基于GPRS的浴场溺水报警系统设计

应泽光，张海玲，杜叶挺

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

0 引言

浴场的安全运营对社会、对其自身发展都有重要意义。目前，浴场主要依靠救生员观察的方式来完成安全监管，但救生员的注意力无法长时间保持集中，且浴场范围较大、人员众多，不利于观察，容易导致险情发现不及时，造成人员伤亡事故。随着近些年物联网技术在各个产业的应用不断增加，溺水报警装置的研究随之增加，但大多是针对游泳池环境[1]。相比于游泳池，露天浴场的范围更大、人员更多、环境更复杂，泳池溺水报警装置无法满足浴场实际需求。

针对以上问题，本文设计了一种基于GPRS的智能浴场救生系统，通过监测穿戴设备的位置信息、报警信息和通信状态分析游客状态。当设备信息异常的时会发出警报，协助浴场救生员及时发现险情并快速锁定险情位置，提高救生效率。

1 浴场救生系统总体设计

本系统包括溺水报警穿戴设备和上位机。考虑到部分露天浴场规模较大，用户身上的穿戴设备与监控中心的上位机距离较远，穿戴设备与上位机采用GPRS通信。穿戴设备采用头戴式结构，装载在泳帽前端。当游客头部在水面上时，穿戴设备接收北斗/GPS双模定位数据，并定时向上位机上传位置等设备相关信息。上位机接收到穿戴设备的数据后进行分析，对游客安全做出判断。若设备信息及位置信息正常，则对该设备进行安全标注；若位置信息异常或含手动报警信息，系统做报警处理。当游客头部在水下时，穿戴设备的数据无法顺利上传至上位机。当一定时间未接收到某个穿戴设备的数据，上位机将做失联报警处理，通知浴场救援人员实施救援，并在地图上最后一次接收到该设备的位置做警告标注。

2 穿戴设备设计

系统穿戴设备由主控模块、GPRS通信模块、北斗/GPS双模定位模块、手动报警模块和电源模块等构成，其硬件基本构成如图1所示。

图1 穿戴设备硬件结构

2.1 主控模块

穿戴设备的设计中，主控芯片需满足尺寸小、功耗低、可靠性高等要求。为了满足穿戴设备系统需求，控制设备生产成本，本系统设计过程中主控芯片选用国产超低功耗芯片HC32L136K8TA。

HC32L136系列是一款旨在延长便携式测量系统的电池使用寿命的超低功耗、宽电压工作范围的微处理器。该芯片支持1.8～5.5 V的宽供电范围，拥有12位1 Msps高精度SARADC，内置多个高性能PWM定时器、集成了多路UART，I2C，SPI等丰富的通信接口，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗的特点，适用于本系统穿戴设备。

2.2 GPRS通信模块

GPRS通信具有通信距离远、数据传输速度快、开发成本低等优势[2]。本系统选择GPRS通信作为信息传输方式。从开发成本、尺寸大小考虑，系统GPRS通信选用了SIM800A模块。SIM800A模块的工作电压范围为3.4～4.4 V，可直接用3.7 V电池给模块供电。该模块具有体积小、性能稳定、性价比高等优势，适用于紧凑型物联网产品。

2.3 北斗/GPS双模定位模块

依据救援定位精度需求和穿戴设备尺寸需求，本系统选用ATGM332D 5N-31模块采集设备位置信息。ATGM332D 5N-31模块的核心为AT6558芯片，支持北斗或GPS卫星导航系统的单系统定位，也支持北斗/GPS双模定位，定位精度2.5 m内，能够满足救援要求，具有高灵敏度、低功耗、低成本、体积小等优势。

在ATGM332D 5N-31模块使用中，为了保证定位精度和定位覆盖范围，同时打开BDS和GPS定位。为了降低主控芯片的性能负担，设置ATGM332D 5N-31模块仅输出RMC定位信息，包括GNRMC，BDRMC，GPRMC。其中，GNRMC为北斗/GPS双模定位信息，BDRMC为北斗定位信息，GPRMC为GPS定位信息。一般浴场地形开阔，定位模块可输出双模定位消息。若仅接收到有效的北斗信号，定位模块输出BDRMC消息；若仅接收到有效的GPS信号，定位模块输出GPRMC消息。

2.4 手动报警模块

常见的溺水报警装置主要利用被动报警的方式。当检测到身体数据异常时，报警装置自动发出求救信号，此时溺水者已处于危险阶段，容易导致救援不及时。因此，本系统设计了手动报警单元，在头戴式穿戴设备上设置一个报警按钮。当游客感觉自身状态不佳、面临危险或发现身旁有人陷入险境时，可通过手动报警单元主动发起报警。

