【文章內(nèi)容簡介】 將有一個低電平輸入到主控芯片，主控芯片便會開始計時，當超過家長手機端設(shè)置的時長，泳帽端的藍牙模塊就會發(fā)送報警信號到家長手機端，同時手機震動，于此同時，泳帽端的 NRF模塊發(fā)送信號到救生員的手環(huán)，發(fā)出聲報警信號，以讓救生員及時發(fā)現(xiàn)溺水兒童；家長手機端安裝有自主編寫的安卓界面，用于接受報警信息；救生員手環(huán)則由主控芯片， NRF 模塊以及蜂鳴器組成，接受報警信號同時發(fā)出聲報警信號。智能手環(huán)監(jiān)測到，藍牙不在連 接狀態(tài)或者救生員手上感應(yīng)手環(huán)收不到求救信號時候，把信息馬上發(fā)到放置在游泳池或者沙灘的緊急求救終端，終端接收到信息之后馬上通過 GSM 模塊把求救信息 （包括游泳池的具體地址） 發(fā)送到急救站處。發(fā)送信息到達終端后繼續(xù)向手環(huán)發(fā)送求救信號，努力與手環(huán)握手取得聯(lián)系。這樣既能防止信息的浪費，而且可以實現(xiàn)可靠的報警。 9 功能介紹 報 警 方 式 三 報 警 方 式 二報 警 方 式 一1 2 3468951 41 071 21 31 11 5 1 6手 機 攜 帶 者救 生 員急 救 站1 7 圖 作品工作流程總圖 如圖，智能安全泳帽工作步驟如下： 1 檢測、判斷游泳 者位于水下的時間，當時間達到設(shè)定的閾值，三極管開關(guān)電路 2連續(xù)發(fā)出低電平信號到中央處理芯片一 3；或者手動緊急報警按鍵 17按下，產(chǎn)生低電平到對應(yīng) IO 口； ，中央處理芯片一 3 啟動報警方式一：中央處理芯片一3控制泳帽上的藍牙模塊 4 發(fā)送求救信號到手機客戶端 7，手機收到信號后進行手機震動提醒；同時中央處理芯片一啟動報警方式二：中央處理芯片一 3控制泳帽上的射頻模塊一 5發(fā)送求救信號至智能手環(huán)，智能手環(huán)發(fā)出警報提醒智能手環(huán)穿戴者有人溺水；所述的智能手環(huán)包含中央處理芯片二 LED 報警燈二 蜂鳴器 振動器 11，中央處理芯片二 8收到求救信號后，控制 LED 報警燈二 蜂鳴器 振動器工作 11；與此同時，中央處理芯片一 3控制泳帽上的 LED 報警燈一 6閃爍； 5與智能手環(huán)連接失敗，即報警方式二失效時，中央處理芯片一 3 立即啟動報警方式三：中央處理芯片一 3 控制泳帽上的射頻模塊一 5 發(fā)送求救信息到緊急報警終端；所述的緊急報警終端包括依次相連的射頻模塊二 1中央處理芯片三 1 GSM 模塊 14，射頻模塊二 12與射頻模塊一 5 連接后，將射頻模塊一 5 發(fā)出的求救信息傳輸給中央處理芯片三 13，中央處理芯片三 13 控制 GSM 模塊 14 發(fā)出求救短信到急救站； 此外，泳帽上還設(shè)有手動報警按鍵，讓溺水人員及時自救，按下手動報警按鍵時，報警方式同以上所述報警方式一、二、三。 所述的中央處理芯片一、二、三均為 MSP430G2553 單片機，所述的射頻模塊 10 一、二均為 NRF24L01 射頻模塊； 基 于 水 位 檢 測 模 塊 的 智能 安 全 泳 帽救 生 員手 機 攜 帶 者急 救 站 圖 作品結(jié)構(gòu)圖 11 開 始水 位 傳 感 器 檢 測 水 下 時 間到 達 閾 值三 極 管 開 關(guān) 電 路 連 續(xù) 發(fā) 出低 電 平 信 號中 央 處 理 芯 片 一L E D 報 警 燈一 閃 爍啟 動 報 警 方 式 一 啟 動 報 警 方 式 二判 斷 是 否 成 功啟 動 報 警 方 式 三結(jié) 束NY手 動 報 警 圖 作品程序流程圖 12 第三章 方案選擇 通訊方式選擇 智能泳帽需要與手機端、救生員手環(huán)以及緊急報警終端進行通訊，故通訊模塊的選擇是本作品的核心內(nèi)容。現(xiàn)可供選擇的無線通訊模塊有三種，分別是 Wifi、NRF 以及藍牙。下面將從本作品出發(fā)，分析以上三種無線通訊方式以及最終方案選擇。 WiFi模塊： WiFi 模塊覆蓋半徑可達 100 米，傳輸數(shù)據(jù)速率也較藍牙模塊和模塊 NRF 迅速，雖然傳輸數(shù)據(jù)安全性穩(wěn)定性較差，但從距離來說比藍牙模塊更加適合于這個穿戴式裝備制作。本次作品主題是可穿戴式設(shè)備，故設(shè)備除了要低功耗意外，還要有一個明顯的特點，那就是體積 小。但是 WiFi 模塊供電成為一個大問題，WiFi模塊供電比較困難，耗電大，而且體積較大，不適合用于集成度較高的穿戴式裝備中。 