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多种通讯方式实现可靠报警的智能安全泳帽Avarietyofmunicationmethodstoachievereliablealarmintelligentsecurityswimmingcaps编号：GD14-2806摘要随着科学技术的不断发展,穿戴式智能设备已经走进了人们的生活。但目前的穿戴式设备鱼龙混杂,不具有针对性,没有针对特殊人群进行推广,且大部分价格昂贵、实用性不高,造成可穿戴式产品推广很难。故本产品的最初设想是要面向某一人群,而一般是面向弱势群体,再从产品的高实用性和高推广性出发,于是最终形成了面向儿童等不擅长游泳人群的智能安全泳帽。本作品采用TI公司的MSP430G2553作为主控芯片,利用水位模块蓝牙模块、NRF模块以及GSM模块与手机界面连接,构建一个可穿戴的智能安全泳帽,应用于儿童及不擅长游泳者的游泳安全检测,有比较好的发展前景。关键词：可穿戴设备无线通讯游泳安全人机交互AbstractWiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,wearableintelligentdevicehasenteredpeople'slife.Goodandevilpeoplemixedupbutthewearabledevices,nottargeted,notforthespecialgroups,andmostexpensive,practicalityisnothigh,causethewearableproductpromotionisdifficult.Theoriginalthoughtofthisproductistofaceacrowd,andgenerallyisgearedtotheneedsofvulnerablegroups,andstartingfromtheproductofhighpracticabilityandpopularization,andfinallyformedforchildrenisnotgoodatswimmingtheintelligentsecuritycapsofthecrowd.ThisworkadoptsMSP430G2553asmaincontrolchipofTIpany,usingthe51/51
1waterlevelmoduleofbluetoothmodule,theNRFmoduleandGSMmoduleandmobilephoneinterfaceconnection,buildawearableintelligentsecuritycaps,appliedtochildrenandarenotgoodatswimmingswimmingsafetyinspection,therearegoodprospectsfordevelopment.Keywords:wearableequipmentwirelessswimmingsafetyhuman-puterinteraction目录摘要1原创性声明4原创性声明4作品创新点4第一章绪论551.2可行性分析551.2.2溺水事件现况51.2.3如何预防公共游泳池淹溺51.2.4可行性分析6第二章作品总体设计2.1主要架构779第三章方案选择12121212133.3其他电路设计13第四章各模块简介1551/51
24.1MSP430G2553154MSP430单片机的特点154MSP430的低功耗结构15154.3NRF模块16.1NRF24L01模块简介16.2NRF24L01的低功耗性能17.3NRF24L01的工作性能174.4GSM模块184.4.1GSM模块的使用184.5Android开发19.1Android系统介绍19.2Android系统设计204.6通信死锁的解决20202020第五章功能特点及产品推广222222第六章测试结果232323236.4功耗检测计算23结束语25附录一：元件清单26附录二：程序代码26附录三：电路图35附录四：操作说明3651/51
3附录五：外观设计37参考文献38原创性声明本人郑重声明：所呈交的参赛作品及作品报告,是本人和队友独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果,不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利,且已经独自申请发明专利。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作品创新点：1、水位检测模块:设置在游泳所戴泳帽上的水位传感器检测、创新地改造了现有的水位检测模块,无需使用A/D转换,利用水位模块的电阻特性创造性地使用了三极管的开关特性,极大地提高了检测的灵敏度；判断游泳者位于水下的时间,当时间达到设定的阈值,三极管开关电路连续发出低电平信号到中央处理芯片MSP430；2、低功耗模式：穿戴式首要条件是能耗低,采用MSP430低功耗编程模式和NRF的超低功耗工作模式。让系统在一般情况下处于低功耗模式3的待机状态,这样可以节省电量,可持续工作超长时间,发生溺水事件时中断唤醒单片机,才产生各种动作。3、多种可靠报警方式：利用算法解决通信死锁问题,把报警方式拓展为先从最近设备开始报警,逐级递增,与最高级报警设备获取握手之后,继续请求与低级设备握手。51/51
