Android可穿戴防溺水報警系統的設計與實現

鄢曉曦 馮弘祿 張晨旭

摘要：針對高發的溺水事件問題，本研究基于Android系統，采用低功耗藍牙無線通信技術，設計開發一種可穿戴便攜式的防溺水報警系統。運行在Android移動設備的APP通過與游泳者穿戴的藍牙設備之間的無線通信，對游泳者的溺水事件及游泳距離進行監測與報警，可以有效地避免因監護者一時分心而造成的溺水意外。

關鍵詞：Android;低功耗藍牙;可穿戴;防溺水;報警系統

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0195-02

Abstract：In order to solve the problem of high incidence of drowning， a wearable and portable anti drowning alarm system is designed and developed based on Android system and low-power Bluetooth wireless communication technology.The app running on Android mobile device can monitor and alarm the drowning event and swimming distance of the swimmer through wireless communication with the Bluetooth device worn by the swimmer， which can effectively avoid the drowning accident caused by the momentary distraction of the guardian.

Key words：Android;Low power Bluetooth;Wearable;AntiDrowning;Alarm System

1 引言

據我國衛生部門統計，全國每年約有5.7萬人死于溺水，每年因溺水意外死亡的人數僅次于交通事故，發生溺水的人群中，1-4歲兒童因溺水死亡的就占34.2/10萬，小學生溺水死亡人數占溺水死亡學生人數68.2%。因此，溺水已成為危害青少年與兒童生命健康的一大殺手[1]。

溺水發生的場景，除了戶外水域（如水塘、河流、湖泊或海邊），也有發生在室內游泳池。甚至在有陪護人看管的情況下，也存在由于陪護人一時分心失察而發生溺水事件。

青少年及兒童之所以溺水及溺水死亡率如此之高，其主要原因在于：溺水往往難以被及時發現。溺水往往是無聲的，特別是兒童或青少年，在溺水發生時，往往不能主動呼救。即使有看護人，如果溺水發生時，看護人剛好由于注意力轉移，沒有注意到溺水的發生，仍難以避免溺水的發生。溺水后有效救援的時間短暫。一旦溺水發生后，溺水救援的最佳黃金時間是4分鐘之內，對于兒童，這一時間將急劇縮短，看護者一時的分神就會帶來很大的安全隱患。溺水急救知識欠缺，導致不能及時施救。一般人可能由于不具備專業的溺水救援知識，對于溺水者，不敢及時施救，可等到120急救醫護人員到來，可能會錯過急救的黃金時間，這也成為救援不力的一個重要因素。游泳安全意識不強。游泳安全意識不強，也是導致溺水事故的重要因素。對于青少年、兒童以及家長都需要加強游泳的安全教育。

針對游泳安全及溺水事件發生的特點，我們基于Android系統，采用低功耗藍牙技術，設計、實現一套可穿戴的防溺水監測報警系統。

2低功耗藍牙技術及Android系統對其的支持

藍牙技術是一種使用2.4Ghz ISM波段的無線通信技術。可方便地實現固定設備、移動設備和樓宇個人區域網之間的無線數據交換[2]。2000年推出藍牙4.0，開始支持低功耗藍牙技術，與經典藍牙相比，功耗小（只有經典藍牙的10%），傳輸距離遠（可達到100米），響應速度快。2016年，推出了藍牙5.0，提高了低功耗藍牙的性能，有效傳輸距離可達300米[3]。2019年，推出的藍牙5.1，支持定位與測向功能，傳輸距離更遠。一些商業藍牙芯片傳輸距離可達500到600米，有一些甚至更遠。

Android 4.3開始引入了低功耗藍牙，為低功耗藍牙的核心功能提供平臺支持和API，App可以利用它來發現設備、查詢服務和讀寫特性。Android 5.0專門構建了一個android.bluetooth.le包來加強對低功耗藍牙支持，全面地提升了對Bluetooth BLE的支持[4-5]。

3 Android低功耗藍牙防溺水監測報警系統

3.1 藍牙防溺水監測報警的原理

水分子的振動頻率為2.4GHz，藍牙無線通信工作頻率也是2.4GHz，藍牙無線信號通信會受到水干擾，難以穿透水體通信。利用這個特點，我們將藍牙設備嵌入到頭圈、泳鏡、泳帽等裝備上，當藍牙設備沒于水面之下時，監測設備（手機）一般難以監測到其發出的信號，以此作為監測與判斷是否溺水的依據。

另外，藍牙信號強度會隨傳輸距離的增長而變弱，手機端可以根據收到藍牙信息的強度，計算手機與藍牙設備之間的距離，當二者的距離超過設定值時，進行報警。

3.2 可穿戴的防溺水報警監測器

Android低功耗藍牙防溺水監測報警系統由兩部分組成：可穿戴的低功耗藍牙防溺水監測器和基于Android的監測報警APP。

可穿戴的低功耗藍牙防溺水監測器，主要由低功耗藍牙芯片、晶振、電源、射頻等組成。

低功耗藍牙連接的建立及超時。低功耗藍牙支持面向連接的異步通信鏈路，與連接相關的有三個關鍵參數：連接間隔（Interval）、從設備連接延遲（Slave Latency）和連接超時（Timeout）。連接間隔為連接建立后，周期性的通信時間。從設備延遲是指從設備可以連續跳過不響應主設備連接事件的個數，這樣可以降低功耗，節省能源。Android系統中默認的參數值并不適合于防溺水的監測，但Android系統中，沒有提供相應設置連接參數的API，我們在從設備一端設置相應的連接參數，并開啟自動更新參數，通過從設備來更新手機端的連接參數，以更符合本項目的需要。

