基于ZigBee的物聯網泳池報警系統設計

摘 要：針對室內泳池中溺水事故發生時如何快速找到溺水者并通知救生員營救的問題，設計了一種基于ZigBee的物聯網泳池報警系統。系統的用戶端實現對游泳者周圍環境和生理信息的采集，通過ZigBee技術搭建通信網絡，將傳感器采集整合后的數據進行傳輸；搭建OneNET云平臺，通過ESP8266模塊將協調器中的數據轉換傳輸至云平臺，對各游泳者的狀態進行時刻監測與管理。系統將游泳者、救援室、后臺管理監測集于一體，從而達到縮短溺水事故發現時間，為游泳者生命安全提供有力保障的目的。

關鍵詞：泳池報警；安全監測；物聯網；ZigBee技術；OneNET；ESP8266

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-000-04

0 引 言

近年來，游泳運動逐漸成為最受歡迎的運動之一，參與人數眾多，但隨著游泳運動人數的增加，泳池溺水事故發生率也在逐年上升。傳統救生員人力管理模式很難對突發溺水事件做出及時反應[1-2]。因此如何在溺水發生時，快速找到溺水者并通知救生員營救，縮短尋找時間保證用戶游泳時的安全，成為人們普遍關心的問題。隨著科技的快速發展，考慮通過科技實現智能化的安全泳池，保障泳池內游泳者的安全。

文中設計了一種基于ZigBee的物聯網泳池報警系統。本系統基于ZigBee無線通信技術和物聯網技術搭建，將無線通信、物聯網、智能化檢測與泳池報警相結合。系統時刻監測用戶的生理狀態和環境參數，當數據超出閾值時報警。對游泳者的安全進行保護監測，當溺水發生時及時報警并通知救生員采取救援措施。

1 系統總體設計方案

本系統通過采集人體的心率、血壓以及環境的溫濕度數據，利用控制算法實現報警和遠程監測功能。系統主要由上位機和下位機組成，上位機和下位機通過ESP8266模塊利用TCP協議通信。本系統的上位機采用OneNET搭建，采集的數據通過PC端顯示和保存；下位機主控電路圍繞CC2530芯片構建多個終端采集節點電路和協調器節點電路，兩種電路之間采用ZigBee技術組網通信。終端采集節點電路由用戶攜帶，主要負責采集、傳輸人體的心率、血壓以及環境的溫濕度數據，且當判定用戶溺水時進行聲光報警。協調器節點電路監測、處理各采集節點的數據，并通過數據判定是否處于溺水狀態。系統總體設計框圖如圖1所示。

2 硬件系統設計

系統的硬件部分主要由上位機和下位機組成，其中，下位機包括數據終端采集節點電路、協調器節點電路。采集節點電路由傳感器模塊、ZigBee模塊以及執行機構模塊構成；協調器節點電路由ZigBee模塊、ESP8266模塊以及執行機構模塊構成。

2.1 主控模塊設計

本系統以CC2530芯片為核心。CC2530是TI公司出品的一款專用于無線傳感器網絡進行數據傳輸的集成芯片，它支持IEEE 802.15.4標準，一般用于ZigBee組網設備的遠程通信控制[3]。CC2530芯片所對應的射頻收發部分主要負責對重要信息數據的安全化、可靠化傳輸，具有強大的數據發送或者接收功能。其中，采集節點電路、協調器節點電路圍繞CC2530芯片構建。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊利用傳感器對用戶心率、血壓以及周圍溫濕度進行精準監測，是系統其他功能實現的前提。

2.2.1 心率傳感器——PluseSensor

心率采集選用PluseSensor傳感器。人體血管隨著心臟進行規律性收縮，考慮到人體組織的透光率不同，因此利用光電容積法實現該部分功能。當光束發出到達人體血管，此時血管搏動充血使透光率發生變化，光電變換器通過接收反射光線，將其轉換成電信號并放大和輸出[4]。血管搏動與心率一致，由此電信號的周期即為人體心率。但不同的心率傳感器受個體差異或者環境中光強的影響導致獲取的心率不精確，使用前需校準。心率傳感器原理如圖2所示。