4多重通讯方式实现可靠报警的智能安全泳帽是通过蓝牙通讯接通手机客户端、NRF射频通讯接通救生员智能手环、GSM网络通讯接通急救站的多重通讯方式实现信号传输的可靠报警。1、采用蓝牙作为智能机与设备连接中介：本发明的智能安全泳帽采取蓝牙模块作为调整溺水时间阈值长短的传输载体,蓝牙传输距离可达20米。在智能手机方面对蓝牙开发不耗费信息传输费用,传输数据稳定可靠,块处于低功耗运行方式,可以节省用电量,符合现今穿戴式装备低功耗的要求。2、救生手环：当发生危险情况给予救生员最为直观的报警。遇到危险情况,手环会强烈震动,发出灯光闪烁,并伴有蜂鸣器报警。3、高亮LED灯：泳帽自身也会发出报警,高亮LED灯可以让附近的人及时发现溺水者所在位置,及时提供救援。4、GSM网络：采取全球网络通讯中最稳定的GSM网络,能实现稳定的大范围通讯,可确保求救信息可以稳定准确地发送到急救中心。5、自动识别游泳池编号：游泳池边部署感应器,当游泳池中有人溺水,感应器识别到后可迅速反馈到游泳池控制中心所出游泳池编号,并把所处游泳池编号连同报警信息一起发出,可让急救人员迅速知道。6、低成本高性能：本作品除去系统端,每套泳帽和手环价格仅为25元,成本低,运行稳定,实用性强,便于推广。第一章绪论"穿戴式智能设备"是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称,如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等。随着计算机标准化软硬件以及互联网技术的高速发展,可穿戴式智能设备的形态开始变得多样化,逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力。51/51
5可穿戴式设备应当具备最重要的两个特点：一是可长期穿戴,二是智能化。可穿戴式设备必须是延续性地穿戴在人体上,并能够带来增强用户体验的效果。这种设备需要有先进的电路系统,无线联网并且起码具有一个低水平的独立处理能力。穿戴式智能设备时代的来临意味着人的智能化延伸,通过这些设备,人可以更好的感知外部与自身的信息,能够在计算机、网络甚至其它人的辅助下更为高效率的处理信息,能够实现更为无缝的交流。基于以上对于"可穿戴式设备"的理解,我们的作品——多种通讯方式实现可靠报警的智能安全泳帽,应运而生。1.2可行性分析淹溺又称溺水,是人淹没于水或其他液体介质中并受到伤害的状况。,水充满呼吸道和肺泡引起缺氧窒息；吸收到血液循环的水引起血液渗透压改变、电解质紊乱和组织损害；最后造成呼吸停止和心脏停搏而死亡。淹溺的后果可以分为非病态、病态和死亡,其过程是连续的。淹溺发生后患者未丧失生命者称为近乎淹溺。淹溺后窒息合并心脏停搏者称为溺死,如心脏未停搏则称近乎溺死。我国的溺水身亡事故频发,已成为学生非正常死亡的头号杀手,中小学生平均每天有40多人溺水而亡。儿童安全数据显示每年近3万儿童死于溺水,暑假正成为儿童意外死亡的高发期,中国平均每年有近3万名儿童死于溺水,每年有5万多名儿童、平均每天有近150名0~14岁的儿童因意外死亡而失去生命,其中溺水身亡儿童占60℅之多。仅20##度,全国溺水死亡总人数大约11.7万人。1.2.3如何预防公共游泳池淹溺公共游泳场所包括公共游泳池、公共游泳海滩等,从概率上讲,这些地方的游泳者最多,故发生淹溺的可能性就相对较大,故应特别提高警惕。必须认真贯彻有关游泳场所的规定。按照《全国游泳场所开业技术标准》和《国家游泳场所星级评比标准》等条例对公共游泳场所实施建设和管理。其主要内容有：〔1〕加强硬件设施建设和完善51/51
6硬件设施主要包括观察设备和救生设备,前者有海滩的瞭塔,游泳池的瞭望台〔梯〕、望远镜等,这些设施是救生员观察游泳者情况的重要保证,使救生员能够及时发现异常情况,以便及时实施救援。因此各个游泳场所必须建立有效的观测设施。此外游泳场所要有充足的救生设备,包括各种救生漂浮物如救生圈、漂浮板等,这些设备在淹溺救援中能够发挥巨大的作用。〔2〕加强救生人员的培养、管理和使用 是否有专职救生人员和救生人员的专业素质直接关系到公共游泳场所淹溺者的生命,故游泳场所必须加强对这些人员的培养、管理和使用。首先必须有一只专职救生人员队伍,每个救生员必须有资质并受过专业培训且考试合格,其能力表现在两方面：第一是观察能力,救生员必须能够及时发现游泳者的异常行为,从这些蛛丝马迹中迅速得出是否发生淹溺的正确判断,并在第一时间施以援手,救援时间越早,淹溺者的生命就越能得到保障。第二是救援能力,救生衣必须有娴熟的救援技术,发现淹溺者后,救生员必须有能力使其尽快脱离危险,而不是救而无效。特别是救生员能必须熟练掌握心肺复苏技术,以便在关键时刻能够拯救患者的生命。1.2.4可行性分析在公共场所游泳池,往往由于硬件设施的欠缺或者救生人员的疏忽,许多儿童发生了不该发生的悲剧,有些甚至丢失了宝贵的生命。因此,急需一种设备,一种可以下水的穿戴式设备,在溺水儿童,家长以及救生人员甚至医院之间建立起一个无线通讯网络,以避免悲剧的发生。于是,开发出一种防溺水的智能安全泳帽是极具可行性的。51/51
7第一章作品总体设计2.1主要架构1、主控芯片：本作品使用TI公司的MSP430G2553作为主控芯片,具有处理能力强,运算速度快,超低功耗等特点,符合可穿戴式设备的要求。2、NRF24L01无线收发通讯模块本作品使用三个NRF模块,用于智能泳帽和救生员手环与智能报警终端之间的通信。3、蓝牙模块泳帽端的蓝牙模块用于与家长手机进行通讯。4、GSM模块用于智能报警终端的报警功能。5、水位检测模块用于检测溺水情况51/51
8图2.1整体工作图多级报警方式介绍：〔1〕当发生溺水状况时候,单片机识别到溺水信号,蓝牙模块会发出求救信号,成功与泳帽配对的手机接收到蓝牙信号之后,手机app弹出警告图案并伴随着震动和警报声想起,为最低级别的报警方式。〔2〕泳帽向蓝牙手机报警的同时,通过泳帽内的NRF模块利用射频信号把求救信号发到救生员的智能手环上,救生员手环上的NRF模块成功配对之后接收到信号之后,手环发出声光报警信号,提醒救生员有人发生了溺水事件,此为二级报警模式。〔3〕当泳帽上的NRF模块向救生员手环发出信号后,若救生员手环成功接收,会通过射频返回一个反馈信号,泳帽会一直与手环保持通讯,不会执行更高级别的报警方案。51/51
