基于单片机的微型防溺腰带设计

张晓培，门延涛，郭旭，陈楷林，罗华锋

（北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西钦州，535011）

0 引言

水是人们生活中必不可少的资源，水上活动也是一种广泛的娱乐和体育方式。但是，由于意外事故的发生和风险的存在，水上活动也是比较危险的活动之一。据统计，近年来我国发生的溺水事件不断上升，尤其是在旅游和娱乐活动中，游泳事故发生率较高，无论是成人还是儿童，都存在一定的安全隐患。防溺水技术和产品因此应运而生，以预防和减少溺水事故的发生。现有的防溺水产品大多是较为复杂的设备，如救生衣、救生圈等，加之价格较高，使用也不太方便。因此，本文研究并设计了一种基于单片机控制的微型防溺腰带，以满足人们在水上活动中的安全需求，加强对儿童的监护，减少意外事故的发生。

1 系统设计总体方案

微型防溺水腰带在外观设计总体采用U形游泳圈结构，为防止水对微型器件的影响，本装置所有传感器及其他微型装置都分布于游泳圈内部。结构如图1 所示：腰带主体部分为1-游泳圈，腰带内部一端外部带有2-单向吹气装置，另一端内部装有3-传感器、4-气瓶、5-手动开关等微型装置。

图1 系统结构图

当待救人员落水之后游泳圈一端的输入信号发生变化，传感器接收信号并经过数据整理发送至单片机中，随后单片机工作释放报警信号，气囊自动打开，游泳圈自动进入工作状态。同时为防止芯片易出现问题，本防溺腰带采用电导率传感器、液位传感器、血氧传感器同时工作，多方位监测易于接收输入信号的改变，增加自动装置的容错率。如果气囊仍然无法自动打开，待救人员还可按下手动开关，打开气瓶释放气体，使腰带进入工作状态。同时腰带另一端外部还装有单向吹气口，此部分的作用是在自动充气装置、手动开关均出错的情况下进行人工吹气使游泳圈正常工作。微型防溺腰带工作原理框图如图2 所示。

图2 系统方框图

2 系统的硬件设计

■2.1 系统硬件设计

该系统包含单片机、传感器和通讯模块等重要组件，用于控制和监测防溺腰带的各项功能。

2.1.1 单片机模块

该模块采用了处理速度快、性能稳定的STM32F103C8T6芯片，用于控制整个系统的运行。单片机需要通过各个传感器采集到的数据，处理、分析并实时传输数据，同时控制防溺腰带的报警和预警功能。

2.1.2 电源供应模块

该模块用于为系统提供稳定的电源，可以接受电池或外部电源的输入。在设计中，需要考虑到防溺腰带轻便的特点，并兼顾电源的持续时间和安全性等因素。

2.1.3 传感器模块

该模块包括多个传感器组件，主要用于采集用户和周围环境的参数，包括血氧、电导率、液位等。通过传感器模块采集到的数据，可以实时监测用户的身体情况和周围环境，从而预测可能出现的危险情况。

2.1.4 通信模块

该模块用于系统和上位机之间的通讯，通过使用蓝牙通信方式，实现数据的传输和控制。用户可以通过手机小程序与防溺腰带进行互动，实现数据的实时监测、设定预警阈值等操作。

通过系统硬件的设计，可以实现对防溺腰带的多项功能的整合和管理。同时，合理的模块设计能够提高系统的稳定性和可靠性，从而更好地保障用户的安全和使用效果。

■2.2 血氧检测模块

在本设计中，我们采用了脉搏氧饱和度传感器——MAX30100，该传感器能够通过红外光和红光的反射来测量用户的血氧饱和度。血氧检测模块的硬件电路主要由MAX30100血氧传感器、主控单片机和串口传输模块等组成。在具体实现中，传感器通过发射红外光和红光，测量用户的血氧含量和血氧，并通过I2C 与主控单片机进行通讯。主控单片机对传感器返回的数据进行处理，最终将用户的血氧饱和度值上传到上位机。

图3 血氧传感器实物图

图4 血氧传感器电路图

■2.3 电导率检测模块

电导率模块是微型防溺腰带的重要组成部分之一。在本设计中，电导率模块采用了AD5933 数字电阻计，实现了对水的电导率的快速准确测量AD5933 数字电阻计能够输出高达1MHz 的正弦波，并且具备高精度的测量能力。该模块通过单片机与AD5933 进行SPI 通讯，并接收和处理从AD5933 传回的数据信息。

