一个多层次防溺水网络系统的设计

摘要：文章以游泳爱好者预防溺水为目标，以防溺水手表为核心，提出利用防溺水智能手表、物联网云服务器、泳池物联网局域网设备等组成一体化防溺水网络系统。该网络系统通过监控游泳者的健康状况，包括心率、脉搏等；同时泳池物联网局域网利用图像识别与处理等技术捕捉游泳者的运动状态，通过人工智能技术判别是否溺水，确定溺水后，通过警告或提醒关联人员实施营救，从而多层次地为溺水游泳者提高安全保障。

关键词：防溺水智能手表；物联网云服务器；泳池物联局域网

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）17-0053-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

游泳是一项广受欢迎的运动，不仅是夏季消暑的方式，还具有锻炼身体的益处。然而，由于游泳必须在水中进行，意外溺水成为一个重要的公共安全问题。世界卫生组织指出，溺水已经成为全球最大的可预防、被忽视且迫切的公共卫生问题之一。每年全球因溺水而导致超过23.6万人失去生命[1-2]，其中，中国的溺水死亡人数每年约为5.9万，平均每天有161人因溺水死亡。尤其令人担忧的是，未成年人因溺水而死亡的比例正在逐年上升。尽管社会各界和教育部对暑假期间防溺水等安全教育和宣传工作给予了高度重视，但溺水事件仍时有发生，短短数分钟就可能造成无法治愈的脑部伤害或直接死亡。大多数溺水身亡事件发生在野泳环境中，这种情况往往缺乏监控设备和措施。因此，对游泳者的防溺水方法、设备等的研究逐渐引起了社会各界的广泛关注。

1 防溺水系统发展态势

近年来，随着物联网、人工智能等新兴技术的发展，利用物联网技术、人工智能等新兴技术应用于预防溺水服务领域成为研究热点。通过对游泳者的活动情况进行探测，利用人工智能算法、图像识别和处理等技术对水下捕捉图像以监测人体进行分析，从而判断是否溺水。文献[3]提出一种卷积神经网络模型的计算机视觉监测系统，系统由溺水监测组件、无人机、危险监测组件等构成。当溺水监测组件监测出溺水者后，发送求救信号给无人机，无人机接收救援命令，根据溺水者的定位坐标实施快速营救；同时，危险监测组件发出报警。文献[4]提出一种基于人工免疫算法-克隆选择算法，根据功能需求，设计一种溺水特征识别系统框架和模块划分。文献[5-10]分别利用心跳、血氧饱和度、水压、水深等各类传感器和通信机制集成的随身穿戴设备，包括手环、手表、泳衣、泳帽、背包等，监测水中人体的各项机能指标，一旦监测到异常情况，立刻响起警报以及应急响应相应措施，比如弹出上浮气囊。

上述研究和应用对于溺水者的辅助自救或他救提供了宝贵的技术支持或参考价值。本文提出了一种以防溺水手表为核心，以泳池物联网监控网络、物联网服务器等设备，构建多层次防溺水网络系统，以期给予游泳者多层次的安全保障。

2 一个多层次防溺水网络系统设计

2.1 总体设计

综合应用防溺水手表、泳池物联局域网、物联网云服务器、手机防溺水App等组成多层次防溺水网络系统。如图1所示，防溺水手表通过Wi-Fi或Zigbee 等无线网络技术快速接入泳池物联局域网的智能网关或无线接入点。游泳者佩戴防溺水智能手表，手表通过传感器采集游泳者的生理信息数据，若将近临界值时，手表的报警器及时报警，同时气体发生器随时准备释放气体并弹出气囊。当游泳者入水时间超过预设值时，智能手表会自动发送警报信息给云服务器。云服务器对接收到的数据进行分析，根据预设的健康状态评估算法判断游泳者的健康状态。若发现异常情况，云服务器将立即向监控中心或关联手机发送警报信息。同时，局域网通过布置在游泳池周围的传感器实时监测游泳池的水位、水温、流速等参数，并自动识别游泳者的身份，根据预设的安全规则进行自动监管。

2.2 防溺水手表的设计

防溺水手表是一种集成了多种传感器的智能设备，可实时监测游泳者的生理信息，包括心率、血氧饱和度、血压、体温等。此外，手表还具备入水检测功能，当检测到用户进入水中超过预设时间时，会自动发出警报信息。如图2所示，手表包括主控芯片（13） 和监测外壳（8） ，其特征在于：主控芯片（13） 分别连接有时间模块（23） 、压力感应模块（24） 和生命体征监测模块（25） ；时间模块（23） 连接有显示器（3） ，压力感应模块（24） 连接有水压监测器（15） ，生命体征监测模块（25） 连接有PPG传感器（19） 、LED灯（20） 和温度传感器（21） ；压力感应模块（24） 和生命体征监测模块（25） 均连接有报警器（12） ，报警器（12） 连接有气体发生器（16） 、通讯芯片（22） 和扬声器（9） ，报警器（12） 连接有手动开启按钮（6） 。