9〔4〕当泳帽向手环发出求救信号15秒内没有收到反馈信号,执行高级别报警方案。此时,泳帽会再次启用NRF模块,利用射频信号报报警信号发给放置于游泳池内固定的终端,终端发出警报声,提醒附近工作人员注意,同时终端会通过GSM模块把求救信息发到附近急救站。所发出的求救信息包括该游泳池的具体地址,具体位于哪个小游泳池。〔5〕成功发出报警信号,手环会再次切换,继续向救生员手环发出求救信号,把报警信号发到手环上。同时每个游泳池都会设置一个接收端,当在不同游泳池溺水时,不同的接收端会发出警报灯信号,提醒救援人员溺水者具体位置。〔6〕该系统由救生员手环,家长手机客户端以及紧急报警终端四大模块组成,各模块有各自的功能。智能泳帽端由主控芯片MSP430g2553,水位传感器模块,NRF模块以及蓝牙模块构成。设备使用过程：儿童戴上智能泳帽下水后,如传感器完全浸没在水中,传感器的电阻变低,从而通过三极管开关电路使三极管开关状态反转,这次将有一个低电平输入到主控芯片,主控芯片便会开始计时,当超过家长手机端设置的时长,泳帽端的蓝牙模块就会发送报警信号到家长手机端,同时手机震动,于此同时,泳帽端的NRF模块发送信号到救生员的手环,发出声报警信号,以让救生员及时发现溺水儿童；家长手机端安装有自主编写的安卓界面,用于接受报警信息；救生员手环则由主控芯片,NRF模块以及蜂鸣器组成,接受报警信号同时发出声报警信号。智能手环监测到,蓝牙不在连接状态或者救生员手上感应手环收不到求救信号时候,把信息马上发到放置在游泳池或者沙滩的紧急求救终端,终端接收到信息之后马上通过GSM模块把求救信息〔包括游泳池的具体地址〕发送到急救站处。发送信息到达终端后继续向手环发送求救信号,努力与手环握手取得联系。这样既能防止信息的浪费,而且可以实现可靠的报警。图2.2作品工作流程总图如图,智能安全泳帽工作步骤如下：S1.设置在游泳所戴泳帽上的水位传感器1检测、判断游泳者位于水下的时间,当时间达到设定的阈值,三极管开关电路2连续发出低电平信号到中央处理芯片一3；或者手动紧急报警按键17按下,产生低电平到对应IO口；51/51
10S2.收到低电平信号后,中央处理芯片一3启动报警方式一：中央处理芯片一3控制泳帽上的蓝牙模块4发送求救信号到手机客户端7,手机收到信号后进行手机震动提醒；同时中央处理芯片一启动报警方式二：中央处理芯片一3控制泳帽上的射频模块一5发送求救信号至智能手环,智能手环发出警报提醒智能手环穿戴者有人溺水；所述的智能手环包含中央处理芯片二8、LED报警灯二9、蜂鸣器10、振动器11,中央处理芯片二8收到求救信号后,控制LED报警灯二9、蜂鸣器10、振动器工作11；与此同时,中央处理芯片一3控制泳帽上的LED报警灯一6闪烁；S3.若泳帽上的射频模块一5与智能手环连接失败,即报警方式二失效时,中央处理芯片一3立即启动报警方式三：中央处理芯片一3控制泳帽上的射频模块一5发送求救信息到紧急报警终端；所述的紧急报警终端包括依次相连的射频模块二12、中央处理芯片三13、GSM模块14,射频模块二12与射频模块一5连接后,将射频模块一5发出的求救信息传输给中央处理芯片三13,中央处理芯片三13控制GSM模块14发出求救短信到急救站；此外,泳帽上还设有手动报警按键,让溺水人员及时自救,按下手动报警按键时,报警方式同以上所述报警方式一、二、三。所述的中央处理芯片一、二、三均为MSP430G2553单片机,所述的射频模块一、二均为NRF24L01射频模块；51/51
11图2.3作品结构图图2.4作品程序流程图51/51
12第三章方案选择智能泳帽需要与手机端、救生员手环以及紧急报警终端进行通讯,故通讯模块的选择是本作品的核心内容。现可供选择的无线通讯模块有三种,分别是Wifi、NRF以及蓝牙。下面将从本作品出发,分析以上三种无线通讯方式以及最终方案选择。Wi-Fi模块：Wi-Fi模块覆盖半径可达100米,传输数据速率也较蓝牙模块和模块NRF迅速,虽然传输数据安全性稳定性较差,但从距离来说比蓝牙模块更加适合于这个穿戴式装备制作。本次作品主题是可穿戴式设备,故设备除了要低功耗意外,还要有一个明显的特点,那就是体积小。但是Wi-Fi模块供电成为一个大问题,Wi-Fi模块供电比较困难,耗电大,而且体积较大,不适合用于集成度较高的穿戴式装备中。蓝牙模块：蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准,它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm～10m,如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接,具有很强的移植性,并且适用于多种场合,加上该技术功耗低、对人体危害小,而且应用简单、容易实现,所以易于推广。NRF模块：51/51
13NRF通讯距离为理论为200米,适合我们所需的通讯要求。NRF2401是单片射频收发芯片,芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使NRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合,如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。功耗低,续航时间长。同时可利用NRF的传输功率可变来实现距离检测,可检测溺水者所在的游泳池。综合考虑各模块特点以及本作品要求水下工作,最终选择蓝牙模块用于泳帽与手机端的通讯,而NRF24L01用于泳帽与紧急报警终端以及救生员手环的通讯。紧急报警终端的作用是当家长手机无法接到蓝牙信息时,终端将会发送报警信号到手机,故选择GSM模块。检测溺水有两种方法。一、检测泳帽所处的水深,超过一定深度一定时间后即认为是溺水；二、检测泳帽即头部处在水中的时间,超过设定时间即认为是溺水。基于以上两种检测方法,现提出以下解决方案供选择。压力传感器：利用水下压力随水深度的增大而增大的原理,使用压力传感器测出当前压力并用公式F=ρ*g*h,即可算出当前所处深度。水位检测模块：由于压力传感器比较难操控,且置于水中时输出不稳定,故最终选择水位检测模块。水位传感器模块在水中输出低电平,在空气中输出高电平。灵敏度较高,符合计时需要。温湿度传感器：51/51
