随身携带。

图1 头箍外形

图2 发射器硬件构成图

图3 接收器硬件构成图

其中，1是一对水电极，2是头箍上的一圈LED灯带。

3 硬件电路设计

发射器硬件电路原理图如图4，接收器硬件电路原理图如图5所示。

图4 发射器硬件电路图

图5 接收器硬件电路图

（1）电源电路

电源电路分为两个部分：供电电路及低电压提示电路。在发射器及接收器的供电电路中，3.7V 锂电池通过ME6209A33M3G 芯片，转换为3.3V。在发射器中，3.7V 给LED灯带供电，3.3V给蜂鸣器、无线模块、水位电极模块及人机对话电路供电；在接收器中，3.7V 给LED 灯带供电，3.3V给蜂鸣器、无线模块及振动马达驱动电路供电。

（2）水位电极模块

两个水位电极即石墨棒铜柱电极，一个接入3.3v电压，另一个通过电阻接到三极管的基极。当两个铜柱电极均浸入水中时，电极导通（即P4 为导通），经过三极管，此时STM32 单片机的PB7口采集到的电压为0V；当铜柱电极至少有一个不在水中时，P4不导通，因此三极管无法导通，此时PB7口采集到的电压为3.3V。发射器通过采集PB7口的状态信息，判断是否水位电极是否导通；若导通，则系统开始计时。

（3）人机对话电路

人机对话电路由一个3位共阳数码管及按键构成，如图4所示。由此电路自定义设置触发报警的时长。按键有3个，分别为：时间加键S1、时间减键S2、确认键S3。根据需要按下时间加减键，其中，按键修改时间步长为1s，范围为（10s～200s），设置结束后，按下确认键进行保存，该设置值掉电不丢失。当发射器完全浸入水中，此时两个电极为导通状态，系统开始计时，分为两种模式。模式一：当计时时间到达此设定值之前，两个电极为断开状态（至少有一个电极离开水面），此时计时清零，等待开始下一次计时。模式二：当计时时间到达此设定值，两个电极依然为导通状态，则发射器开启报警模式，直到两个电极断开，此时发射器停止报警模式。

（4）LED灯带

LED 灯带通过PB8 口发出高低电平信号，经过三极管（ss8050），控制LED 灯带的亮灭（高电平时，点亮LED 灯带；低电平时，关闭LED灯带）。

（5）振动马达驱动电路

振动马达驱动电路由PB10 发出高低电平信号，经过三极管，驱动P4（马达），从而控制马达振动或停止（高电平时，马达通电，振动；反之，停止振动）。

（6）无线数传模块

将无线数传模块（WSN_31）上的SET引脚设置为低电平设置相应参数（包括网络编号、工作模式、波特率、无线信道、无线功率、数据位、校验位等）后，将此引脚悬空，处于工作状态时，由发射器检测、判断是否为溺水状态，从而将状态信息通过无线模块发送至接收器，接收器的无线模块通过串口引脚（RXD、TXD）接收对应信息。具体来说，共有两次数据传输过程：

1）当发射器中的水位电极浸入水中导通时长超过设定值时，发射器开启报警模式的同时，向接收器发送报警信号；

2）在1)的前提下，当发射器中的两个电极为断开状态时，发射器关闭报警模式的同时，向接收器发送解除报警信号。

4 PCB板设计及制作

（1）发射器

采用AD电路设计软件，设计出的发射器的PCB设计如图6 所示，图（a）包括型号为STM32F103 的MCU 微处理器、水位电极模块、无线模块、蜂鸣器及LED灯带；图（b）为人机对话电路模块，对应的实物图如图7所示。当装置完全浸入水中并超过设定时间时，处理器会控制LED灯带以及蜂鸣器进行报警，并通过无线模块将报警信息发送至接收器；当装置检测到水位电极模块为断开状态时，装置停止报警模式，并将解除报警信息发送至接收器模块。

图6 发射器PCB设计图

图7 发射器PCB实物图

（2）接收器

接收器的PCB 设计如图8 所示，对应的实物图如图9 所示。接收器包括MCU 微处理器、无线模块、蜂鸣器、LED 灯带及振动马达驱动电路。通过无线模块接收来自发射器的信息，当接收到报警信息时，控制LED灯带、蜂鸣器以及振动马达工作，以此提醒管理员及时进行施救工作；当接收到解除报警信息时，即成功解救溺水者，此时关闭报警模式。

图8 接收器PCB设计图

图9 接收器PCB实物图

5 软件程序设计

（1）发射器软件设计

发射器软件流程图如图10所示，通过传感器（水位电极）检测方式判断游泳者是否为溺水状态，若为正常游泳状态，则继续等待监测下一次的状态，若为溺水状态，则通过无线模块向接收器发送报警信息并开启报警模式（开启LED灯带以及蜂鸣器），之后通过传感器状态继续判断溺水者是否脱离危险，若脱离危险，则通过无线模块向接收器发送解除报警信息，并关闭报警模式（关闭LED灯带以及蜂鸣器）。

图10 发射器工作流程图

（2）接收器软件设计

接收器工作流程图如图11所示，当接收到报警信息时，接收器开启报警模式（开启LED灯带、蜂鸣器及振动马达），通知工作人员有溺水情况发生，当接收到发射器发送解除警报信息时，关闭报警模式（关闭LED 灯带、蜂鸣器及振动马达）。

图11 接收器工作流程图

7 结语

通过实验和测试，本设计基于无线通信的水中主动式呼救装置，发射器主要利用了传感器监测技术，由游泳者携带，通过双电极式水位传感器检测判断游泳者是否完全在水下，以及在水下的持续时间，如果超过了设定时间，判断为溺水状态，此时开启声光报警模式，并将报警信息以无线通信方式发送至接收器；接收器由工作人员携带，当接收到报警信息时，接收器开启声光报警以及振动马达，采取相应救援工作，达到了预期设计目标和任务。该装置功能完整、使用方便、性价比高，适合于室内游泳馆等水上娱乐场所，具有较大的市场推广应用价值。