應澤光，張海玲，杜葉挺

(浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021)

0 引言

浴場的安全運營對社會、對其自身發(fā)展都有重要意義。目前，浴場主要依靠救生員觀察的方式來完成安全監(jiān)管，但救生員的注意力無法長時間保持集中，且浴場范圍較大、人員眾多，不利于觀察，容易導致險情發(fā)現(xiàn)不及時，造成人員傷亡事故。隨著近些年物聯(lián)網(wǎng)技術在各個產(chǎn)業(yè)的應用不斷增加，溺水報警裝置的研究隨之增加，但大多是針對游泳池環(huán)境[1]。相比于游泳池，露天浴場的范圍更大、人員更多、環(huán)境更復雜，泳池溺水報警裝置無法滿足浴場實際需求。

針對以上問題，本文設計了一種基于GPRS的智能浴場救生系統(tǒng)，通過監(jiān)測穿戴設備的位置信息、報警信息和通信狀態(tài)分析游客狀態(tài)。當設備信息異常的時會發(fā)出警報，協(xié)助浴場救生員及時發(fā)現(xiàn)險情并快速鎖定險情位置，提高救生效率。

1 浴場救生系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)包括溺水報警穿戴設備和上位機?？紤]到部分露天浴場規(guī)模較大，用戶身上的穿戴設備與監(jiān)控中心的上位機距離較遠，穿戴設備與上位機采用GPRS通信。穿戴設備采用頭戴式結構，裝載在泳帽前端。當游客頭部在水面上時，穿戴設備接收北斗/GPS雙模定位數(shù)據(jù)，并定時向上位機上傳位置等設備相關信息。上位機接收到穿戴設備的數(shù)據(jù)后進行分析，對游客安全做出判斷。若設備信息及位置信息正常，則對該設備進行安全標注；若位置信息異?；蚝謩訄缶畔?，系統(tǒng)做報警處理。當游客頭部在水下時，穿戴設備的數(shù)據(jù)無法順利上傳至上位機。當一定時間未接收到某個穿戴設備的數(shù)據(jù)，上位機將做失聯(lián)報警處理，通知浴場救援人員實施救援，并在地圖上最后一次接收到該設備的位置做警告標注。

2 穿戴設備設計

系統(tǒng)穿戴設備由主控模塊、GPRS通信模塊、北斗/GPS雙模定位模塊、手動報警模塊和電源模塊等構成，其硬件基本構成如圖1所示。

圖1 穿戴設備硬件結構

2.1 主控模塊

穿戴設備的設計中，主控芯片需滿足尺寸小、功耗低、可靠性高等要求。為了滿足穿戴設備系統(tǒng)需求，控制設備生產(chǎn)成本，本系統(tǒng)設計過程中主控芯片選用國產(chǎn)超低功耗芯片HC32L136K8TA。

HC32L136系列是一款旨在延長便攜式測量系統(tǒng)的電池使用壽命的超低功耗、寬電壓工作范圍的微處理器。該芯片支持1.8～5.5 V的寬供電范圍，擁有12位1 Msps高精度SARADC，內(nèi)置多個高性能PWM定時器、集成了多路UART，I2C，SPI等豐富的通信接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性和超低功耗的特點，適用于本系統(tǒng)穿戴設備。

2.2 GPRS通信模塊

GPRS通信具有通信距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速度快、開發(fā)成本低等優(yōu)勢[2]。本系統(tǒng)選擇GPRS通信作為信息傳輸方式。從開發(fā)成本、尺寸大小考慮，系統(tǒng)GPRS通信選用了SIM800A模塊。SIM800A模塊的工作電壓范圍為3.4～4.4 V，可直接用3.7 V電池給模塊供電。該模塊具有體積小、性能穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)勢，適用于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

2.3 北斗/GPS雙模定位模塊

依據(jù)救援定位精度需求和穿戴設備尺寸需求，本系統(tǒng)選用ATGM332D 5N-31模塊采集設備位置信息。ATGM332D 5N-31模塊的核心為AT6558芯片，支持北斗或GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位，也支持北斗/GPS雙模定位，定位精度2.5 m內(nèi)，能夠滿足救援要求，具有高靈敏度、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)勢。

在ATGM332D 5N-31模塊使用中，為了保證定位精度和定位覆蓋范圍，同時打開BDS和GPS定位。為了降低主控芯片的性能負擔，設置ATGM332D 5N-31模塊僅輸出RMC定位信息，包括GNRMC，BDRMC，GPRMC。其中，GNRMC為北斗/GPS雙模定位信息，BDRMC為北斗定位信息，GPRMC為GPS定位信息。一般浴場地形開闊，定位模塊可輸出雙模定位消息。若僅接收到有效的北斗信號，定位模塊輸出BDRMC消息；若僅接收到有效的GPS信號，定位模塊輸出GPRMC消息。

2.4 手動報警模塊

常見的溺水報警裝置主要利用被動報警的方式。當檢測到身體數(shù)據(jù)異常時，報警裝置自動發(fā)出求救信號，此時溺水者已處于危險階段，容易導致救援不及時。因此，本系統(tǒng)設計了手動報警單元，在頭戴式穿戴設備上設置一個報警按鈕。當游客感覺自身狀態(tài)不佳、面臨危險或發(fā)現(xiàn)身旁有人陷入險境時，可通過手動報警單元主動發(fā)起報警。