14用水里温度比较空气低,湿度比空气大来实现检测是否在水中。但经试验当温湿度传感器落入水中后,出水后占有水分,无法正确显示空气中的温湿度,所以造成检测部不准确。空气检测传感器：通过水中是否有空气来检测时候在水下,但由于空气传感器比较昂贵而且技术上的不成熟,用起来仍比较有难度。3.3其他电路设计三极管开关电路工作过程：水位传感器在水上的等效电阻Rw为5KΩ—10KΩ,而在水下的的等效电阻在600Ω以下；当水位传感器未进入水中时,电阻R1两端的分压〔即三极管b、e极两端的电压〕大小为=5×V=0.0196V,这个电压值小于三极管的导通电压0.7V,使三极管处于截止状态,三极管c、e极间相当于大电阻,Vout几乎承受所有电压,即输出为高电平〔约为4.7V〕；当水位传感器进入水下时,其等效电阻为600Ω以下,导致R1两端的分压=5×V=0.714V大于0.7V,三极管处于导通状态,三极管ce极间相当于短路,故Vout的输出电压接近于0；所述的三极管为9013三极管,所述的电阻R1为100欧姆,电阻R2为50欧姆。图3.1三极管开关电路51/51
15第四章各模块简介4.1MSP430G255351/51
16MSP430单片机具有低功耗的特性适合可穿戴式装备的发展需要。4.1.1MSP430单片机的特点MSP430单片机具有超低功耗,强大的处理能力,高性能模拟技术及丰富的片上外围模块,系统工作稳定,方便高效的开发环境等特点。4.1.2MSP430的低功耗结构MSP430是一个特别强调低功耗的单片机系列,尤其适用于采用电池长时间供电的工作场合。MSP430应用系统结构和电流消耗等因素会影响CPU与外围模块对时钟的需求,所以系统使用不同的时钟信号：ACLK、MCLK、SMCLK。用户通过程序可以选择低频或高频,这样可以根据实际需要来选择适合的系统时钟频率,将这3种不同频率的时钟输出给不同的模块,从而更加合理地利用系统的电源,实现整个系统的低功耗。这一点对于电池供电的系统来讲至关重要。MSP430总共有1种活动模式和5种低功耗模式,如下：工作模式CPU状态、振荡器及时钟活动模式〔AM〕CPU处于活动状态MCLK活动SMCLK活动ACLK活动低功耗模式0〔LPM0〕CPU处于禁止状态MCLK被禁止SMCLK活动ACLK活动低功耗模式1〔LPM1〕CPU处于禁止状态如果DCO为用作MCLK或SMCLK,则支流发生器被禁止,否则仍保持活动51/51
17MCLK被禁止SMCLK活动ACLK活动低功耗模式2〔LPM2〕CPU处于禁止状态如果DCO为用作MCLK或SMCLK,自动被禁止MCLK被禁止SMCLK被禁止ACLK活动低功耗模式3〔LPM3〕CPU处于禁止状态DCO被禁止,支流发生器被禁止MCLK被禁止SMCLK被禁止ACLK活动低功耗模式4〔LPM4〕CPU处于禁止状态MCLK被禁止SMCLK被禁止ACLK被禁止所有振荡器停止工作4.2蓝牙模块蓝牙模块,是一种集成蓝牙功能的PCBA板,用于短距离无线通讯,由于蓝牙模块的DSP采用了双ALU结构,大部分指令可以并行运行,其工作频率达150MHz,并且功耗更低。蓝牙模块适合于短距离通讯,低功耗特性适合于穿戴式装备。51/51
184.3NRF模块NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式〔掉电模式和空闲模式〕使节能设计更方便。4.3.1NRF24L01模块简介〔1〕最高工作速率2Mbps,高效GFSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合〔2〕空旷距离下内置PCB天线,最远无障碍在240米处还能收到信号。但是有遮挡的情况比较难以确定,若做遥控用,最好距离在200米左右。当然我们可以外置功率放大电路,来增大传输距离〔3〕低功耗1.9-3.6V工作,待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA图4.1为NRF24L01的应用原理图：图4.1NRF24L01的应用原理图4.3.2NRF24L01的低功耗性能这是NRF24L01的一大优点,也是做电池供电必须得考虑到的,51/51
19尤其是要求体积小低容量电池的产品中,平均耗电能力决定一个产品的成败,在待机模式I下平均电流是1uA左右。但是休眠后接收电路也停止工作,因此为了保证能正常工作还省电,一般采用MCU间歇唤醒模块的方式,采用合理的间隔比,可以保证整机工作电流在20uA左右。4.3.3NRF24L01的工作模式来看一下我们NRF24L01的工作模式和不同工作模式下各引脚的功能。NRF24L01可以设置为以下几种主要的模式：引脚名称方向发送模式接收模式待机模式掉电模式CE输入高电平>10us高电平低电平-CSN输入SPI片选使能,低电平使能SCK输入SPI时钟MOSI输入SPI串行输入MISO三态输出SPI串行输出IRQ输出中断,低电平使能NRF24L01在不同模式下的引脚功能：模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发送模式101数据在TXFIFO寄存器中发送模式101→0停留在发送模式,直至数据发送完待机模式II101TXFIFO为空待机模式I1-0无数据传输掉电模式0---NRF24L01整个工作流程都是基于SPI通信协议的。NRF24L01所有配置都在配置寄存器中,所有寄存器都是通过SPI接口进行配置的。SPI接口是标准的SPI接口,其最大的数据传输率为10Mbps,大多数寄存器是可读的。SPI指令设置：SPI接口可能用到的指令在下面有所说明。CSN为低后,SPI接口等待执行指令,每一条指令的执行都必须通过一次CSN由高到低的变化。51/51
