基于GPRS的浴場溺水報警系統設計

應澤光，張海玲，杜葉挺

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

0 引言

浴場的安全運營對社會、對其自身發展都有重要意義。目前，浴場主要依靠救生員觀察的方式來完成安全監管，但救生員的注意力無法長時間保持集中，且浴場范圍較大、人員眾多，不利于觀察，容易導致險情發現不及時，造成人員傷亡事故。隨著近些年物聯網技術在各個產業的應用不斷增加，溺水報警裝置的研究隨之增加，但大多是針對游泳池環境[1]。相比于游泳池，露天浴場的范圍更大、人員更多、環境更復雜，泳池溺水報警裝置無法滿足浴場實際需求。

針對以上問題，本文設計了一種基于GPRS的智能浴場救生系統，通過監測穿戴設備的位置信息、報警信息和通信狀態分析游客狀態。當設備信息異常的時會發出警報，協助浴場救生員及時發現險情并快速鎖定險情位置，提高救生效率。

1 浴場救生系統總體設計

本系統包括溺水報警穿戴設備和上位機。考慮到部分露天浴場規模較大，用戶身上的穿戴設備與監控中心的上位機距離較遠，穿戴設備與上位機采用GPRS通信。穿戴設備采用頭戴式結構，裝載在泳帽前端。當游客頭部在水面上時，穿戴設備接收北斗/GPS雙模定位數據，并定時向上位機上傳位置等設備相關信息。上位機接收到穿戴設備的數據后進行分析，對游客安全做出判斷。若設備信息及位置信息正常，則對該設備進行安全標注；若位置信息異常或含手動報警信息，系統做報警處理。當游客頭部在水下時，穿戴設備的數據無法順利上傳至上位機。當一定時間未接收到某個穿戴設備的數據，上位機將做失聯報警處理，通知浴場救援人員實施救援，并在地圖上最后一次接收到該設備的位置做警告標注。

2 穿戴設備設計

系統穿戴設備由主控模塊、GPRS通信模塊、北斗/GPS雙模定位模塊、手動報警模塊和電源模塊等構成，其硬件基本構成如圖1所示。

圖1 穿戴設備硬件結構

2.1 主控模塊

穿戴設備的設計中，主控芯片需滿足尺寸小、功耗低、可靠性高等要求。為了滿足穿戴設備系統需求，控制設備生產成本，本系統設計過程中主控芯片選用國產超低功耗芯片HC32L136K8TA。

HC32L136系列是一款旨在延長便攜式測量系統的電池使用壽命的超低功耗、寬電壓工作范圍的微處理器。該芯片支持1.8～5.5 V的寬供電范圍，擁有12位1 Msps高精度SARADC，內置多個高性能PWM定時器、集成了多路UART，I2C，SPI等豐富的通信接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性和超低功耗的特點，適用于本系統穿戴設備。

2.2 GPRS通信模塊

GPRS通信具有通信距離遠、數據傳輸速度快、開發成本低等優勢[2]。本系統選擇GPRS通信作為信息傳輸方式。從開發成本、尺寸大小考慮，系統GPRS通信選用了SIM800A模塊。SIM800A模塊的工作電壓范圍為3.4～4.4 V，可直接用3.7 V電池給模塊供電。該模塊具有體積小、性能穩定、性價比高等優勢，適用于緊湊型物聯網產品。

2.3 北斗/GPS雙模定位模塊

依據救援定位精度需求和穿戴設備尺寸需求，本系統選用ATGM332D 5N-31模塊采集設備位置信息。ATGM332D 5N-31模塊的核心為AT6558芯片，支持北斗或GPS衛星導航系統的單系統定位，也支持北斗/GPS雙模定位，定位精度2.5 m內，能夠滿足救援要求，具有高靈敏度、低功耗、低成本、體積小等優勢。

在ATGM332D 5N-31模塊使用中，為了保證定位精度和定位覆蓋范圍，同時打開BDS和GPS定位。為了降低主控芯片的性能負擔，設置ATGM332D 5N-31模塊僅輸出RMC定位信息，包括GNRMC，BDRMC，GPRMC。其中，GNRMC為北斗/GPS雙模定位信息，BDRMC為北斗定位信息，GPRMC為GPS定位信息。一般浴場地形開闊，定位模塊可輸出雙模定位消息。若僅接收到有效的北斗信號，定位模塊輸出BDRMC消息；若僅接收到有效的GPS信號，定位模塊輸出GPRMC消息。

2.4 手動報警模塊

常見的溺水報警裝置主要利用被動報警的方式。當檢測到身體數據異常時，報警裝置自動發出求救信號，此時溺水者已處于危險階段，容易導致救援不及時。因此，本系統設計了手動報警單元，在頭戴式穿戴設備上設置一個報警按鈕。當游客感覺自身狀態不佳、面臨危險或發現身旁有人陷入險境時，可通過手動報警單元主動發起報警。