图5 电导率传感器实物图

图6 电导率传感器电路图

■2.4 液位检测模块

在本设计中，FSR402 是著名Interlink Electronics公司生产的一款重量轻，体积小，感测精度高，超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在FSR 传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，电阻越低。其允许用在压力100g～10kg的场合。

图7 液位传感器实物图

图8 液位传感器电路图

■2.5 蓝牙模块

随着现代通信技术的发展，蓝牙无线通信也日趋成熟。现在的无线蓝牙通信技术都已经应用在手机、耳机、便携电脑等各种设备中。本设计采用蓝牙模块HC-06，HC-06 模块是专为智能无线数据传输而打造的，采用英国CSR 公司Blue Core4-Ext 芯片，遵循V2.0+EDR 蓝牙协议。蓝牙模块HC-06 是一款支持多种接口，支持SPP 蓝牙串口协议，具有体积小、成本低、灵敏度高等优点[1]。

图9 蓝牙模块实物图

图10 蓝牙模块电路图

■2.6 报警指示灯电路

根据555 多稳态触发器设计间歇式声光报警，声报警选择蜂鸣器，光报警选用发光二极管。当血氧浓度低于设定的下限浓度时，指示灯亮并伴随蜂鸣器报警。或当电导率和液位同时达到设定值，蜂鸣器发生报警，LED 灯也将点亮[2]。

3 系统软件设计

为了实现对防溺腰带的全面掌控和管理，需要进行系统软件设计。本系统软件采用C 语言编写，其主要功能包括：设置和修改预警阈值、数据采集、数据处理和报警。

图11 报警指示灯及蜂鸣器电路

（1)设置和修改预警阈值

用户可以通过按键设置预警阈值，包括血氧、电导率、液位等。设定阈值后，系统将对传感器采集的数据进行实时比对，一旦超出设定阈值，系统会自动报警。

（2)数据采集

本系统采用数字传感器进行数据采集，涉及的参数包括血氧、电导率、液位等。系统通过单片机控制传感器进行数据采集，并通过串口将数据传输至上位机，实现数据实时监测[3]。

（3)数据处理

本系统使用了基于单片机控制的智能算法，对采集的数据进行处理和分析。系统能够监测用户的身体情况和周围环境的变化，并根据数据变化的趋势预测可能出现的危险情况。基于机器学习算法，系统能够根据用户不同的身体特征，自适应调整预警阈值。

（4)报警

防溺腰带在检测到用户处于危险状态时会立即报警。报警方式包括发出警报声，同时将报警信息发送至用户的手机或其他管理者的手机上。用户可以通过手机小程序查看预警信息和实时监控参数，作出适当的行动。

图12 整体电路图

图13 系统主程序流程

通过系统软件的设计，用户可以清晰了解自己和周围环境的情况，及时调整适当的措施。同时，可以实现对防溺腰带的全面管理和控制，提高了使用的方便性和安全性。

4 结束语

本文设计了一种基于单片机控制的微型防溺腰带，采用了传感器感知能力与单片机的协同控制，对血氧、电导率、液位等参数进行实时监测，同时设有开关控制和记录器逻辑，能够在佩戴者遭遇溺水事故时即时诊断并发出警报，实现危险情况的快速响应和及时救援。整个设计主要涉及传感器、单片机和IC 等多种技术，在中小型设备上具有广泛应用前景。

本文设计方案中，采用了传感器、单片机、IC 等多种技术，采用了简单的硬件结构和适当的软件运算，可极大地降低了成本。其中血氧传感器、电导率传感器等多种传感器均为市面上常用的技术，容易购买且使用方便，整机制造成本相对较低。

在实践中，本文所设计的防溺腰带已经成功应用于实际生活中，取得了较好的效果，其有效地避免了救援工作的困难，防范了意外事故的发生，对于增强人们的户外安全意识、保障人类生命安全、促进水上活动的健康发展有着重要的意义。

在未来，此类防溺腰带有望在智能化、无线化方面进行进一步的深入推广，例如加入GPS 定位、WiFi 网络等功能，以便实现更加完整、高效的应用。此外，也可以加入微信、手机等社交软件，以便用户能够更方便地接受安全信息的传播和交流。

综上所述，本文设计的基于单片机控制的微型防溺腰带具有很好的创新性和实用性，未来有望在智能化、无线化、社交化方面进行进一步的推进和应用，对于提高人们在水上活动中的安全意识和保障人类生命安全等方面具有重要意义。