Android可穿戴防溺水报警系统的设计与实现

鄢晓曦 冯弘禄 张晨旭

摘要：针对高发的溺水事件问题，本研究基于Android系统，采用低功耗蓝牙无线通信技术，设计开发一种可穿戴便携式的防溺水报警系统。运行在Android移动设备的APP通过与游泳者穿戴的蓝牙设备之间的无线通信，对游泳者的溺水事件及游泳距离进行监测与报警，可以有效地避免因监护者一时分心而造成的溺水意外。

关键词：Android;低功耗蓝牙;可穿戴;防溺水;报警系统

中图分类号：TP391文献标识码：A

文章编号：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

据我国卫生部门统计，全国每年约有5.7万人死于溺水，每年因溺水意外死亡的人数仅次于交通事故，发生溺水的人群中，1-4岁儿童因溺水死亡的就占34.2/10万，小学生溺水死亡人数占溺水死亡学生人数68.2%。因此，溺水已成为危害青少年与儿童生命健康的一大杀手[1]。

溺水发生的场景，除了户外水域（如水塘、河流、湖泊或海边），也有发生在室内游泳池。甚至在有陪护人看管的情况下，也存在由于陪护人一时分心失察而发生溺水事件。

青少年及儿童之所以溺水及溺水死亡率如此之高，其主要原因在于：溺水往往难以被及时发现。溺水往往是无声的，特别是儿童或青少年，在溺水发生时，往往不能主动呼救。即使有看护人，如果溺水发生时，看护人刚好由于注意力转移，没有注意到溺水的发生，仍难以避免溺水的发生。溺水后有效救援的时间短暂。一旦溺水发生后，溺水救援的最佳黄金时间是4分钟之内，对于儿童，这一时间将急剧缩短，看护者一时的分神就会带来很大的安全隐患。溺水急救知识欠缺，导致不能及时施救。一般人可能由于不具备专业的溺水救援知识，对于溺水者，不敢及时施救，可等到120急救医护人员到来，可能会错过急救的黄金时间，这也成为救援不力的一个重要因素。游泳安全意识不强。游泳安全意识不强，也是导致溺水事故的重要因素。对于青少年、儿童以及家长都需要加强游泳的安全教育。

针对游泳安全及溺水事件发生的特点，我们基于Android系统，采用低功耗蓝牙技术，设计、实现一套可穿戴的防溺水监测报警系统。

2低功耗蓝牙技术及Android系统对其的支持

蓝牙技术是一种使用2.4Ghz ISM波段的无线通信技术。可方便地实现固定设备、移动设备和楼宇个人区域网之间的无线数据交换[2]。2000年推出蓝牙4.0，开始支持低功耗蓝牙技术，与经典蓝牙相比，功耗小（只有经典蓝牙的10%），传输距离远（可达到100米），响应速度快。2016年，推出了蓝牙5.0，提高了低功耗蓝牙的性能，有效传输距离可达300米[3]。2019年，推出的蓝牙5.1，支持定位与测向功能，传输距离更远。一些商业蓝牙芯片传输距离可达500到600米，有一些甚至更远。

Android 4.3开始引入了低功耗蓝牙，为低功耗蓝牙的核心功能提供平台支持和API，App可以利用它来发现设备、查询服务和读写特性。Android 5.0专门构建了一个android.bluetooth.le包来加强对低功耗蓝牙支持，全面地提升了对Bluetooth BLE的支持[4-5]。

3 Android低功耗蓝牙防溺水监测报警系统

3.1 蓝牙防溺水监测报警的原理

水分子的振动频率为2.4GHz，蓝牙无线通信工作频率也是2.4GHz，蓝牙无线信号通信会受到水干扰，难以穿透水体通信。利用这个特点，我们将蓝牙设备嵌入到头圈、泳镜、泳帽等装备上，当蓝牙设备没于水面之下时，监测设备（手机）一般难以监测到其发出的信号，以此作为监测与判断是否溺水的依据。

另外，蓝牙信号强度会随传输距离的增长而变弱，手机端可以根据收到蓝牙信息的强度，计算手机与蓝牙设备之间的距离，当二者的距离超过设定值时，进行报警。

3.2 可穿戴的防溺水报警监测器

Android低功耗藍牙防溺水监测报警系统由两部分组成：可穿戴的低功耗蓝牙防溺水监测器和基于Android的监测报警APP。

可穿戴的低功耗蓝牙防溺水监测器，主要由低功耗蓝牙芯片、晶振、电源、射频等组成。

低功耗蓝牙连接的建立及超时。低功耗蓝牙支持面向连接的异步通信链路，与连接相关的有三个关键参数：连接间隔（Interval）、从设备连接延迟（Slave Latency）和连接超时（Timeout）。连接间隔为连接建立后，周期性的通信时间。从设备延迟是指从设备可以连续跳过不响应主设备连接事件的个数，这样可以降低功耗，节省能源。Android系统中默认的参数值并不适合于防溺水的监测，但Android系统中，没有提供相应设置连接参数的API，我们在从设备一端设置相应的连接参数，并开启自动更新参数，通过从设备来更新手机端的连接参数，以更符合本项目的需要。