2.5 電源模塊

穿戴設備中的電池需滿足尺寸小、容量大、可充電、安全可靠等要求。參考當前智能穿戴設備，本系統的設計中選用3.7 V的高性能聚合物電池進行供電，滿足長時間可靠安全使用的要求。穿戴設備每工作半小時，主控芯片對電池電量進行檢測，當電量較低時，向上位機上傳電量信息提示工作人員及時充電。

3 系統軟件設計

3.1 系統報警設計

系統報警分為自動報警與手動報警。自動報警是上位機將穿戴設備的數據與對應的報警門限數據進行比較，當設備數據超過門限時，系統進入報警狀態，主要有越界自動報警和失聯自動報警。手動報警是游客手動觸發穿戴設備上的手動報警單元后，穿戴設備將報警信號上傳至上位機，直接觸發報警。浴場救生系統報警及復位條件，如表1所示。當達到報警條件時觸發聲光報警，滿足復位條件時取消報警。

表1 系統報警及復位條件

在實際浴場中，作為安全邊界的浮式圍欄在風浪影響下會小幅波動。在實際安全邊界2 m內可視為安全緩沖帶。在上位機中將地圖中的安全邊界2 m范圍內的穿戴設備設定為預警關注狀態，超出安全邊界2 m即為越界狀態。當設備位置回到安全范圍內時，報警自動復位，也可在上位機手動復位。

一般人水中屏氣時長在60 s內，若保持運動狀態，則潛水時間更短[3]。為了確保游客的安全，系統設計超過60 s未接收到設備位置更新時觸發失聯報警，若失聯報警10 s內接收到設備位置更新則報警復位。其他報警情況需在上位機手動復位。

3.2 穿戴設備軟件設計

穿戴設備軟件開發環境為Keil MDK，溺水報警穿戴設備軟件工作流程，如圖2所示。

圖2 溺水報警穿戴設備軟件工作流程

設備開始運行后，MCU先初始化，然后對各子模塊初始化配置。當MCU接收到定位模塊的定位數據后，進行數據解析，并更新實時位置信息。每過一個位置發送周期時間，位置發送定時器觸發中斷函數，穿戴設備GPRS通信模塊與上位機的服務器建立TCP/IP連接，并向上位機上傳設備信息。完成數據上傳任務后，MCU繼續接收并處理定位數據，等待中斷信號。由于浴場中穿戴設備數量較多，為了防止通信信息阻塞，位置發送定時器定時時長設置為2 s。

當電量檢測定時中斷觸發，MCU進行電池電量檢測，并在接下來60 s內向上位機發送位置信息時一起打包電量信息。當手動報警時，外部中斷觸發主動報警函數，穿戴設備每隔1 s向上位機發送報警信息，持續上傳60 s，確保報警信息及時反饋至上位機。若由于設備處于水下環境等原因，60 s未能正常上傳設備信息，溺水報警系統則會觸發失聯報警。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件在Windows環境下開發運行，為確保系統所設計的上位機軟件具備跨平臺、可移植的特性，利用Qt平臺進行上位機軟件的開發[4]。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架，有豐富的API，易做擴展開發，適合開發含地圖界面的上位機軟件[5]。

上位機浴場監測系統作為TCP服務器端，接收溺水報警穿戴設備客戶端的連接請求，建立連接后接收穿戴設備上傳的數據。接收到穿戴設備的數據后，對數據進行解析，并更新數據庫中的信息，數據庫通過SQLite數據庫實現。SQLite數據庫具有運行快速、操作方便、管理簡單、穩定性高、可移植性強等優勢，并且可多線程安全訪問，不需要單獨的服務器進程或操作的系統，能夠滿足上位機軟件的應用需求。

通過Qt與JavaScript交互的方式調用百度地圖API，在地圖中顯示浴場運行實時情況。由于浴場內地圖環境相對穩定，可以下載離線地圖，方便系統的使用。當地圖比例尺較大時，狀態正常的游客用水滴狀圖標標識，狀態異常的游客用紅色嘆號形狀的圖標標識；當地圖比例尺較小時，僅顯示狀態異常的游客。

4 結語

本文設計了一種基于GPRS的浴場溺水報警系統，由溺水報警穿戴設備和上位機組成。穿戴設備以超低功耗芯片HC32L136K8TA作為主控芯片，通過GPRS上傳設備的位置與狀態信息。系統設計有越界自動報警、失聯自動報警、手動報警等3種報警模式。上位機軟件在Qt平臺開發，并集成百度地圖API，顯示浴場實況地圖及報警信息。本系統設計可以實現異常報警，輔助指揮救援，降低浴場安全管理的難度，提升浴場運營的安全性。