基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能防溺水系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何向陽，劉彬

（攀枝花學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

游泳安全問題已困擾社會許久，雖然國內(nèi)開展了很多游泳安全教育，但是由于該項運動的不確定性，游泳安全事件并未得到有效的控制。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，我國每年約有7 萬人因為溺水事件造成身體的不同損傷，甚至死亡，借助外部手段協(xié)助解決游泳安全問題已是大勢所趨。游泳圈是最常見的游泳安全輔助工具，它可以在一定程度上對游泳人員起到防溺水保護的作用。傳統(tǒng)的游泳圈存在著一定的局限性。同時，由于游泳運動的不確定性，身體痙攣等安全事故發(fā)生往往在毫秒之間，游泳圈并不能有效解決緊急情況下的安全問題。因此，游泳愛好者們需要一款攜帶更加方便、功能更為完善的游泳安全防護工具。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過信息傳感設(shè)備實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能，它可以很好地解決生活中的很多問題，例如：智能家居、大棚溫度控制等。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，它可以讓健身項目變得智能化和方便化，增強人們的體驗感。全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品市場發(fā)展迅速，智能服務(wù)將會是物聯(lián)網(wǎng)市場的重要發(fā)展方向之一。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到游泳安全防護是目前很多程序開發(fā)人員的夢想，設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化游泳安全防護設(shè)備可以極大地提高游泳者的安全保障，進一步減少溺水事件的產(chǎn)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

■1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中為三個層次的設(shè)計，分別為應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層，感知層。應(yīng)用層是系統(tǒng)與用戶的接口，直接與用戶接觸，與需求本身產(chǎn)生聯(lián)系，實現(xiàn)功能應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)層用于實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳送、路由和控制，它處理下層傳遞的信息，判斷是要送往云端的主機，或者直接采取適當?shù)膭幼鳎o線電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云端運算技術(shù)等；感知層由傳感器和網(wǎng)關(guān)組成，主要的作用是識別物體，采集信息，包括無線射頻技術(shù)、無線感測網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)等。

本次設(shè)計的總體方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)計方案

■1.2 總體思路設(shè)計

項目設(shè)計思維導圖如圖2 所示。

圖2 項目設(shè)計思維導圖

本次設(shè)計分為硬件和軟件兩方面。結(jié)合傳統(tǒng)游泳圈的特點，對傳統(tǒng)的游泳圈進行改進，增加定位、移動等功能，讓游泳圈隨著人體的移動自動跟隨在一個安全距離之內(nèi)。同時，配備智能手環(huán)，智能手環(huán)進行呼應(yīng)，智能手環(huán)具有測試心跳新速、游泳距離統(tǒng)計、呼叫救生員、緊急情況下自動彈出安全氣囊等功能。

硬件設(shè)計方面：游泳圈和手環(huán)均采用STM32 單片機最小系統(tǒng)為核心，其中，智能防溺水手環(huán)基于STM32F103ZET6開發(fā)版開發(fā)，利用Freertos 實時操作系統(tǒng)、ESP01S 模塊、HC05 藍牙模塊、DTH11 溫濕度模塊、OLED 模塊、超聲波單發(fā)送模塊、GSM短信模塊、Max30102心率血氧模塊等完成，使用USART 串口通訊，單總線通訊，I2C 通訊，MQTT 協(xié)議，手環(huán)能監(jiān)測配戴者的心率血氧，判定是否溺水，能夠自動發(fā)送警報，利用藍牙模塊與游泳圈進行通訊；自動跟隨游泳圈基于STM32F103C8T6 開發(fā)版開發(fā)，利用超聲波接收模塊，和步進電機等完成。利用Usart 串口通訊、PWM，能夠感知手環(huán)的距離，自動跟隨，接受藍牙的指令進行移動。

游泳圈內(nèi)安裝移動模塊及定位模塊，同時，采用JY02集成芯片做12～36V 的直流驅(qū)動器，采用15W 直流減速電機實現(xiàn)供電功能，采用超聲波單收發(fā)模塊，實現(xiàn)和智能手環(huán)之間的測距及游泳圈移動方向采集。智能手環(huán)移植FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，采用OLED 液晶作為信息顯示，采用超聲波單收發(fā)模塊，控制超聲波的發(fā)送，采用ESP8266--WiFi 模塊連接騰訊云平臺，采用ATK1218-BD 芯片，支持BDS/GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位，可實現(xiàn)定位功能。

軟件實現(xiàn)方面：游泳圈和手環(huán)系統(tǒng)程序采用C 語言編程。以Keil μvision4 作為開發(fā)工具，游泳圈直接通過裸機控制各個模塊，手環(huán)通過FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)進行控制各個模塊，實現(xiàn)設(shè)計的要求和功能。消息傳輸模塊，使用ESP8266 連入網(wǎng)絡(luò)，通過基于TCP 的MQTT 協(xié)議，利用騰訊云服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)的上行和命令訂閱，實現(xiàn)設(shè)備跟用戶的雙向通信。后臺管理則使用VUE 框架對微信小程序端進行開發(fā)，使用MVC 框架對網(wǎng)頁進行開發(fā)。