3.3基于Android的监测报警APP的功能设计及實现

防溺水监测报警APP由设备模块、防溺水监测与报警、距离监测与报警、信息服务模块、设置模块等组成。

（1）设备模块

设备模块主要实现蓝牙设备的扫描、连接与断开。此模块首先判断本当前系统是否支持低功耗蓝牙，如果不支持蓝牙设备，则退出软件。如果支持低功耗蓝牙但蓝牙功能没有开启的话，可请求用户授权开启本地蓝牙功能。然后通过BluetoothManager获取BluetoothAdapter，通过BluetoothAdapter的startSacn（ LeScanCallback）的方法开始扫描设备，通过其回调方法得到扫描到的蓝牙设备及其相关信息，如设备名称、MAC地址、RSSI等。用户选择蓝牙设备与之建立连接，并得到BluetoothGatt对象。

建立连接后，接收从设备的连接参数更新，更新连接参数。然后，按照设定的连接参数进行周期性的联系。设备连接及其周期性联系由一个单独的后台线程来进行。这个线程一直维持到监测结束程序退出，或者用户手动断开连接。

（2）监测报警模块

监测报警模块主要根据手机端与监测器端的通信情况及信号强度，如果发现满足了设定的阈值，则进行报警处理。

防溺水主要是通过蓝牙信号不能透过水体传播的特性，蓝牙通信在建立连接后，会连接间隔乘以1.25ms为时间单位，周期性地进行通信保持连接，从设备应在规定的时间内容进行回答（假设从设备延迟为n，那么，第n+1个连接通信必须回复）。我们对连接进行情况进行监测，当发现连接出现超时，立即进行溺水报警。

无线信号强度（RSSI）是蓝牙通信中的一个重要参数，RSSI可以在通信的回调接口获得，并且通过RSSI进行距离估算。计算公式如下：

[d=10RSSI-A10×n]

其中，d是计算距离;RSSI是信号强度，因为RSSI是负数，所以取其绝对值;A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n是环境衰减因子。

为避免由于环境因素造成信号强度波动，从而使得测出的距离也出现较大的跳动，我们对RSSI进行平均值滤波来提高测量精度，设置一个数组用来存放获取的RSSI，对最近10次得到的RSSI求平均值，并以此平均值来计算距离。

（3）信息服务模块与设置模块

信息服务模块包括游泳教学、游泳安全与急救知识、法律法规以及新闻通知等内容，这些内容通过网络在线提供服务。游泳教学，通过在线提供各种泳姿的游泳教学视频，进行游泳教学指导。游泳安全与急救知识，在线提供游泳安全防护知识，以及对发生溺水者紧急救护的操作知识，提升游泳自救以及水上救助他人的能力。通过宣传相关法规及信息通知，加强用户的安全意识。

设置模块，主要进行报警距离、报警铃声等设置。支持用户自定义报警距离，报警的铃声。

4 结语

本项目利用蓝牙信号难以透过水体传播的特性，对游泳者的溺水事件进行监测，并以此基于Android系统设计防溺水监测报警系统，此监测报警除了提供防溺水监测报警之外，还根据蓝牙信号的信号强度RSSI，对监护人与游泳者之间的距离进行监测报警;通过此系统还提供在线游泳教学、游泳安全及急救操作的普及性教学、政策法规及通知等信息服务。

基于Android系统的可穿戴低功耗蓝牙防溺水监测报警系统，利用低功耗蓝牙已成为标配的Android手机作为监测报警的主控端，避免专门定制主控端，节省了成本，方便用户使用。本监测报警系统，可以有效地对游泳者，特别是青少年与儿童，游泳安全进行监测，能够及时发现溺水事件并报警，避免因为监护者疏忽而导致的溺水事件的发生，有利于保护游泳者（特别是青少年与儿童）生命健康。另外，本项目成果通过游泳教学、游泳安全及急救操作普及教学，可以提升游泳者的游泳技能，加强安全意识，增强急救能力。

参考文献：

[1] 张世超，翟波宇，陈平.游泳安全进校园课程的教法及效果反思[J]. 科学咨询（教育科研），2019-12：47.

[2] Jason Marcel. 蓝牙新兴市场趋预测[J].单片机与嵌入式系统应用， 2019，19（10）：92.

[3] 黄东香，孙华. 为物联网而来的蓝牙5.0[J]. 西部皮革， 2018， 40（22）：39.

[4] 张义红，李永乐，郝矿荣，韦方. Android物联网创新型实验研究与应用[J]. 实验室研究与探索，2018， 37（1）：22-24.

[5] 万燕，李丽丽. 基于Android与BLE的蓝牙通信系统的实现[J]. 科技创新与应用， 2018（16）：15-17.

【通联编辑：王力】