一個多層次防溺水網絡系統的設計

摘要：文章以游泳愛好者預防溺水為目標，以防溺水手表為核心，提出利用防溺水智能手表、物聯網云服務器、泳池物聯網局域網設備等組成一體化防溺水網絡系統。該網絡系統通過監控游泳者的健康狀況，包括心率、脈搏等；同時泳池物聯網局域網利用圖像識別與處理等技術捕捉游泳者的運動狀態，通過人工智能技術判別是否溺水，確定溺水后，通過警告或提醒關聯人員實施營救，從而多層次地為溺水游泳者提高安全保障。

關鍵詞：防溺水智能手表；物聯網云服務器；泳池物聯局域網

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）17-0053-02 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

游泳是一項廣受歡迎的運動，不僅是夏季消暑的方式，還具有鍛煉身體的益處。然而，由于游泳必須在水中進行，意外溺水成為一個重要的公共安全問題。世界衛生組織指出，溺水已經成為全球最大的可預防、被忽視且迫切的公共衛生問題之一。每年全球因溺水而導致超過23.6萬人失去生命[1-2]，其中，中國的溺水死亡人數每年約為5.9萬，平均每天有161人因溺水死亡。尤其令人擔憂的是，未成年人因溺水而死亡的比例正在逐年上升。盡管社會各界和教育部對暑假期間防溺水等安全教育和宣傳工作給予了高度重視，但溺水事件仍時有發生，短短數分鐘就可能造成無法治愈的腦部傷害或直接死亡。大多數溺水身亡事件發生在野泳環境中，這種情況往往缺乏監控設備和措施。因此，對游泳者的防溺水方法、設備等的研究逐漸引起了社會各界的廣泛關注。

1 防溺水系統發展態勢

近年來，隨著物聯網、人工智能等新興技術的發展，利用物聯網技術、人工智能等新興技術應用于預防溺水服務領域成為研究熱點。通過對游泳者的活動情況進行探測，利用人工智能算法、圖像識別和處理等技術對水下捕捉圖像以監測人體進行分析，從而判斷是否溺水。文獻[3]提出一種卷積神經網絡模型的計算機視覺監測系統，系統由溺水監測組件、無人機、危險監測組件等構成。當溺水監測組件監測出溺水者后，發送求救信號給無人機，無人機接收救援命令，根據溺水者的定位坐標實施快速營救；同時，危險監測組件發出報警。文獻[4]提出一種基于人工免疫算法-克隆選擇算法，根據功能需求，設計一種溺水特征識別系統框架和模塊劃分。文獻[5-10]分別利用心跳、血氧飽和度、水壓、水深等各類傳感器和通信機制集成的隨身穿戴設備，包括手環、手表、泳衣、泳帽、背包等，監測水中人體的各項機能指標，一旦監測到異常情況，立刻響起警報以及應急響應相應措施，比如彈出上浮氣囊。

上述研究和應用對于溺水者的輔助自救或他救提供了寶貴的技術支持或參考價值。本文提出了一種以防溺水手表為核心，以泳池物聯網監控網絡、物聯網服務器等設備，構建多層次防溺水網絡系統，以期給予游泳者多層次的安全保障。

2 一個多層次防溺水網絡系統設計

2.1 總體設計

綜合應用防溺水手表、泳池物聯局域網、物聯網云服務器、手機防溺水App等組成多層次防溺水網絡系統。如圖1所示，防溺水手表通過Wi-Fi或Zigbee 等無線網絡技術快速接入泳池物聯局域網的智能網關或無線接入點。游泳者佩戴防溺水智能手表，手表通過傳感器采集游泳者的生理信息數據，若將近臨界值時，手表的報警器及時報警，同時氣體發生器隨時準備釋放氣體并彈出氣囊。當游泳者入水時間超過預設值時，智能手表會自動發送警報信息給云服務器。云服務器對接收到的數據進行分析，根據預設的健康狀態評估算法判斷游泳者的健康狀態。若發現異常情況，云服務器將立即向監控中心或關聯手機發送警報信息。同時，局域網通過布置在游泳池周圍的傳感器實時監測游泳池的水位、水溫、流速等參數，并自動識別游泳者的身份，根據預設的安全規則進行自動監管。