20中断：NRF24L01的中断引脚〔IRQ〕为低电平触发,当状态寄存器中TX_DS、RX_DR或MAX_RT为高时触发中断。当MCU给中断源写‘1’时,中断引脚被禁止。可屏蔽中断可以被IRQ中断屏蔽。通过设置可屏蔽中断位为高,则中断响应被禁止。默认状态下所有的中断源是被禁止的。4.4GSM模块GSM是GlobalSystemforMobilemunications的缩写,意为全球移动通信系统是世界上主要的蜂窝系统之一,GSM属于第二代〔2G〕蜂窝移动通信技术,它是基于窄带TDMA制式,80年代兴起于欧洲,GSM通信方式的方便之处在于它提供了一个智能卡,即SIM卡,并且机卡可以分离,这样用户可以更换GSM通信终端而无需更换SIM卡ID。GSM通信方式还允许用户发送和接收每条不超过160字长度的短信息,这就促成了GSM通信网络与监控装置的实际应用向结合。GSM网络稳定,适合用于紧急情况时候保持稳定。开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信,使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能,例如：发送短信,拨打,GPRS拨号上网等。基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台,使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有"开放内置平台"功能,可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。4.4.1GSM模块的使用在本系统中,我们使用名为TC35的GSM模块来跟急救站来进行短信通信,进而发送控制信息和接收反馈信息,图为TC35的电路原理图51/51
21图4.2TC35的电路原理图使用AT命令实现收发短信收发短信及相关操作AT命令AT+CMGR读短消息；AT+CMGS发送短消息；AT+CMGC发出一条短消息命令；AT+CMGF选择短消息信息格式：0PDU,1文本；AT+CMGW向SIM内存中写入待发的短消息；AT+CMNI显示新收到的短消息；单片机端输入以上指令,通过串口与GSM模块通信,便能实现手机与模块的短信收发。4.5Android开发4.5.1Android系统介绍Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统,51/51
22主要使用于手机或平板电脑等便携设备。Android操作系统最初由AndyRubin开发,最初主要支持手机。20##由Google收购注资,并与多家制造商组成开放手机联盟开发改良,逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。20##年底数据显示,推出仅仅两年的Android操作系统已经超越称霸近十年的诺基亚Symbian系统,跃居全球最受欢迎的智能手机平台。Android操作系统最大的特色就是开放,不存在任何专有权的限制,可以搜索到众多开源代码,是一个实用操作性强的平台。Android系统架构采用了分层的架构,从图3-6可以看出,Android分为5个层,分别是：LinuxKernel、Libraries、AndroidRuntime、ApplicationFramework、Applications[19]。图Android系统架构图4.5.2Android系统设计android智能手机APP开发使用简单,成本较低,用作穿戴式装备的客户端控制是十分适合的选择。利用android客户端可根据智能泳帽使用者对水性的熟悉程度设置报警时间时长。Android智能泳帽客户端按下menu键,选择泳帽设备,通过蓝牙装置与泳帽上蓝牙模块匹配连接上。连接上泳帽设置后,可进行下面操作。按下按键1、2、3分别设置三种时间模式,设置泳帽在水中的安全时间。按下查询键,查询当前设置安全时间按下游泳小tips,看当前溺水急救资料与游泳相关知识。泳帽设置好时间后把时间保存在内存中实现掉电保存。当发生危险状况,客户端弹出紧急提醒对话框,并伴有强烈震动与声音报警,力求让使用者一定要意识到报警状态。按下确定后,解除报警状态,震动与声音取消。51/51
23图4.4手机界面操作4.6通信死锁的解决如果一个进程集合中的每个进程都在等待只能由该进程集合中的其他进程才能引发的时间,则该进程集合就是死锁的。51/51
24通信死锁是指发生在通信系统中的一种死锁,一种普遍的情形是A向B发送请求信息,然后阻塞直至B回复,假设请求消息丢失,A将阻塞以等待回复,而B会阻塞等待一个向其发送命令的请求,因此发生通信死锁。我们设计的报警流程是这样的：泳帽的NRF模块向手环的NRF模块发出数据包,当手环接收到数据包时,LED灯亮,蜂鸣器响,同时向泳帽端返回一个数据包,如手环没有接收到数据包,则泳帽端发送另一个数据包到紧急报警终端,终端收到后发出警报声并发出信息到设定好的手机。而在调试过程中,我们发现,程序运行过程会出现一种很奇怪的现象：泳帽向手环发出求救数据包后,手环并没有进入报警状态,而紧急报警终端也没有作出应有的反应,而且程序无法继续运行,需重新复位。这个问题困扰了我们很久,后来经过查阅资料,了解了死锁的概念以及发生条件,修改了程序,成功破坏了死锁发生的占有和等待条件,成功消除了bug.第五章功能特点及产品推广〔1〕作品具有极强的针对性,适合于小孩或者游泳初学者。〔2〕当水位传感器,在预设定时间内还处于水中,达到溺水条件,泳帽自身发出报警信号方便其他人确定位置,马上执行救援。〔3〕泳帽电路通过NRF模块向救生员手上手环NRF模块发出求救信号,救生员手上NRF会返回一个信号反馈泳帽。〔4〕泳帽向手环报警同时也会通过蓝牙模块向手机android客户端发送信号,手机android识别到是求救信号之后,手机弹出警告窗口,51/51