2.5 電源模塊

穿戴設備中的電池需滿足尺寸小、容量大、可充電、安全可靠等要求。參考當前智能穿戴設備，本系統(tǒng)的設計中選用3.7 V的高性能聚合物電池進行供電，滿足長時間可靠安全使用的要求。穿戴設備每工作半小時，主控芯片對電池電量進行檢測，當電量較低時，向上位機上傳電量信息提示工作人員及時充電。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)報警設計

系統(tǒng)報警分為自動報警與手動報警。自動報警是上位機將穿戴設備的數(shù)據(jù)與對應的報警門限數(shù)據(jù)進行比較，當設備數(shù)據(jù)超過門限時，系統(tǒng)進入報警狀態(tài)，主要有越界自動報警和失聯(lián)自動報警。手動報警是游客手動觸發(fā)穿戴設備上的手動報警單元后，穿戴設備將報警信號上傳至上位機，直接觸發(fā)報警。浴場救生系統(tǒng)報警及復位條件，如表1所示。當達到報警條件時觸發(fā)聲光報警，滿足復位條件時取消報警。

表1 系統(tǒng)報警及復位條件

在實際浴場中，作為安全邊界的浮式圍欄在風浪影響下會小幅波動。在實際安全邊界2 m內(nèi)可視為安全緩沖帶。在上位機中將地圖中的安全邊界2 m范圍內(nèi)的穿戴設備設定為預警關注狀態(tài)，超出安全邊界2 m即為越界狀態(tài)。當設備位置回到安全范圍內(nèi)時，報警自動復位，也可在上位機手動復位。

一般人水中屏氣時長在60 s內(nèi)，若保持運動狀態(tài)，則潛水時間更短[3]。為了確保游客的安全，系統(tǒng)設計超過60 s未接收到設備位置更新時觸發(fā)失聯(lián)報警，若失聯(lián)報警10 s內(nèi)接收到設備位置更新則報警復位。其他報警情況需在上位機手動復位。

3.2 穿戴設備軟件設計

穿戴設備軟件開發(fā)環(huán)境為Keil MDK，溺水報警穿戴設備軟件工作流程，如圖2所示。

圖2 溺水報警穿戴設備軟件工作流程

設備開始運行后，MCU先初始化，然后對各子模塊初始化配置。當MCU接收到定位模塊的定位數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解析，并更新實時位置信息。每過一個位置發(fā)送周期時間，位置發(fā)送定時器觸發(fā)中斷函數(shù)，穿戴設備GPRS通信模塊與上位機的服務器建立TCP/IP連接，并向上位機上傳設備信息。完成數(shù)據(jù)上傳任務后，MCU繼續(xù)接收并處理定位數(shù)據(jù)，等待中斷信號。由于浴場中穿戴設備數(shù)量較多，為了防止通信信息阻塞，位置發(fā)送定時器定時時長設置為2 s。

當電量檢測定時中斷觸發(fā)，MCU進行電池電量檢測，并在接下來60 s內(nèi)向上位機發(fā)送位置信息時一起打包電量信息。當手動報警時，外部中斷觸發(fā)主動報警函數(shù)，穿戴設備每隔1 s向上位機發(fā)送報警信息，持續(xù)上傳60 s，確保報警信息及時反饋至上位機。若由于設備處于水下環(huán)境等原因，60 s未能正常上傳設備信息，溺水報警系統(tǒng)則會觸發(fā)失聯(lián)報警。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件在Windows環(huán)境下開發(fā)運行，為確保系統(tǒng)所設計的上位機軟件具備跨平臺、可移植的特性，利用Qt平臺進行上位機軟件的開發(fā)[4]。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架，有豐富的API，易做擴展開發(fā)，適合開發(fā)含地圖界面的上位機軟件[5]。

上位機浴場監(jiān)測系統(tǒng)作為TCP服務器端，接收溺水報警穿戴設備客戶端的連接請求，建立連接后接收穿戴設備上傳的數(shù)據(jù)。接收到穿戴設備的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析，并更新數(shù)據(jù)庫中的信息，數(shù)據(jù)庫通過SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。SQLite數(shù)據(jù)庫具有運行快速、操作方便、管理簡單、穩(wěn)定性高、可移植性強等優(yōu)勢，并且可多線程安全訪問，不需要單獨的服務器進程或操作的系統(tǒng)，能夠滿足上位機軟件的應用需求。

通過Qt與JavaScript交互的方式調(diào)用百度地圖API，在地圖中顯示浴場運行實時情況。由于浴場內(nèi)地圖環(huán)境相對穩(wěn)定，可以下載離線地圖，方便系統(tǒng)的使用。當?shù)貓D比例尺較大時，狀態(tài)正常的游客用水滴狀圖標標識，狀態(tài)異常的游客用紅色嘆號形狀的圖標標識；當?shù)貓D比例尺較小時，僅顯示狀態(tài)異常的游客。

4 結語

本文設計了一種基于GPRS的浴場溺水報警系統(tǒng)，由溺水報警穿戴設備和上位機組成。穿戴設備以超低功耗芯片HC32L136K8TA作為主控芯片，通過GPRS上傳設備的位置與狀態(tài)信息。系統(tǒng)設計有越界自動報警、失聯(lián)自動報警、手動報警等3種報警模式。上位機軟件在Qt平臺開發(fā)，并集成百度地圖API，顯示浴場實況地圖及報警信息。本系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)異常報警，輔助指揮救援，降低浴場安全管理的難度，提升浴場運營的安全性。