2.5 电源模块

穿戴设备中的电池需满足尺寸小、容量大、可充电、安全可靠等要求。参考当前智能穿戴设备，本系统的设计中选用3.7 V的高性能聚合物电池进行供电，满足长时间可靠安全使用的要求。穿戴设备每工作半小时，主控芯片对电池电量进行检测，当电量较低时，向上位机上传电量信息提示工作人员及时充电。

3 系统软件设计

3.1 系统报警设计

系统报警分为自动报警与手动报警。自动报警是上位机将穿戴设备的数据与对应的报警门限数据进行比较，当设备数据超过门限时，系统进入报警状态，主要有越界自动报警和失联自动报警。手动报警是游客手动触发穿戴设备上的手动报警单元后，穿戴设备将报警信号上传至上位机，直接触发报警。浴场救生系统报警及复位条件，如表1所示。当达到报警条件时触发声光报警，满足复位条件时取消报警。

表1 系统报警及复位条件

在实际浴场中，作为安全边界的浮式围栏在风浪影响下会小幅波动。在实际安全边界2 m内可视为安全缓冲带。在上位机中将地图中的安全边界2 m范围内的穿戴设备设定为预警关注状态，超出安全边界2 m即为越界状态。当设备位置回到安全范围内时，报警自动复位，也可在上位机手动复位。

一般人水中屏气时长在60 s内，若保持运动状态，则潜水时间更短[3]。为了确保游客的安全，系统设计超过60 s未接收到设备位置更新时触发失联报警，若失联报警10 s内接收到设备位置更新则报警复位。其他报警情况需在上位机手动复位。

3.2 穿戴设备软件设计

穿戴设备软件开发环境为Keil MDK，溺水报警穿戴设备软件工作流程，如图2所示。

图2 溺水报警穿戴设备软件工作流程

设备开始运行后，MCU先初始化，然后对各子模块初始化配置。当MCU接收到定位模块的定位数据后，进行数据解析，并更新实时位置信息。每过一个位置发送周期时间，位置发送定时器触发中断函数，穿戴设备GPRS通信模块与上位机的服务器建立TCP/IP连接，并向上位机上传设备信息。完成数据上传任务后，MCU继续接收并处理定位数据，等待中断信号。由于浴场中穿戴设备数量较多，为了防止通信信息阻塞，位置发送定时器定时时长设置为2 s。

当电量检测定时中断触发，MCU进行电池电量检测，并在接下来60 s内向上位机发送位置信息时一起打包电量信息。当手动报警时，外部中断触发主动报警函数，穿戴设备每隔1 s向上位机发送报警信息，持续上传60 s，确保报警信息及时反馈至上位机。若由于设备处于水下环境等原因，60 s未能正常上传设备信息，溺水报警系统则会触发失联报警。

3.3 上位机软件设计

上位机软件在Windows环境下开发运行，为确保系统所设计的上位机软件具备跨平台、可移植的特性，利用Qt平台进行上位机软件的开发[4]。Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，有丰富的API，易做扩展开发，适合开发含地图界面的上位机软件[5]。

上位机浴场监测系统作为TCP服务器端，接收溺水报警穿戴设备客户端的连接请求，建立连接后接收穿戴设备上传的数据。接收到穿戴设备的数据后，对数据进行解析，并更新数据库中的信息，数据库通过SQLite数据库实现。SQLite数据库具有运行快速、操作方便、管理简单、稳定性高、可移植性强等优势，并且可多线程安全访问，不需要单独的服务器进程或操作的系统，能够满足上位机软件的应用需求。

通过Qt与JavaScript交互的方式调用百度地图API，在地图中显示浴场运行实时情况。由于浴场内地图环境相对稳定，可以下载离线地图，方便系统的使用。当地图比例尺较大时，状态正常的游客用水滴状图标标识，状态异常的游客用红色叹号形状的图标标识；当地图比例尺较小时，仅显示状态异常的游客。

4 结语

本文设计了一种基于GPRS的浴场溺水报警系统，由溺水报警穿戴设备和上位机组成。穿戴设备以超低功耗芯片HC32L136K8TA作为主控芯片，通过GPRS上传设备的位置与状态信息。系统设计有越界自动报警、失联自动报警、手动报警等3种报警模式。上位机软件在Qt平台开发，并集成百度地图API，显示浴场实况地图及报警信息。本系统设计可以实现异常报警，辅助指挥救援，降低浴场安全管理的难度，提升浴场运营的安全性。