LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用

李玉香 全劉輝 澹臺夢陽

摘要：現(xiàn)有的智能防溺水系統(tǒng)中，無線傳輸技術(shù)多采用Wi-Fi或藍(lán)牙方式。然而，這兩種無線傳輸方式存在傳輸距離短、穩(wěn)定性較差、功耗較高等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)只能在特定小范圍內(nèi)使用。這無法有效保障戶外野生水域游泳者或工作人員的安全。同時，更穩(wěn)定的通信方式如水聲通信、光通信、電磁波通信和磁通信，存在天線尺寸巨大、通信速度慢等問題。為此，該研究旨在探索LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過將該技術(shù)應(yīng)用于智能救生手環(huán)和自動救生船上，實現(xiàn)求救者心率情況和定位坐標(biāo)的快速傳輸，從而提高救援效率和準(zhǔn)確性。研究證明了LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的重要作用。該系統(tǒng)為溺水事故救援提供了高效、準(zhǔn)確的解決方案，有望在實際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，并考慮其他相關(guān)因素，以提升整體救援效果。

關(guān)鍵詞：LoRa；無線傳輸；防溺水

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0093-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

游泳安全問題長期困擾著社會，然而，目前市場上許多水上智能救生設(shè)備仍不夠成熟，其中集成了各種傳感器并具備通信傳輸功能的設(shè)備屬于少數(shù)。傳統(tǒng)的防溺水手環(huán)通常需要溺水者手動打開充氣閥，但在緊急情況下，溺水者可能因情緒激動或操作不當(dāng)[1]而無法進(jìn)行該操作，從而導(dǎo)致救生手環(huán)失去作用。同時，現(xiàn)有的水中通信多采用Wi-Fi或藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2-3]，但這兩種方式受到傳輸距離短、傳輸穩(wěn)定性差等問題的限制，使得智能防溺水手環(huán)僅適用于小范圍內(nèi)的游泳場所，對于河邊、水庫等大型水域的游泳者或水上工作者在遇險時無法提供有效的支持。與之相對的高要求是使用水聲通信、光通信、電磁波通信和磁通信等更穩(wěn)定的通信方式，但其存在天線尺寸巨大、通信速度慢以及時延長等問題[4]，且大尺寸天線不適合游泳者佩戴，進(jìn)而影響了使用范圍。

國外在溺水檢測方面的研究已經(jīng)歷時近40多年，已經(jīng)從探索和實驗階段逐步步入產(chǎn)品改進(jìn)階段，然而我國在這一領(lǐng)域的研究仍處于相對初級階段。早在1976年，美國Codina，Jorge G.I131申請了專利“游泳池報警”，但受限于當(dāng)時的科技水平和計算機(jī)發(fā)展，該技術(shù)并未受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。2001年，法國VisionIQ公司開發(fā)了“海神號”溺水檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在泳池天花板和水下壁面安裝紅外線鏡頭RGB相機(jī)實現(xiàn)了對游泳者準(zhǔn)確位置的定位，從而實現(xiàn)了泳池實時溺水檢測的功能。然而，水下攝像頭的維護(hù)成本十分昂貴，一套“海神號”系統(tǒng)的安裝及維修費用折合人民幣數(shù)百萬元[5]。所以。因此，這種溺水檢測系統(tǒng)無法實現(xiàn)大規(guī)模普及，而本項目研究的系統(tǒng)則具有價格低廉、操作簡便等優(yōu)點，更具實用價值，也更有利于推廣和應(yīng)用。

美國的Kingii[6]是一款輕便且易于攜帶的水中緊急救生手環(huán)，其原理是在手環(huán)上裝配了一個救生氣囊，佩戴者在遇險時拉開卡扣，救生氣囊便會彈出，為佩戴者提供一定浮力，以保持頭部露出水面。然而，由于氣囊需要佩戴者手動拉開卡扣，部分溺水者在遇險時可能受驚而無法完成這一操作[7]，導(dǎo)致手環(huán)失去了其應(yīng)有的功能。

針對上述問題，本研究采用了一種新型的無線傳輸方式，即LoRa（長距離低功耗射頻通信）無線傳輸技術(shù)，并結(jié)合了GPS定位技術(shù)、心率監(jiān)測技術(shù)等相關(guān)方法。通過在智能救生手環(huán)中嵌入LoRa模塊和心率傳感器，并在自動救生船上配置接收設(shè)備，建立起了“多對一”的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了求救者心率情況和GPS定位坐標(biāo)的實時獲取與傳輸。