2 核心功能設(shè)計方案實現(xiàn)

■2.1 系統(tǒng)控制設(shè)計

系統(tǒng)的控制方面采用STM32F103 最小系統(tǒng)，它采用ARM 最新的、先進架構(gòu)的Cortex-M3 內(nèi)核，實時性、功耗控制等方面性能優(yōu)異。該最小系統(tǒng)包含了晶振、復位電路兩個部分，控制整個系統(tǒng)工作。其中，STM32F1 的主控芯片工作頻率達72MHz，具有SPI、I2C、AD、DA 等功能，且內(nèi)置Flash。結(jié)合成本及性能兩方面因素，安全游泳圈采用性能較弱的C8T6 為主控芯片，智能防溺水手環(huán)采用性能較強的Zet6 為主控芯片，利用最小系統(tǒng)對各個模塊進行控制。

■2.2 實時操作系統(tǒng)

在裸機開發(fā)中，不可避免地會在主函數(shù)中寫上一個復雜且巨大的While 循環(huán)，大多數(shù)任務(wù)會調(diào)用延時等待函數(shù)，當處理的任務(wù)較多時，系統(tǒng)將大量資源浪費在了延時函數(shù)，降低了CPU 的執(zhí)行效率。此次設(shè)計中，防溺水手環(huán)功能較多，裸機開發(fā)實時性無法得到保證，已經(jīng)不能滿足設(shè)計需求。線程方式的并發(fā)任務(wù)處理，可以解決模塊化問題，同時保證實時性。所以，綜合考慮易用性、可擴展性等因素，在開發(fā)中，移植Freertos 實時操作系統(tǒng)，利用它搶占式調(diào)度，合作式調(diào)度和時間片調(diào)度等特性，用于任務(wù)與任務(wù)間的消息傳遞和同步，任務(wù)與中斷間的消息傳遞和同步，從而達到擁有高質(zhì)量的管理機制。

■2.3 自動跟隨方案設(shè)計

安全游泳圈的兩端各安裝一個單收超聲波，手環(huán)安裝一個單發(fā)的超聲波模塊。兩個超聲波模塊的距離與他們與發(fā)送模塊的距離就會組成三角形。設(shè)安全游泳圈左側(cè)的超聲波接收端和手環(huán)之間的距離為距離1，安全游泳圈左側(cè)的超聲波接收端和手環(huán)之間的距離為距離2，當距離1>大于距離2時，則智能防溺水手環(huán)必然在游泳圈的右邊，控制游泳圈右轉(zhuǎn)；當距離2>大于距離1 時，則智能防溺水手環(huán)必然在游泳圈的左邊，控制游泳圈左轉(zhuǎn)；游泳者前游時，距離必定大于設(shè)定距離，當手環(huán)與游泳圈的距離超過預設(shè)的值時控制游泳圈向前。控制好這幾個距離即可實現(xiàn)游泳圈自動跟隨。簡單示意圖如圖3 所示。

圖3 跟隨模型示意圖

■2.4 游泳圈動力驅(qū)動方案設(shè)計

游泳圈的動力設(shè)計中，采用控制電機轉(zhuǎn)動。JY02 無刷電機驅(qū)動芯片通常使用電壓調(diào)速，接入電壓越高轉(zhuǎn)速越快。考慮到游泳圈的轉(zhuǎn)向問題，必須實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，所以，通過定時器使用調(diào)節(jié)PWM 波的形式對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

■2.5 游泳圈與手環(huán)通訊設(shè)計方案設(shè)計

為了實現(xiàn)智能防溺水手環(huán)對游泳圈的控制，需建立二者之間的通訊。本次設(shè)計中，使用HC05 藍牙模塊進行通訊，利用最小系統(tǒng)的串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，當游泳圈收到手環(huán)的指令時，作出相應(yīng)的反應(yīng)，實現(xiàn)控制的功能，包括控制游泳圈的移動和自動跟隨，游泳圈也能通過HC05 將它的距離信息發(fā)送到手環(huán)。

■2.6 用戶定位方案設(shè)計

智能手環(huán)必須將用戶的位置信息發(fā)送，才能讓救援者發(fā)現(xiàn)。考慮到對地理位置，通用性的考慮，本次設(shè)計使用ATK1218-BD 模塊對用戶的經(jīng)緯度坐標進行采集，然后通過通訊與STM32 單片機進行通訊，并進行數(shù)據(jù)采集，管理員可在網(wǎng)頁后臺，利用百度地圖api 和位置信息觀測用戶的位置，位置顯示如圖4 所示。

