【正文】 時長，泳帽端的藍(lán)牙模塊就會發(fā)送報警信號到家長手機(jī)端，同時手機(jī)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(jī)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。發(fā)送信息到達(dá)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。 作品工作流程總圖如圖，智能安全泳帽工作步驟如下： 、判斷游泳者位于水下的時間，當(dāng)時間達(dá)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(lán)牙模塊4發(fā)送求救信號到手機(jī)客戶端7，手機(jī)收到信號后進(jìn)行手機(jī)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； ，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中央處理芯片三1GSM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。現(xiàn)可供選擇的無線通訊模塊有三種，分別是Wifi、NRF以及藍(lán)牙。WiFi模塊：WiFi模塊覆蓋半徑可達(dá)100米，傳輸數(shù)據(jù)速率也較藍(lán)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(lán)牙模塊更加適合于這個穿戴式裝備制作。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。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(dá)到100m的傳輸距離。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。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)。功耗低，續(xù)航時間長。 綜合考慮各模塊特點(diǎn)以及本作品要求水下工作，最終選擇藍(lán)牙模塊用于泳帽與手機(jī)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。 檢測溺水有兩種方法。 基于以上兩種檢測方法，現(xiàn)提出以下解決方案供選擇。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。靈敏度較高，符合計時需要。但經(jīng)試驗當(dāng)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(zhǔn)確。 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(dāng)水位傳感器未進(jìn)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=5V= ，使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，三極管c、e極間相當(dāng)于大電阻，Vout幾乎承受所有電壓，即輸出為高電平（）；當(dāng)水位傳感器進(jìn)入水下時，其等效電阻為600Ω以下，導(dǎo)致R1兩端的分壓=5V= ，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管ce極間相當(dāng)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。MSP430 電壓。 MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)MSP430單片機(jī)具有超低功耗，強(qiáng)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(diǎn)。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。這一點(diǎn)對于電池供電的系統(tǒng)來講至關(guān)重要。藍(lán)牙模塊適合于短距離通訊，低功耗特性適合于穿戴式裝備。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(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。接收時， 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。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。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(jī)工作電流在 20uA 左右。NRF24L01 可以設(shè)置為以下幾種主要的模式：引腳名稱方向發(fā)送模式接收模式待機(jī)模式掉電模式CE輸入高電平10us高電平低電平CSN輸入SPI片選使能，低電平使能SCK輸入SPI時鐘MOSI輸入SPI串行輸入MISO三態(tài)輸出SPI串行輸出IRQ輸出中斷，低電平使能NRF24L01 在不同模式下的引腳功能： 模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111發(fā)送模式101數(shù)據(jù)在 TX FIFO寄存器中發(fā)送模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式 II101TX FIFO為空待機(jī)模式 I10無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦娔Ｊ?NRF24L01整個工作流程都是基于SPI通信協(xié)議的。 SPI 接口是標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 接口，其最大的數(shù)據(jù)傳輸率為 10Mbps，大多數(shù)寄存器是可讀的。 CSN 為低后， SPI 接口等待執(zhí)行指令，每一條指令的執(zhí)行都必須通過一次 CSN 由高到低的變化。當(dāng) MCU 給中斷源寫‘1’時，中斷引腳被禁止。通過設(shè)置可屏蔽中斷位為高，則中斷響應(yīng)被禁止。 GSM模塊GSM是Global System for Mobile Communications的縮寫，意為全球移動通信系統(tǒng)是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一，GSM屬于第二代（2G）蜂窩移動通信技術(shù)，它是基于窄帶TDMA制式，80年代興起于歐洲，GSM通信方式的方便之處在于它提供了一個智能卡，即SIM卡，并且機(jī)卡可以分離，這樣用戶可以更換GSM通信終端而無需更換SIM卡ID。GSM網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，適合用于緊急情況時候保持穩(wěn)定。