1 智能防溺水系統(tǒng)概述

智能防溺水系統(tǒng)主要由兩部分組成：智能救生手環(huán)和自動搜救船。其中，救生手環(huán)包括心率傳感器、自動救生氣囊、無線傳輸模塊和GPS定位模塊等。該手環(huán)通過實時監(jiān)測佩戴者的心率變化來判斷是否發(fā)生溺水情況，一旦發(fā)生緊急情況，手環(huán)將自動彈出安全氣囊，并通過LoRa無線通信模塊傳輸求救信號和GPS定位數(shù)據(jù)等信息至救生船。救生船在接收到求救信號后將自動駛向溺水者附近進(jìn)行救援。該系統(tǒng)的框圖如圖1所示。LoRa無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用使救生手環(huán)與救生船相結(jié)合，為智能防溺水系統(tǒng)提供了更廣闊的信息覆蓋面，從而使自動救援船的救援范圍大大提高，實現(xiàn)了物物之間的交互，使得手環(huán)更加智能、傳輸更加穩(wěn)定、救援更加高效。

2 救生手環(huán)選用LoRa無線通信技術(shù)的原因

LoRa[8]無線傳輸技術(shù)是一種適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN） 通信技術(shù)，在智能救生手環(huán)上具有廣泛的應(yīng)用及各種優(yōu)勢。

首先，LoRa技術(shù)的一大優(yōu)勢是其長距離傳輸能力。該技術(shù)能夠在城市和鄉(xiāng)村等廣闊范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，甚至在障礙物密集的環(huán)境下也能有良好的覆蓋。這使得智能救生手環(huán)可以通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與救生設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實時傳輸手環(huán)的位置信息、健康數(shù)據(jù)等。

其次，LoRa技術(shù)采用了低功耗設(shè)計，能夠延長智能救生手環(huán)的電池壽命。相比于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，LoRa在傳輸時僅需要較低的發(fā)射功率，因此能夠大幅降低能耗。對于智能救生手環(huán)而言，長時間的電池壽命至關(guān)重要，以確保在緊急情況下能夠持續(xù)地監(jiān)測和傳輸數(shù)據(jù)。

另外，LoRa技術(shù)在連接密度方面也具有優(yōu)勢。LoRa網(wǎng)絡(luò)能夠支持大規(guī)模設(shè)備的連接，因此可以實現(xiàn)多個智能救生手環(huán)同時連接到同一個基站或網(wǎng)關(guān)。這對于大規(guī)模應(yīng)用和集中監(jiān)控非常有用，比如在大型活動、災(zāi)難現(xiàn)場或其他緊急情況下，可以監(jiān)測和管理大量的智能救生手環(huán)。

最后，LoRa技術(shù)還具有良好的抗干擾性和可靠性。由于采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，LoRa信號在抵抗干擾和衰落方面表現(xiàn)出色。即使在多路徑衰落環(huán)境中，LoRa技術(shù)也能保持穩(wěn)定的連接和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，確保智能救生手環(huán)的信息能夠準(zhǔn)確、可靠地傳輸。

綜上所述，LoRa無線傳輸技術(shù)在智能救生手環(huán)上的應(yīng)用具有長距離傳輸、低功耗設(shè)計、高連接密度和良好的抗干擾性等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得智能救生手環(huán)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測和傳輸重要的健康數(shù)據(jù)，提供更好的安全保障。

3 LoRa協(xié)議的三種工作模式

LoRa模塊有三種工作模式，分別為ClassA模式、ClassB模式和ClassC模式，這三種工作模式各有優(yōu)劣，類A工作模式適用于低功耗和實時性要求不高的設(shè)備，類B工作模式提供了更好的實時性，適用于更高的實時性應(yīng)用場景，而類C工作模式則適用于對實時性要求非常高的應(yīng)用場景。具體如下：

1） ClassA模式：該模式是最常見且最基本的工作模式，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有雙向通信能力，但通信時間由設(shè)備來控制。該模式下的設(shè)備功耗較低，適合于電池供電的設(shè)備。

