基于ArcGIS 的防溺水智能泳圈及適配營救系統的設計與制作

張司雨 董麗婷 尹航 易文彬彬 顧偉宏 ＊

（1、東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040 2、東北林業大學信息與計算機工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

1 背景及意義

據估計，2012 年全球有372000 人死于溺水，是世界各地非故意傷害死亡的第三大原因[1-2]。2013 年中國人群溺水死亡人數為63619，標化死亡率為5.29/10 萬，占傷害總死亡的8.0%，位列總人群傷害死因第四位，是＜5 歲及5～14 歲兒童首位傷害死因[3]。該現象的原因主要是監督過失和缺乏適用營救設備。針對上述問題，本文設計了一款北斗智能泳圈以及適配的溺水營救系統。該智能泳圈輕便，可隨時攜帶，同時具備北斗定位與通信功能，克服了傳統游泳設備應用的局限性，極大降低溺水遇難事故的發生率。

2 防溺水智能泳圈

2.1 創新點

防溺水智能泳圈，是一款集快速充氣、定位、通信為一體的多功能泳圈。主要創新點包括以下三個方面：

2.1.1 全自動的充氣功能：未氣脹前的智能泳圈形似腰帶，輕巧方便，遇險情況下泳圈能夠快速且自動完成充氣動作。

2.1.2 精準的定位功能：通過接收北斗和GPS 導航衛星信號，精確獲得用戶當前所在的位置信息。

2.1.3 穩定的通信功能：通過觸發求助按鈕，自動實現北斗短報文通信或地面無線通信功能，對預設求助號碼發送帶有位置信息的求救信號。

2.2 用戶模式

不同群體的溺水事故成因的多樣性與不可預測性增加了防范的難度，為此，本文提出了雙重使用模式的解決方案：

2.2.1 自動觸發模式：該模式針對小孩、老人、殘障人士等落水時自救能力較差人群設計，佩戴者落水瞬間，智能泳圈完成自動快速充氣，并自動對預設求助號碼發送帶位置信息的求救信息。

2.2.2 手動觸發模式：該模式針對一般游泳者設計，當佩戴者遇到抽筋、異物纏繞等意外狀況時，拉動拉繩泳圈即可快速自動充氣。當佩戴者需要外界營救時，可通過觸發求救按鈕向預設號碼發送求救信息。

2.3 硬件設計

智能泳圈的外部硬件設施包括：氣瓶、模式選擇按鈕、求救按鈕、手動拉繩等如圖1 所示。內部集成模塊包括：電源、北斗-GPS 雙模應用終端、SIM 卡槽如圖2、圖3 所示，北斗短報文，如圖4 所示。

圖1 智能泳圈結構設計圖

圖2 設備盒剖視平面結構示意圖

圖3 高壓二氧化碳氣瓶區域平面結構示意圖

2.3.1 腰帶自動充氣模塊：本腰帶是氣脹式腰帶。泳圈采用了折疊收納結構，具有方便穿戴的優點，當佩戴者發生危險時，通過自動或手動觸發充氣裝置，可在3 秒鐘內在佩戴者腰部形成一個馬蹄形的救生圈，使佩戴者浮于水面，從而起到救生作用。該充氣腰帶由單向閥、二氧化碳儲氣鋼瓶、遇水生成大量氣體的化學物質等組成。

圖4 北斗短報文開發板原理圖

2.3.2 全自動充氣裝置使用原理：當佩戴者落水時，自動充氣裝置口藥片遇水發生化學反應，生成的高壓氣體推動刺針，將儲氣鋼瓶瓶口刺破，釋放瓶內高壓氣體，氣瓶內的氣體會在3秒內充滿整個氣囊，如圖5(a)所示。