25并伴随震动提醒手机使用者。〔5〕设置紧急报警终端,当救生员手上手环接收不到求救信号时,泳帽没有收到反馈信号时候,马上发给固定在游泳地方附近的紧急报警终端,终端接收到信号之后马上通过GSM模块发出信息到报警处。彻底保证泳帽使用者的安全。本作品有极强的市场推广性,一方面可以面向儿童和游泳初学者,面向人群人数较多而且市场广阔,尤其是其实用性很强,所以推广也较为方便而且快速；另一方面可以向游泳池供应商推广,游泳池的安全性对游泳池游泳人群的吸引程度很大,所以游泳池的所有者在开游泳产所时可大量购买本安全产品,以提高顾客数量。同时,本作品也可以把家长作为消费人群,因为产品也可以推广成为独立性较强的安全产品。并且有以下特性：〔1〕实用创新性：我们的创意本着保障夏天孩子游泳安全,做出该作品,已经对该作品申请专利保护。〔2〕安全可靠性：保护人身安全是该产品最重要的也是唯一的目标。经过多次试验,产品能检测到溺水状态成功率近乎百分之一百。而且采用多种通讯方式实现报警,确保求救信息可以成功发送到附近急救设备和急救人员上。事故保障率高达近乎百分之一百。〔3〕客观经济性：整套设备采取成本较低但是可靠的通讯模块。25元的成本适用于广大人民群众。可达到以低价保障安全的目的。〔4〕节能低功耗性：作为可穿戴式装备,节能低功耗是最必须具有的特性。模块选择与芯片编程,我们都把节能与成本放在首位,低功耗模式使其成为名符其实穿戴式装备。经检测与计算,按照事故概率计算耗电期望,可算出设备能持续工作25天。〔5〕穿戴舒适：设备电路微型化生产,质量低,把电路安装在泳帽上,不会产生不适感,不会影响对游泳者游泳整体感觉。51/51
26第六章测试结果6．1测试装备数字万用表1台 稳压直流电源 1台 智能手机 1台报警端手机 1台 水 1瓶蓝牙模块供电电压及工作电流,NRF模块供电电压及工作电流,单片机供电电压及工作电流,高亮灯工作电流及工作电压、锂电池储存电能。分别把NRF模块,蓝牙模块单独测试工作电压,测得NRF工作电压为V,蓝牙模块工作电压V,高亮灯工作电压为3.99V,电池输出电压4V；单片机活动模式电流为160uA,；C。用塑料袋套住整块ＮＲＦ或是蓝牙以及开发板置于水中,结果通讯正常。测试一：电路组合起来直接设置在泳帽上,把泳帽放入水中。到达设置时间前拿起泳帽,游泳池救生员手环没有收到报警信号,紧急报警终端没有收到信号,手机androidAPP没有收到报警信号。测试二,在蓝牙和NRF连接范围内和在预设时间内不拿起泳帽,泳帽自身发出灯光报警信号,救生员手环收到报警信号,发出声音和灯光报警,振动器震动提醒救生员,手机android震动并弹窗显示报警信号。测试三：在NRF和蓝牙连接范围外,在预设时间内不拿起泳帽,救生员手环没有报警,手机没有报警,紧急终端报警发出警报,GSM预设报警收到有人溺水信息。当把手环再次放在NRF连接范围内,手环再次收到求救信号并发出报警信息。测试四：重新开启泳帽开关,按下手动报警按键,两种报警方式正常工作。51/51
27测试五：在不同的游泳池放下泳帽,短信提醒溺水者位于哪个游泳池,同时对应的接收端的信号灯亮。测试六：用手机app设置不同时间,按查询键成功查询到所设置的时间,将泳帽放入水中,报警时间与预设时间相同。测试七：设置好时间后关闭电源,重启电源,将泳帽放入水中,报警时间仍然与上次关闭电源时的所设时间一致,实现了掉电保护重要数据。6.4功耗检测计算本作品采用4V的锂电池供电,其电流输出为600mAh,所以一次能储存的电能约为：报警时,单片机处于活动状态,测得其活动模式耗电为160uA,则单片机在报警时消耗的功率约为：NRF工作时的电流为10.5mA,蓝牙模块工作是电流为12mA,高亮灯的工作电流为52.6mA,故报警时各个模块总消耗的功率约为：待机模式下,单片机处于低功耗模式,CPU停止工作,外围模块同时处于低功耗模式,单片机待机电流<1uA,蓝牙及NRF模块待机时电流约为20.5uA,高亮灯处于关闭状态,无电能损耗,综上,系统处于平时的待机状态所消耗的功率约为：如按事故发生概率1%计算,大部分时间泳帽处于低功耗的待机模式,只有少部分时间会消耗大部分电能,综上可算出每次充电电池所能提供系统正常工作的时间约为：≈31天<低功耗模式下>51/51
28从以上计算可知,一次充电可实现系统在31天内能正常工作,一次充电后工作的时间超长,既方便使用者使用,也实现了电能的节省。结束语本次比赛一开始打算做类似于谷歌眼镜和苹果iwatch类似产品,但是这类产品在市场方面已经比较成熟,而且创新性不高,技术上比不过别人,成本也比较高,在这方面已经没有继续的必要,而且会与其他队伍作品类似,51/51
29突出不了我们创新性。于是我们针对弱势群体希望可以做出利用低成本产生针对性强实用性强的产品。从新闻媒体得知,每一年在游泳池沙滩或者自家游泳池发生的溺水事故在我国案例高居不下,于是我们根据社会上情况,希望做出一个可以智能化的马上可以发出求救信号的穿戴式装备。于是我们的可穿戴式泳帽应运而生。在制作过程中我们不断完善求救机制,力求可以把求救信号更快更准地发送到附近的人上,达到争取一分一秒拯救生命的目的。我们会不断完善本作品,并加以推广,希望在可穿戴式电子类产品领域能够在造福人类方面能产生比较好的影响。51/51
30附录一：元件清单产品主要部分元件清单：名称数量价格〔元〕蓝牙模块110NRF24L0124锂电池28水位监测模块12MSP430单片机21总计花费：25元附录二：程序代码Android客户端主要代码：51/51
31publicvoidonCreate{super.onCreate;ifLog.e;SoundManager.getInstance<>;SoundManager.initSounds;SoundManager.loadSounds<>;//m_musicPlayer=MediaPlayer.create;requestWindowFeature;setContentView;getWindow<>.setFeatureInt;mTitle=findViewById;mTitle.setText;mTitle=findViewById;mBluetoothAdapter=BluetoothAdapter.getDefaultAdapter<>;if{Toast.makeText.show<>;finish<>;51/51
32return;}}OverridepublicvoidonStart<>{super.onStart<>;ifLog.e;if>{IntentenableIntent=newIntent;startActivityForResult;}else{ifsetupChat<>;}}OverridepublicsynchronizedvoidonResume<>{super.onResume<>;ifLog.e;51/51