藍牙模塊： 藍牙是無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)拈_放式標準，它將各種通信設(shè)備、計算機及其終端設(shè)備、各種數(shù)字數(shù)據(jù)系統(tǒng)、甚至家用電器采用無線方式聯(lián)接起來。它的傳輸距離為 10cm～ 10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)便可達到 100m 的傳輸距離。由于藍牙采用無線接口來代替有線電纜連接，具有很強的移植性，并且適用于多種場合，加上該技術(shù)功耗低、對人體危害小，而且應(yīng)用簡單、容易實現(xiàn)，所以易于推廣。 NRF 模塊： NRF 通訊距離為理論為 200 米，適合我們所需的通訊要求。 NRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，芯片能耗非常低，以 5dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有 ，接收時工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使 NRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401 適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。功耗低，續(xù)航時間長。同時可利用 NRF 的傳輸功率可變來實現(xiàn)距離檢測，可檢測溺水者所在的游泳池。 綜合考慮各模塊特點以及本作品要求水下工作，最終選擇藍牙模塊用于泳帽與手機端的通訊，而 NRF24L01 用于泳帽與緊急報警終端以及救生員手環(huán)的通訊。 緊急報警終端的作用是當家長手機無法接到藍牙信息時，終端將會發(fā)送報警信號到手機，故選擇 GSM 模塊。 13 傳感器選擇 檢測溺水有兩種方法。一、檢測泳帽所處的水深，超過一定深度一定時間后即認為是溺水；二、檢測泳帽即頭部處在水中的時間，超過設(shè)定時間即認為是溺水。 基于以上兩種檢測方法，現(xiàn)提 出以下 解決方案供選擇。 壓力傳感器 ： 利用水下壓力隨水深度的增大而增大的原理，使用壓力傳感器測出當前壓力并用公式 F=ρ *g*h(F 為壓力， ρ 為水密度， g為重力加速度， h 為水深 )，即可算出當前所處深度。 水位檢測模塊： 由于壓力傳感器比較難操控，且置于水中時輸出不穩(wěn)定，故最終選擇水位檢測模塊。水位傳感器模塊在水中輸出低電平，在空氣中輸出高電平。靈敏度較高，符合計時需要。 溫濕度傳感器： 用水里溫度比較空氣低，濕度比空氣大來實現(xiàn)檢測是否在水中。但經(jīng)試驗當溫濕度傳感器落入水中后，出水后占有水分，無法正確顯示空氣中的溫濕度，所以造成檢測部不準確。 空氣檢測傳感器： 通過水中是否有空氣來檢測時候在水下，但由于空氣傳感器比較昂貴而且技術(shù)上的不成熟，用起來仍比較有難度。 其他電路設(shè)計 三極管開關(guān)電路工作過程：水位傳感器在水上的等效電阻 Rw 為 5KΩ — 10KΩ，而在水下的的等效電阻在 600Ω以下；當水位傳感器未進入水中時，電阻 R1兩端的分壓（即三極管 b、 e 極兩端的電壓）大小為 R1 R w R 1Vbe Vc c? ?=51005000 100? V= ，這個電壓值小于三極管的導(dǎo)通電壓 ，使三極管處于截止狀態(tài)，三極管 c、 e 極間相當于大電阻， Vout 幾乎承受所有電壓，即輸出為高電平（約為 ）；當水位傳感器進入水下時，其等效電阻為 600Ω以下，導(dǎo)致 R1 兩端的分壓 R1 R w R 1Vbe Vc c? ?=5 100600 100? V= 大于 ，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管 ce 極間相當于短路，故 Vout 的輸出電壓接近于 0；所述的三極管為 9013 三極管，所述的電阻 R1 為 100 歐姆，電阻 R2 為 50 歐姆。 14 圖 三極管開關(guān)電路 15 第四章 各模塊簡介 MSP430G2553 MSP430 單片機 具有 超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。 MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 低功耗的特性適合可穿戴式裝備的發(fā)展需要。 MSP430 單片機的特點 MSP430 單片機具有超低功耗，強大的處理能力，高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點。 MSP430 的低功耗結(jié)構(gòu) MSP430 是一個特別強調(diào)低功耗的單片機系列，尤其適用于采用電池長時間供電的工作場合。 MSP430 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電流消耗等因素會影響 CPU 與外圍模塊對時鐘的需求，所以系統(tǒng)使用不同的時鐘信號： ACLK、 MCLK、 SMCLK。用戶通過程序可以選擇低頻或高頻，這樣可以根據(jù)實際需要來選擇適合的系統(tǒng)時鐘頻率，將這3 種不同頻率的時鐘輸出給不同的模塊，從而更加合理地利用系統(tǒng)的電源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗。這一點對于電池供電的系統(tǒng)來講至關(guān)重要。 MSP430 總共有 1 種活動模式和 5 種低功耗模式，如下： 工作模式 CPU 狀態(tài)、振蕩器及時鐘 活動模式（ AM） CPU 處于活動狀態(tài) MCLK 活動 SMCLK 活動 ACLK 活動 低功耗模式 0（ LPM0） CPU 處于禁止狀態(tài) MCLK 被禁止 SMCLK 活動 ACLK 活動 低功耗模式 1（ LPM1） CPU 處于禁止狀態(tài) 如果 DCO 為用作 MCLK 或 SMCLK，則支流發(fā)生器被禁止，否則仍保持活動 MCLK 被禁止 SMCLK 活動 ACLK 活動 低功耗模式 2（ LPM2） CPU 處于禁止狀態(tài) 如果 DCO 為用作 MCLK 或 SMCLK，自動被禁止 16 MCLK 被禁止 SMCLK 被禁止 ACLK 活動 低功耗模式 3（ LPM3） CPU 處于禁止狀態(tài) DCO 被禁止，支流發(fā)生器被禁止 MCLK 被禁止 SMCLK 被禁止 ACLK 活動 低功耗模式 4（ LPM4） CPU 處于禁止狀態(tài) MCLK 被禁止 SMCLK 被禁止 ACLK 被禁止 所有振蕩器停止工作 藍牙模塊 藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的 PCBA 板，用于短距離無線通訊 ， 由于藍牙模塊的 DSP 采用了雙 ALU 結(jié)構(gòu)，大部分指令可以并行運行，其工作頻率達150MHz，并且功耗更低。 藍牙模塊適合于短距離通訊，低功耗特性適合于穿戴式裝備。 NRF 模塊 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于 GHz～ GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01 功耗低，在以 6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA。接收時，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。 NRF24L01模塊簡介 （ 1）最高工作速率 2Mbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合 （ 2）空曠距離下內(nèi)置 PCB 天線，最遠無障礙在 240 米處還能收到信號。但是有遮擋的情況比較難以確定，若做遙控用，最好距離在 200 米左右。當然我們可以外置功率放大電路，來增大傳輸距離 （ 3）低功耗 工作，待機模式下狀態(tài)為 22uA；掉電模式下為 900nA 圖 為 NRF24L01 的應(yīng)用原理圖： 17 圖 NRF24L01 的應(yīng)用原理圖 NRF24L01的低功耗性能 這是 NRF24L01 的一大優(yōu)點，也是做電池供電必須得考慮到的，尤其是要求體積小低容量電池的產(chǎn)品中，平均耗電能力決定一個產(chǎn)品的成敗，在待機模式 I下平均電流是 1uA 左右。但是休眠后接收電路也停止工作，因此為了保證能正常工作還省電，一般采用 MCU 間歇喚醒模塊的方式，采用合理的間隔比，可以保證整機工作電流在 20uA 左右。 NRF24L01 的工作模式 來看一下我們 NRF24L01 的工作模式和不同工作模式下各引腳的功能。 NRF2