圖4 位置顯示如圖所示

■2.7 警報發(fā)送方案設(shè)計

考慮到用戶所處環(huán)境不同，本次設(shè)計中，手環(huán)設(shè)計三種警報發(fā)送模式，并能同時發(fā)送。第一種是通過控制蜂鳴器發(fā)聲，直接向周圍人發(fā)出警報，這種方式較多適用于游泳館或周圍人流量比較大的游泳環(huán)境中；第二種是通過GSM 模塊和SIM 卡，發(fā)送短信至救援機構(gòu)，這種方式適用于游泳者野泳，周圍人煙稀少，沒人提供救援服務(wù)；第三種是通過ESP8266WiFi 模塊，將警報信息采集至服務(wù)器，管理員在看到求救信息后，進行救援，這種情況適用于游泳館。用戶只要按下報警按鈕，可將三種警報全部發(fā)送，警報發(fā)送方案示意圖如圖5 所示。

圖5 警報發(fā)送方案示意圖

■2.8 溺水自動判斷設(shè)計

本次設(shè)計中，利用MAX30102 血氧模塊、溫度濕度傳感器DHT11 模塊，對用戶的心率，血氧，環(huán)境溫濕度進行綜合判斷，當達到閾值時，則會判定用戶溺水，游泳圈將會自動發(fā)出警報。MAX30102 模塊是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊。它集成了一個紅光 LED 和一個紅外光 LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，通過STM32 的I2C 接口與模塊進行通訊，得到光強度值，最后需要通過相應(yīng)的處理算法計算出心率值和血氧濃度值。DHT11 是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，它傳輸數(shù)據(jù)的方式是單總線協(xié)議，次通訊時間4ms 左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。

■2.9 后臺管理方案設(shè)計

后臺管理分為微信小程序設(shè)計和網(wǎng)頁端設(shè)計兩個方面，微信小程序采用Vue 框架開發(fā)，該框架是一款用于構(gòu)建用戶界面，技術(shù)成熟且被廣泛使用的JavaScript 框架之一，開發(fā)者可以利用此框架高效地開發(fā)用戶界面。在本項目中，微信小程序端也是用戶端，在微信小程序端中，用戶輸入設(shè)備號與設(shè)備進行綁定，頁面會捕獲到設(shè)備的上行數(shù)據(jù)，如游泳者的位置信息、心跳數(shù)據(jù)、游泳距離，以及游泳時間數(shù)據(jù)等等，然后顯示到頁面之中，用戶不僅能夠看到實時數(shù)據(jù)，而且還能對設(shè)備進行遠程控制，以及呼救。在微信小程序端，不僅能夠?qū)υO(shè)備進行管理，也可以對此賬號信息進行管理，進行更改密碼和更換設(shè)備等一系列操作。微信小程序主界面如圖6 所示。

圖6 微信小程序主界面

網(wǎng)頁端采用MVC 框架開發(fā)，系統(tǒng)會將所有設(shè)備上行的數(shù)據(jù)全部采集和統(tǒng)計并顯示到頁面中，具體包含用戶信息管理、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計、警報信息管理三個模塊。用戶信息管理模塊可以對用戶信息進行添加、修改、查詢、刪除、設(shè)備綁定更改等操作；設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊可以對統(tǒng)計用戶的身體狀況、位置、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)；警報信息管理模塊可以采集用戶發(fā)出的警報信息及警報處理信息，方便機構(gòu)監(jiān)控游泳者的狀態(tài)，對用戶的警報信息及設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，判斷用戶身體異常狀況，提供和發(fā)送用戶的具體位置給相關(guān)施救人員。網(wǎng)頁端主界面如圖7 所示。

圖7 網(wǎng)頁端主界面

3 項目創(chuàng)新點

本項目結(jié)合目前市面上游泳救生工具的特點，針對其功能與使用條件均較單一，不便攜帶，無法更好地保證人身安全等問題，采用“防溺水手環(huán)+跟隨游泳圈”的方式保護游泳愛好者的生命安全，減少游泳者在溺水情況下的安全隱患。具體創(chuàng)新點如下。

（1)智能手環(huán)上設(shè)有心率、壓力自動感應(yīng)，能自動判斷使用者的身體情況以及周邊水壓來自動判斷是否安全，有利于使用者安全的保障，防止慌亂中無法啟動裝置。

（2)手環(huán)上設(shè)有報警求救功能，可以手動和自動發(fā)出求救信息，同時，手環(huán)還可配套設(shè)計浮力充氣球，方便人員緊急情況下自救。

（3)泳圈上設(shè)有感應(yīng)裝置，智能感應(yīng)人體位置，實現(xiàn)和游泳者保持安全距離跟隨，不影響游泳者游泳且能智能跟隨。當人體與游泳圈距離超過安全距離(80～95cm)時，泳圈自動跟隨；當人體與泳圈距離在安全距離內(nèi)，泳圈保持不動。

（4)系統(tǒng)設(shè)計有各種統(tǒng)計功能，可以檢測游泳者的各類指標數(shù)據(jù)，方便統(tǒng)計。

4 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類產(chǎn)品正潛移默化地改變著我們的工作、生活和娛樂方式。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微信小程序開發(fā)技術(shù)等設(shè)計了一套智能游泳安全防護裝備，其產(chǎn)品制造成本低、環(huán)保、安全性高，是對當前游泳防護裝備的升級改造，可以很好地保護游泳者的安全。