33if{if==BluetoothChatService.STATE_NONE>{mChatService.start<>;}}}privatevoidsetupChat<>{Log.d">;mConversationArrayAdapter=newArrayAdapter;//mConversationView=findViewById;//mConversationView.setAdapter;//mOutEditText=findViewById;//mOutEditText.setOnEditorActionListener;mSendButton=
34builder.setTitle<"设置时间">;builder.setMessage<"你把安全时间设置为45s">;builder.setPositiveButton<"确定",null>;builder.show<>;//TextViewview=findViewById;Stringmessage="1";//view.getText<>.toString<>;sendMessage;}}>;mSendButton=
35mSendButton.setOnClickListener{publicvoidonClick{AlertDialog.Builderbuilder=newBuilder<BluetoothChat.this>;builder.setTitle<"设置时间">;builder.setMessage<"你把安全时间设置为75s">;builder.setPositiveButton<"确定",null>;builder.show<>;//TextViewview=findViewById;Stringmessage="3";//view.getText<>.toString<>;sendMessage;}}>;mSendButton=
36mOutStringBuffer=newStringBuffer<"">;}MSP430发射端主要代码：voidmain{uintk,baojin=100;unsignedintbiaozhi=10;WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;//设定DCO为1MHZDCOCTL=CALDCO_1MHZ;intcount=0;RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;Init_HC06<>;P1DIR=0x41;P1REN=0x18;P1OUT=0x18;//使能上拉电阻//配置两个LED引脚为输出状态if//Ifcalibrationconstanterased{while<1>;//donotload,trapCPU!!}FCTL2=FWKEY+FSSEL0+FN1;temp1=read_array<>;while<1>{51/51
37temp1=UARTGetChar;write_SegC;if>//判断有键按下{delay_us<50>;//稍作延时,用于消抖<改动>if>//按键有效{biaozhi++;__delay_cycles<50000>;delay_ms<10>;}}if<>//判断有键按下{biaozhi=0;__delay_cycles<50000>;delay_ms<10>;}if{baojin=100;}if{baojin=200;}if{baojin=300;}if{ifUARTPutChar<'5'>;ifUARTPutChar<'6'>;51/51
38ifUARTPutChar<'7'>;}if<=baojin>||!>{P1OUT|=BIT0;P1OUT|=BIT6;for{UARTPutChar<'a'>;}nRF24L01_TxPacket;SPI_RW_Reg;//清状态寄存器delay_ms<10>;RF24L01_IO_set<>;nit_NRF24L01<>;SetRX_Mode<>;//数据接收配置要写在里面SetRX_Mode<>;//数据接收配置要写在里面RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;SetRX_Mode<>;while<1>{SetRX_Mode<>;if>//如果收到数据{//数据接收配置要写在里面if{count=0;break;}}else51/51
39{if<++count>5000>{P1OUT^=0x41;//P1OUT&=~BIT6;//翻转两个LED状态RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;nRF24L01_TxPacket;SPI_RW_Reg;//清状态寄存器count=0;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT6;break;}}}}}}蓝牙主要代码：#include#include"HC06.h"voidInit_HC06<>{UCA0CTL1|=UCSSEL_2;//选择时钟BRCLK51/51
40UCA0BR0=106;//1Mhz9600UCA0BR1=0;//1Mhz9600UCA0MCTL=UCBRS2+UCBRS0;//波特率=BRCLK//8>UCA0CTL1&=~UCSWRST;//初始化顺序：SWRST=1设置串口然后设置SWRST=0最后设置相应中断IE2|=UCA0RXIE;//使能接收中断}intUARTGetChar{if==0>{//while>;//UCA1RXBUFhasreceivedapletecharacterIFG2&=~UCA0RXIFG;//clearRXinterruptflagUCA0TXBUF=UCA0RXBUF;//backtodisplayGetChar=UCA0RXBUF;//if==0>//while>;//waitingUCA0TXBUFisemptyIFG2&=~UCA0TXIFG;returnGetChar;}//clearTXinterruptflagif<>!=0>returnGetChar;}voidUARTPutChar{UCA0TXBUF=cTX;while>;//waitingUCA0TXBUFisemptyIFG2&=~UCA0TXIFG;//clearTXinterruptflag}51/51