该装置内部分别设置有时间模块、压力感应模块和生命体征监测模块，3个模块均通过主控芯片控制，主控芯片采用SSD主控，信息处理速度极高，可以通过其通信模块和互联网连接进行数据的收发和判断，使用时可以对各传感器采集的数据进行分析判断，控制各结构的工作状态，时间模块连接有显示器，有利于使用者通过显示器观察时间，实现手表基本的功能，压力感应模块连接有报警器和水压监测器，当水压监测器监测到水压处于高于10KPa超过一分钟时，将连通报警器报警，报警器控制气体发生器工作，释放气体，弹出气囊，增大浮力，保护使用者的安全，气体发生器内存在固体的叠氮化钠，这种固体在受到压力后会迅速生成大量的氮气，确保气囊会在0.1秒的时间内膨胀，并且氮气无毒性，不会对人体造成伤害，气囊的浮力和气囊的体积呈正相关，同时，报警器将通过扬声器播放警报，引起周围人员注意，通过通讯芯片将信息传送到报警系统，及时发出求助信息，生命体征监测模块连接有PPG传感器、LED灯和温度传感器等，通过LED灯发出红外光和绿光，透过皮肤组织反射回的光被PPG传感器接收并转换成电信号再经过AD转换成数字信号，实现对使用者血压和脉搏的监测，当使用者的心跳低于60或高于100持续30秒以上时，以及当使用者血压低于100/60 或高于180/110持续30秒以上时，也将触发报警器实现报警，保障使用者安全，该手表的各结构组件中间存在缝隙或其他易进水的部位均涂抹有防水密封胶，确保该手表的防水性可以支撑其在水下正常工作。

2.3 泳池物联局域网

泳池物联网局域网是一个基于物联网技术的智能监控系统，可实现对游泳池水域的全方位覆盖。通过布置在游泳池周围的多种传感器，如水位传感器、水温传感器、流速传感器等，局域网可实时监测游泳池的水位、水温、流速等参数，确保游泳环境的安全性。此外，局域网还具备人脸识别功能，可自动识别游泳者的身份，并根据预设的安全规则进行自动监管。

2.4 防溺水物联网服务器

物联网云服务器是一个集成了大数据分析、云计算和物联网技术的云端平台。通过接收防溺水智能手表发送的生理信息数据，云服务器可对数据进行实时分析，并根据预设的算法判断游泳者的健康状态。若发现异常情况，云服务器将立即向监控中心或关联手机发送警报信息。

2.5 智能手机防溺水App

智能手机防溺水App主要由用户登录界面、物联网注册界面及游泳者监测界面组成。用户登录界面主要是便于亲属或监护人快速登录，同时手机App的安装者和防溺水手表拥有者在物联网上注册并建立亲属关系，手机App端能够随时随地监看游泳者的健康状态及报警等功能。由于此处篇幅有限，故App的详细设计、数据库设计不再赘述。

3 结束语

本文以防溺水手表为核心，提出了一个集防溺水手表、泳池物联局域网、物联网云服务器、手机防溺水App于一体的防溺水网络系统的设想，期望满足不同环境下，一旦发生溺水现象，系统地自救或警示提示他救。

参考文献：

[1] 世界卫生组织. 溺水[EB/OL].（2021-04-27） [2022-10-24].https：//www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/drowning.

[2] Royal Life Saving. Royal Life Saving National Drowning Report2022[R].Sydney Australia：Royal Life Saving，2022.

[3] HANDALAGE U，NIKAPOTHA N，SUBASINGHE C，et al.Com⁃puter vision enabled drowning detection system[C]//2021 3rdInternational Conference on Advancements in Computing（ICAC）.Colombo，Sri Lanka.IEEE，2021：240-245.

[4] 郭长生，龚涛，范甜甜，等.基于人工免疫的溺水特征识别系统[J].电子科技，2014，27（7）：171-176.

[5] 鄢晓曦，冯弘禄，张晨旭.Android可穿戴防溺水报警系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（25）：195-196.

[6] 倪佳妍，穆红，沈加彬，等.一种可拆卸多功能充气服装的设计[J].江苏丝绸，2022，51（6）：48-53.

[7] 张晶.防溺水微控制系统的设计[J].晋中学院学报，2017，34（3）：85-87.

[8] 霍君力，杨乔云，肖美妍等.防溺水自动报警充气泳帽[C]//中国通信学会，华为技术有限公司，中兴通讯股份有限公司.物联网与无线通信-2017 年全国物联网技术与应用大会和2017年全国无线电应用与管理学术会议论文集.中国工信出版集团，2017.

[9] 张以涵，罗磊，王学忠.防溺水游泳圈的设计[J].电脑知识与技术，2018，14（29）：254-256，258.

[10] 邱睿，闻宇欣，张鹏，等.基于单片机的智能防溺水背心[J].电动工具，2019（3）：7-10.

【通联编辑：代影】

基金项目：2022 年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目：智能制造技术实验教学示范中心（粤教高函〔2023〕4 号）；2022 年省级大学生创新创业项目：一种防溺水手表的设计与开发（S202212622011） ；2022 年校级攀登计划项目：智能防溺水手表（ZJKJXYPDJHB202211） ；2022 年湛江科技学院“品牌提升计划”课程思政改革示范项目：网络工程（PPJHKCSZ-2022301） ；2021 年度湛江科技学院“品牌提升计划”校级教学团队项目：网络系列课程教学团队（PPJH202102JXTD）