圖5 充氣裝置原理圖

2.3.3 手動充氣裝置使用原理：當使用者遭遇危險時，拉動拉繩帶動內置針管扎破氣瓶，釋放高壓氣體，迅速完成對救生氣囊的充氣動作，如圖5 中(b)所示。

充氣腰帶的主要技術參數如表1 所示。

表1 泳圈技術指標

2.4 軟件系統設計

本文的智能泳圈軟件功能模塊由北斗-GPS 雙模應用終端和通信模塊構成。

2.4.1 北斗-GPS 雙模應用終端：GPS 精準定位結果輔助北斗系統定位偏差校準，克服了北斗服務頻度低的缺點，同時利用北斗系統輔助GPS 實現廣域增強差分定位和完善性監測[4]。北斗-GPS 雙模系統的準確性和完善性能夠實現對目標的高精度定位[5]，并使用北斗完成雙向通信來解決地面通信不暢導致的信號發送盲區的問題。本文設計的雙模應用終端按其功能分為以下模塊：北斗-GPS 雙模核心、射頻模塊、信號處理模塊（含SIM 卡）、信息處理模塊、電源管理模塊、電池、內置天線模塊。其簡要工作原理如圖6 所示。

圖6 北斗-GPS 雙模應用終端工作原理圖[6]

2.4.2 通信模塊：本文設計的通信模塊由北斗系統的短報文通信和地面無線通信兩種方式結合組成。地面無線通信可解決北斗信號容易被遮擋的問題，而北斗信號相較于地面無線通信信號不易受環境、天氣的影響，因此綜合兩種通信方式不受環境條件的限制，可實現信號的全疆域無縫覆蓋，解決了單一通信方式信號不穩定的問題。兩種通信方式的結合使用使智能泳圈的佩戴者無論位于室內大型游泳場所或者遠離陸地的海域，均能在遇險時準確發送帶位置信息的求救短信。

3 溺水營救系統

為保證高效的溺水救援，本文結合智能泳圈的功能設計了該溺水營救系統。以下將詳細地介紹該營救系統的設計與工作流程。

3.1 監控站客戶端設計

3.1.1 監控站客戶端介紹

溺水營救系統監控站客戶端是一款運用ArcEnigne 進行二次開發的救援調度軟件。該客戶端支持加載空間數據，通過導入求救者位置信息，求解計算出求救者與各營救站點的距離，比較得出最近營救站點并對其高亮顯示。

3.1.2 監控站客戶端軟件設計

3.1.2.1 數據準備

首先下載目標水域衛星影像，并對該水域與周邊營救站進行矢量化處理。

圖7

3.1.2.2 加載空間數據

接著運用ICommand 接口，實現空間數據加載。

3.2 系統工作流程

溺水救助系統的組成部分：佩戴者、智能泳圈、監控端、營救人員。

該營救系統的工作流程圖如圖8 所示：

圖8 營救系統流程圖

流程圖具體說明：

（1）當佩戴者遭遇溺水危險時，觸發充氣裝置智能泳圈完成自動充氣。通過智能泳圈的通信功能發送帶有溺水者位置信息的求救信號。

（2）北斗衛星或地面無線基站轉發求救者的求救信號。

（3）救助站向監控站反饋所在地點位置信息。

（4）監控站接收求救者具體位置坐標后，將其導入溺水營救系統監控站客戶端，并根據該客戶端解算的結果調遣距離求救者最近的營救人員及船只實施救援。

（5）救援人員在收到營救指令后，立即展開救援，營救過程中可通過智能手表等移動終端實時查看位置數據。

4 總結及展望

本文設計了一款智能泳圈，該泳圈基于北斗-GPS 雙模應用系統開發，利用北斗系統中的定位與通信功能，以充氣腰帶為載體，為日常游泳安全提供了一款輕便易攜且實用性，安全性很高的智能泳圈，搭載設計的溺水營救系統，為減少溺水事故的發生提供了一套合理的解決方案。

隨著中國自主研發的北斗導航系統定位精度的不斷提高，在未來工作中可以考慮設計出智能游泳手環等更加輕便的設備，為游泳者提供更多更加智能便捷的選擇。