3.3基于Android的監測報警APP的功能設計及實現

防溺水監測報警APP由設備模塊、防溺水監測與報警、距離監測與報警、信息服務模塊、設置模塊等組成。

（1）設備模塊

設備模塊主要實現藍牙設備的掃描、連接與斷開。此模塊首先判斷本當前系統是否支持低功耗藍牙，如果不支持藍牙設備，則退出軟件。如果支持低功耗藍牙但藍牙功能沒有開啟的話，可請求用戶授權開啟本地藍牙功能。然后通過BluetoothManager獲取BluetoothAdapter，通過BluetoothAdapter的startSacn（ LeScanCallback）的方法開始掃描設備，通過其回調方法得到掃描到的藍牙設備及其相關信息，如設備名稱、MAC地址、RSSI等。用戶選擇藍牙設備與之建立連接，并得到BluetoothGatt對象。

建立連接后，接收從設備的連接參數更新，更新連接參數。然后，按照設定的連接參數進行周期性的聯系。設備連接及其周期性聯系由一個單獨的后臺線程來進行。這個線程一直維持到監測結束程序退出，或者用戶手動斷開連接。

（2）監測報警模塊

監測報警模塊主要根據手機端與監測器端的通信情況及信號強度，如果發現滿足了設定的閾值，則進行報警處理。

防溺水主要是通過藍牙信號不能透過水體傳播的特性，藍牙通信在建立連接后，會連接間隔乘以1.25ms為時間單位，周期性地進行通信保持連接，從設備應在規定的時間內容進行回答（假設從設備延遲為n，那么，第n+1個連接通信必須回復）。我們對連接進行情況進行監測，當發現連接出現超時，立即進行溺水報警。

無線信號強度（RSSI）是藍牙通信中的一個重要參數，RSSI可以在通信的回調接口獲得，并且通過RSSI進行距離估算。計算公式如下：

[d=10RSSI-A10×n]

其中，d是計算距離;RSSI是信號強度，因為RSSI是負數，所以取其絕對值;A為發射端和接收端相隔1米時的信號強度，n是環境衰減因子。

為避免由于環境因素造成信號強度波動，從而使得測出的距離也出現較大的跳動，我們對RSSI進行平均值濾波來提高測量精度，設置一個數組用來存放獲取的RSSI，對最近10次得到的RSSI求平均值，并以此平均值來計算距離。

（3）信息服務模塊與設置模塊

信息服務模塊包括游泳教學、游泳安全與急救知識、法律法規以及新聞通知等內容，這些內容通過網絡在線提供服務。游泳教學，通過在線提供各種泳姿的游泳教學視頻，進行游泳教學指導。游泳安全與急救知識，在線提供游泳安全防護知識，以及對發生溺水者緊急救護的操作知識，提升游泳自救以及水上救助他人的能力。通過宣傳相關法規及信息通知，加強用戶的安全意識。

設置模塊，主要進行報警距離、報警鈴聲等設置。支持用戶自定義報警距離，報警的鈴聲。

4 結語

本項目利用藍牙信號難以透過水體傳播的特性，對游泳者的溺水事件進行監測，并以此基于Android系統設計防溺水監測報警系統，此監測報警除了提供防溺水監測報警之外，還根據藍牙信號的信號強度RSSI，對監護人與游泳者之間的距離進行監測報警;通過此系統還提供在線游泳教學、游泳安全及急救操作的普及性教學、政策法規及通知等信息服務。

基于Android系統的可穿戴低功耗藍牙防溺水監測報警系統，利用低功耗藍牙已成為標配的Android手機作為監測報警的主控端，避免專門定制主控端，節省了成本，方便用戶使用。本監測報警系統，可以有效地對游泳者，特別是青少年與兒童，游泳安全進行監測，能夠及時發現溺水事件并報警，避免因為監護者疏忽而導致的溺水事件的發生，有利于保護游泳者（特別是青少年與兒童）生命健康。另外，本項目成果通過游泳教學、游泳安全及急救操作普及教學，可以提升游泳者的游泳技能，加強安全意識，增強急救能力。

參考文獻：

[1] 張世超，翟波宇，陳平.游泳安全進校園課程的教法及效果反思[J]. 科學咨詢（教育科研），2019-12：47.

[2] Jason Marcel. 藍牙新興市場趨預測[J].單片機與嵌入式系統應用， 2019，19（10）：92.

[3] 黃東香，孫華. 為物聯網而來的藍牙5.0[J]. 西部皮革， 2018， 40（22）：39.

[4] 張義紅，李永樂，郝礦榮，韋方. Android物聯網創新型實驗研究與應用[J]. 實驗室研究與探索，2018， 37（1）：22-24.

[5] 萬燕，李麗麗. 基于Android與BLE的藍牙通信系統的實現[J]. 科技創新與應用， 2018（16）：15-17.

【通聯編輯：王力】