2.2 防溺水手表的設計

防溺水手表是一種集成了多種傳感器的智能設備，可實時監測游泳者的生理信息，包括心率、血氧飽和度、血壓、體溫等。此外，手表還具備入水檢測功能，當檢測到用戶進入水中超過預設時間時，會自動發出警報信息。如圖2所示，手表包括主控芯片（13） 和監測外殼（8） ，其特征在于：主控芯片（13） 分別連接有時間模塊（23） 、壓力感應模塊（24） 和生命體征監測模塊（25） ；時間模塊（23） 連接有顯示器（3） ，壓力感應模塊（24） 連接有水壓監測器（15） ，生命體征監測模塊（25） 連接有PPG傳感器（19） 、LED燈（20） 和溫度傳感器（21） ；壓力感應模塊（24） 和生命體征監測模塊（25） 均連接有報警器（12） ，報警器（12） 連接有氣體發生器（16） 、通訊芯片（22） 和揚聲器（9） ，報警器（12） 連接有手動開啟按鈕（6） 。

該裝置內部分別設置有時間模塊、壓力感應模塊和生命體征監測模塊，3個模塊均通過主控芯片控制，主控芯片采用SSD主控，信息處理速度極高，可以通過其通信模塊和互聯網連接進行數據的收發和判斷，使用時可以對各傳感器采集的數據進行分析判斷，控制各結構的工作狀態，時間模塊連接有顯示器，有利于使用者通過顯示器觀察時間，實現手表基本的功能，壓力感應模塊連接有報警器和水壓監測器，當水壓監測器監測到水壓處于高于10KPa超過一分鐘時，將連通報警器報警，報警器控制氣體發生器工作，釋放氣體，彈出氣囊，增大浮力，保護使用者的安全，氣體發生器內存在固體的疊氮化鈉，這種固體在受到壓力后會迅速生成大量的氮氣，確保氣囊會在0.1秒的時間內膨脹，并且氮氣無毒性，不會對人體造成傷害，氣囊的浮力和氣囊的體積呈正相關，同時，報警器將通過揚聲器播放警報，引起周圍人員注意，通過通訊芯片將信息傳送到報警系統，及時發出求助信息，生命體征監測模塊連接有PPG傳感器、LED燈和溫度傳感器等，通過LED燈發出紅外光和綠光，透過皮膚組織反射回的光被PPG傳感器接收并轉換成電信號再經過AD轉換成數字信號，實現對使用者血壓和脈搏的監測，當使用者的心跳低于60或高于100持續30秒以上時，以及當使用者血壓低于100/60 或高于180/110持續30秒以上時，也將觸發報警器實現報警，保障使用者安全，該手表的各結構組件中間存在縫隙或其他易進水的部位均涂抹有防水密封膠，確保該手表的防水性可以支撐其在水下正常工作。

2.3 泳池物聯局域網

泳池物聯網局域網是一個基于物聯網技術的智能監控系統，可實現對游泳池水域的全方位覆蓋。通過布置在游泳池周圍的多種傳感器，如水位傳感器、水溫傳感器、流速傳感器等，局域網可實時監測游泳池的水位、水溫、流速等參數，確保游泳環境的安全性。此外，局域網還具備人臉識別功能，可自動識別游泳者的身份，并根據預設的安全規則進行自動監管。

2.4 防溺水物聯網服務器

物聯網云服務器是一個集成了大數據分析、云計算和物聯網技術的云端平臺。通過接收防溺水智能手表發送的生理信息數據，云服務器可對數據進行實時分析，并根據預設的算法判斷游泳者的健康狀態。若發現異常情況，云服務器將立即向監控中心或關聯手機發送警報信息。

2.5 智能手機防溺水App

智能手機防溺水App主要由用戶登錄界面、物聯網注冊界面及游泳者監測界面組成。用戶登錄界面主要是便于親屬或監護人快速登錄，同時手機App的安裝者和防溺水手表擁有者在物聯網上注冊并建立親屬關系，手機App端能夠隨時隨地監看游泳者的健康狀態及報警等功能。由于此處篇幅有限，故App的詳細設計、數據庫設計不再贅述。

3 結束語

本文以防溺水手表為核心，提出了一個集防溺水手表、泳池物聯局域網、物聯網云服務器、手機防溺水App于一體的防溺水網絡系統的設想，期望滿足不同環境下，一旦發生溺水現象，系統地自救或警示提示他救。

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【通聯編輯：代影】

基金項目：2022 年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目：智能制造技術實驗教學示范中心（粵教高函〔2023〕4 號）；2022 年省級大學生創新創業項目：一種防溺水手表的設計與開發（S202212622011） ；2022 年校級攀登計劃項目：智能防溺水手表（ZJKJXYPDJHB202211） ；2022 年湛江科技學院“品牌提升計劃”課程思政改革示范項目：網絡工程（PPJHKCSZ-2022301） ；2021 年度湛江科技學院“品牌提升計劃”校級教學團隊項目：網絡系列課程教學團隊（PPJH202102JXTD）