基于GSM模塊產(chǎn)品的開發(fā)往往都是基于ARM平臺，使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。 GSM模塊的使用在本系統(tǒng)中，我們使用名為TC35的GSM模塊來跟急救站來進(jìn)行短信通信，進(jìn)而發(fā)送控制信息和接收反饋信息，圖為TC35的電路原理圖 TC35的電路原理圖使用 AT命令實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信收發(fā)短信及相關(guān)操作 AT命令A(yù)T+CMGR讀短消息；AT+CMGS發(fā)送短消息；AT+CMGC發(fā)出一條短消息命令；AT+CMGF選擇短消息信息格式：0 PDU，1文本；AT+CMGW向 SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息；AT+CMNI顯示新收到的短消息；單片機(jī)端輸入以上指令，通過串口與GSM模塊通信，便能實(shí)現(xiàn)手機(jī)與模塊的短信收發(fā)。Android操作系統(tǒng)最初由Andy Rubin開發(fā)，最初主要支持手機(jī)。 2010年年底數(shù)據(jù)顯示，推出僅僅兩年的Android操作系統(tǒng)已經(jīng)超越稱霸近十年的諾基亞Symbian系統(tǒng)，躍居全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺。Android系統(tǒng)架構(gòu)采用了分層的架構(gòu)，從圖36可以看出，Android分為5個層，分別是：Linux Kernel、Libraries、Android Runtime、Application Framework、Applications[19]。利用android客戶端可根據(jù)智能泳帽使用者對水性的熟悉程度設(shè)置報警時間時長。連接上泳帽設(shè)置后，可進(jìn)行下面操作。按下查詢鍵，查詢當(dāng)前設(shè)置安全時間按下游泳小tips，看當(dāng)前溺水急救資料與游泳相關(guān)知識。當(dāng)發(fā)生危險狀況，客戶端彈出緊急提醒對話框，并伴有強(qiáng)烈震動與聲音報警，力求讓使用者一定要意識到報警狀態(tài)。 手機(jī)界面操作 如果一個進(jìn)程集合中的每個進(jìn)程都在等待只能由該進(jìn)程集合中的其他進(jìn)程才能引發(fā)的時間，那么該進(jìn)程集合就是死鎖的。我們設(shè)計的報警流程是這樣的：泳帽的NRF模塊向手環(huán)的NRF模塊發(fā)出數(shù)據(jù)包，當(dāng)手環(huán)接收到數(shù)據(jù)包時，LED燈亮，蜂鳴器響，同時向泳帽端返回一個數(shù)據(jù)包，如手環(huán)沒有接收到數(shù)據(jù)包，則泳帽端發(fā)送另一個數(shù)據(jù)包到緊急報警終端，終端收到后發(fā)出警報聲并發(fā)出信息到設(shè)定好的手機(jī)。這個問題困擾了我們很久，后來經(jīng)過查閱資料，了解了死鎖的概念以及發(fā)生條件，修改了程序，成功破壞了死鎖發(fā)生的占有和等待條件，成功消除了bug. 第五章 功能特點(diǎn)及產(chǎn)品推廣（1）作品具有極強(qiáng)的針對性，適合于小孩或者游泳初學(xué)者。（3）泳帽電路通過NRF模塊向救生員手上手環(huán)NRF模塊發(fā)出求救信號，救生員手上NRF會返回一個信號反饋泳帽。（5）設(shè)置緊急報警終端，當(dāng)救生員手上手環(huán)接收不到求救信號時，泳帽沒有收到反饋信號時候，馬上發(fā)給固定在游泳地方附近的緊急報警終端，終端接收到信號之后馬上通過GSM模塊發(fā)出信息到報警處。本作品有極強(qiáng)的市場推廣性，一方面可以面向兒童和游泳初學(xué)者，面向人群人數(shù)較多而且市場廣闊，尤其是其實(shí)用性很強(qiáng)，所以推廣也較為方便而且快速；另一方面可以向游泳池供應(yīng)商推廣，游泳池的安全性對游泳池游泳人群的吸引程度很大，所以游泳池的所有者在開游泳產(chǎn)所時可大量購買本安全產(chǎn)品，以提高顧客數(shù)量。并且有以下特性： （1）實(shí)用創(chuàng)新性：我們的創(chuàng)意本著保障夏天孩子游泳安全，做出該作品，已經(jīng)對該作品申請專利保護(hù)。經(jīng)過多次試驗，產(chǎn)品能檢測到溺水狀態(tài)成功率近乎百分之一百。事故保障率高達(dá)近乎百分之一百。25元的成本適用于廣大人民群眾。 （4）節(jié)能低功耗性：作為可穿戴式裝備，節(jié)能低功耗是最必須具有的特性。經(jīng)檢測與計算，按照事故概率計算耗電期望，可算出設(shè)備能持續(xù)工作25天。第六章 測試結(jié)果6．1測試裝備數(shù)字萬用表1臺穩(wěn)壓直流電源1臺智能手機(jī)1臺1瓶 藍(lán)牙模塊供電電壓及工作電流，NRF模塊供電電壓及工作電流，單片機(jī)供電電壓及工作電流，高亮燈工作電流及工作電壓、鋰電池儲存電能。用塑料袋套住整塊ＮＲＦ或是藍(lán)牙以及開發(fā)板置于水中，結(jié)果通訊正常。到達(dá)設(shè)置時間前拿起泳帽，游泳池救生員手環(huán)沒有收到報警信號，緊急報警終端沒有收到信號，手機(jī)androidAPP沒有收到報警信號。測試三：在NRF和藍(lán)牙連接范圍外，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)不拿起泳帽，救生員手環(huán)沒有報警，手機(jī)沒有報警，緊急終端報警發(fā)出警報，GSM預(yù)設(shè)報警電話號碼收到有人溺水信息。測試四：重新開啟泳帽開關(guān)，按下手動報警按鍵，兩種報警方式正常工作。測試六：用手機(jī)app設(shè)置不同時間，按查詢鍵成功查詢到所設(shè)置的時間，將泳帽放入水中，報警時間與預(yù)設(shè)時間相同。 功耗檢測計算本作品采用4V的鋰電池供電，其電流輸出為600mAh，所以一次能儲存的電能約為：報警時，單片機(jī)處于活動狀態(tài)，測得其活動模式耗電為160uA，則單片機(jī)在報警時消耗的功率約為：，藍(lán)牙模塊工作是電流為12mA，故報警時各個模塊總消耗的功率約為：待機(jī)模式下，單片機(jī)處于低功耗模式，CPU停止工作，外圍模塊同時處于低功耗模式，單片機(jī)待機(jī)電流1uA,，高亮燈處于關(guān)閉狀態(tài)，無電能損耗，綜上，系統(tǒng)處于平時的待機(jī)狀態(tài)所消耗的功率約為：如按事故發(fā)生概率1%計算，大部分時間泳帽處于低功耗的待機(jī)模式，只有少部分時間會消耗大部分電能，綜上可算出每次充電電池所能提供系統(tǒng)正常工作的時間約為：≈31天(低功耗模式下)從以上計算可知，一次充電可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在31天內(nèi)能正常工作，一次充電后工作的時間超長，既方便使用者使用，也實(shí)現(xiàn)了電能的節(jié)省。于是我們針對弱勢群體希望可以做出利用低成本產(chǎn)生針對性強(qiáng)實(shí)用性