2） ClassB模式：該模式在ClassA工作模式的基礎(chǔ)上增加了基站的定時廣播。基站會定期廣播一個時間同步信標(biāo)，設(shè)備可以根據(jù)該信標(biāo)調(diào)整自身的接收時間窗口。相比類A工作模式，該模式在實時性方面有所提升，更適用于對實時性要求較高的場景。

3） ClassC模式：該工作模式最具靈活性但也面臨最高的功耗問題。在該模式下，設(shè)備的接收窗口幾乎始終打開，可以實時接收基站的數(shù)據(jù)。該模式需要更穩(wěn)定的電源進(jìn)行供電，然而，由于本系統(tǒng)手環(huán)無法提供穩(wěn)定電源，故不選擇此方案。

綜上所述，本系統(tǒng)采用了ClassB的工作模式，具有較好的實時性和較低的功耗，能夠一定程度上保證系統(tǒng)的電池續(xù)航和數(shù)據(jù)傳輸實時性。

4 LoRa無線通信技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能手環(huán)必須將佩戴者的定位信息發(fā)送出去，救生船才能知道有求救信號并展開救援，因此信號的穩(wěn)定傳輸至關(guān)重要。智能手環(huán)監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和節(jié)點采用星形組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和實時性，采用CRC算法對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗。LoRa無線通信模塊的通信協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)信息幀如表1所示。

在信息幀中，各數(shù)據(jù)的作用如下：

1） 幀頭：作為一個信息幀開始的標(biāo)志，設(shè)備識別到該代碼后將后面的數(shù)據(jù)提取出來，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

2） LORA-ADDR：用于區(qū)分不同的LoRa控制節(jié)點的標(biāo)志，每個節(jié)點都有唯一的設(shè)備地址。當(dāng)手環(huán)遇到危險情況并傳輸求救信號等數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)能夠識別該網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備，并在云平臺精準(zhǔn)定位到該節(jié)點。

3） 數(shù)據(jù)：包括手環(huán)GPS定位到的經(jīng)緯度以及佩戴者的心率數(shù)據(jù)。

4） CRC校驗：循環(huán)冗余校驗，在發(fā)送端的最后一位加上校驗碼。接收端在接收到一幀信息后先對其進(jìn)行校驗判斷，判斷是否能夠被整除。若不能整除，則信息不完整，丟棄；反之，若能整除，則信息完整正確。

LoRa模塊主要有三種運行模式，分別為發(fā)送、接收和空閑。手環(huán)主要處于發(fā)送狀態(tài)，救生船主要處于接收狀態(tài)，在沒有報警信號的情況下，它們都處于空閑狀態(tài)。當(dāng)救生船接收到其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)時，會向單片機(jī)發(fā)送中斷請求，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并控制救生船移動到目標(biāo)點進(jìn)行救援。現(xiàn)對手環(huán)節(jié)點分為水中和水下兩個狀態(tài)進(jìn)行分析，觀察LoRa的數(shù)據(jù)傳輸及GPS定位是否準(zhǔn)確。詳細(xì)信息如表2、表3所示。

綜上測試可知，處于水面上時，LoRa傳輸速度快且GPS定位準(zhǔn)確。而處于水下狀態(tài)時，GPS定位可能不準(zhǔn)確，但是LoRa的數(shù)據(jù)傳輸仍然能進(jìn)行，只是傳輸速度相對慢了些，但不影響整體系統(tǒng)的正常運行。因此，采用LoRa進(jìn)行手環(huán)與救生船之間的信息傳輸是可行的方案。

5 結(jié)束語

本設(shè)計針對現(xiàn)有救生手環(huán)多處于非智能化狀態(tài)的問題，設(shè)計并研究了一款基于LoRa通信傳輸?shù)闹悄芫壬到y(tǒng)。該系統(tǒng)在手環(huán)上增加了定位裝置及通信設(shè)備，實現(xiàn)了與救生船之間的互聯(lián)，使得佩戴者遇到危險情況時不僅可以手動打開安全氣囊，還可以自動打開救生氣囊并向救生船發(fā)送求救信號和位置信息等。救生船主節(jié)點接收到求救信號后，根據(jù)接收到的位置信息移動船體使之靠近目標(biāo)節(jié)點。這既使得救生手環(huán)實現(xiàn)了智能化和自動化，又進(jìn)一步提高了救援效率。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】