41实现MSP430低功耗工作的代码：#includetypedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;voidmain{BCSCTL1|=DIVA_2;//ACLK/4WDTCTL=WDT_ADLY_1000;//WDT1s/4intervaltimerIE1|=WDTIE;//EnableWDTinterruptP1DIR=0xFF;//AllP1.xoutputsP1OUT=0;//AllP1.xresetP2DIR=0xFF;//AllP2.xoutputsP2OUT=0;//AllP2.xresetP3DIR=0xFF;//AllP3.xoutputsP3OUT=0x30;//AllP3.xresetP4DIR=0xFF;//AllP4.xoutputsP4OUT=0;//AllP4.xresetP5DIR=0xFF;//AllP5.xoutputsP5OUT=0;//AllP5.xresetP6DIR=0xFF;//AllP6.xoutputsP6OUT=0x80;//AllP6.xresetwhile<1>{uinti;51/51
42_BIS_SR;//EnterLPM3//LPM3;//_EINT<>;P3OUT&=~BIT5;//SetP3.5LEDonfor0;i-->;//DelayP3OUT|=BIT5;//ClearP3.5LEDoff}}#pragmavector=WDT_VECTOR__interruptvoidwatchdog_timer{_BIC_SR_IRQ;//ClearLPM3bitsfrom0//LPM3_EXIT;}报警手环部分代码：voidmain<>{WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;//设定DCO为1MHZDCOCTL=CALDCO_1MHZ;P1DIR|=BIT0+BIT6+BIT1+BIT2+BIT4;//ledP1OUT&=~BIT0;51/51
43P1OUT&=~BIT1;P1OUT&=~BIT2;P1OUT&=~BIT6;P1OUT&=~BIT4;P1OUT&=~BIT6;RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;SetRX_Mode<>;//数据接收配置while<1>{SetRX_Mode<>;//数据接收配置要写在里面RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;SetRX_Mode<>;//数据接收配置while<1>{SetRX_Mode<>;//数据接收配置要写在里面if>//如果收到数据{if{while<1>{P1OUT|=BIT4;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT6;51/51
44delay_ms<500>;P1OUT|=BIT0;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT1;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT2;delay_ms<500>;P1OUT&=~BIT4;delay_ms<500>;P1OUT&=~BIT6;delay_ms<500>;P1OUT&=~BIT0;delay_ms<500>;P1OUT&=~BIT1;delay_ms<500>;P1OUT&=~BIT2;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT4;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT6;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT0;delay_ms<500>;P1OUT|=BIT1;delay_ms<500>;51/51
45P1OUT|=BIT2;RF24L01_IO_set<>;init_NRF24L01<>;nRF24L01_TxPacket;SPI_RW_Reg;}}//清状态寄存器}}}}附录三：电路图51/51
46图一：泳帽端原理图图二：智能手环原理图51/51
47图三：泳帽端pcb图图四：救生手环端pcb附录四：操作说明打开泳帽设备开关,用Android智能泳帽客户端连接上泳帽设置后可进行下面操作。按下按键1、2、3分别设置三种时间模式,设置泳帽在水中的安全时间。按下查询键,查询当前设置安全时间按下游泳小tips,看当前溺水急救资料与游泳相关知识。设置好的时间后,泳帽把数据存在内存中实现掉电保存功能。然后佩戴好泳帽之后即可下水游泳,假如有危险情况,使用者可按下报警键实现手动报警,向救生员与急救站报警。假如使用者失去意识,泳帽也会检测到超过安全时间后,实现自动报警。51/51
48图五：手机操作界面附录五：外观设计外观设计：泳帽采用防水材料制成；手环采用高度集成元件制成,外观精致小巧,携带方便；特制成一套游泳池模型,由一般的模型制作材料制成。图六：整体模型51/51
49参考文献[1]秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲.51/51
50[2]李刚[3]MSP430数据手册[5]黄根春.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法[6]童诗白.模拟电子技术基础[7][8]51/51