2.2.2 血壓傳感器——XGZP6847A

血壓作為人體生理狀態的重要參數，可以反應人體在水中的生理狀態，對監測用戶的安全具有重要意義。本系統選用靈敏度高、耐用性強的XGZP6847A型壓力傳感器，其核心為硅壓阻式芯片[5]。4個壓敏電阻構成的惠斯通電橋集成在彈性膜上，當脈搏跳動時，電橋產生的電壓輸出信號與所加壓力成線性關系。為避免出現較大誤差，該傳感器在使用前要進行校驗。血壓傳感器原理如圖3所示。

2.2.3 溫濕度傳感器——DHT11

DHT11是集溫度和濕度監測于一體的復合傳感器。它由電阻式感濕元件和NTC測溫元件與8位單片機相連[6]。采集輸出為數字型，且在輸出時已校正，可直接讀取。其具有抗干擾性強、功耗小、穩定性強、可靠性高、響應快等特點，滿足本系統在室內泳池進行監測的要求。

2.3 ESP8266模塊

本系統利用ESP8266模塊實現上位機和下位機的無線通信。ESP8266模塊是一種可將串口轉無線、帶有超低功耗的UART-WiFi透傳模塊。其內部集成超低功耗的32位微型MCU，內置Tensilica L106 32位RISC處理器，CPU時鐘最高可達160 MHz，支持實時操作系統（RTOS）和WiFi協議棧[7]。內置TCP、IP協議棧以及160 KB的SRAM。它具有性能穩定、可靠性強、高集成、低功耗等特點，一般常應用于物聯網和智能家居方面[8]。

3 軟件系統設計

本系統的軟件部分開發環境為IAR和OneNET平臺。軟件系統設計主要有CC2530程序設計、ZigBee組網和上位機設計。其中，CC2530程序設計和ZigBee組網部分利用IAR完成，上位機設計部分利用OneNET平臺設計完成。軟件系統功能流程如圖4所示。

3.1 ZigBee組網設計

ZigBee技術是基于IEEE802.15.4協議發展起來的一種短距離無線通信技術，ZigBee具有近距離、復雜度低、功耗低、數據傳輸速率低、短延時等優勢[9]，支持多個節點相互通信。

ZigBee組網可以自動完成。協調器上電后，其自動掃描，通過發送信標請求指令，若在掃描周期內未接收到反饋信標指令，則判定該節點為FFD，建立網絡。然后進行信道選擇，經過能量掃描和主動掃描確定信道是否合適。確定信道后在組網中設置唯一的16位網絡標示（PINID），網絡終端將通過PINID判斷所在網絡以及與網絡中其他設備交互。PINID確定后，協調器將設置唯一的16位網絡地址作為自己當前所在網絡地址，并進行相關設置與協調器的物理地址綁定，最后通過MAC層發出啟動請求指令。協調器ZigBee組網流程如圖5（a）所示。

協調器組網完成后，各終端采集節點上電，在系統初始化后進行信道掃描，搜尋是否有可用信道。搜尋到可用信道后，終端采集節點發送請求加入網絡指令。同時協調器接收指令發送反饋指令，終端采集節點接收后，即可進行數據傳輸。至此，ZigBee組網完成。終端采集節點加入組網流程如圖5（b）所示。

3.2 OneNET上位機設計

文中系統上位機采用OneNET。OneNET平臺是中國移動基于物聯網產業打造的生態平臺，具有數據安全存儲、高效可用、豐富API支持等特點[10]。通過在該平臺搭建可視化View界面實現數據顯示和線上監測功能。可視化View界面通過儀表顯示當前數據，通過折線圖顯示數據的變化過程。在OneNET中搭建完成產品后，進行可視化View界面搭建。通過輸入產品ID、access_key導入產品的數據流建立View界面的數據源。再通過參考OneNET平臺開發文檔中的常用代碼，對私有過濾器的Java腳本進行改寫，對數據源中的數據進行處理，實現數據流和可視化View界面的互聯。以此實現圖表對心率、血壓、溫度以及濕度數據的顯示。

3.3 ESP8266模塊通信設計

系統通過對ESP8266模塊進行通信設計來實現協調器與OneNET平臺通信的目的。

系統中ESP8266模塊首先利用串口助手進行無線模塊的連接，協調器節點通過發送AT+CWMODE=1指令調至Station模式進行熱點連接準備。手機端設置WiFi的名稱和密碼，通過AT+CWJAP指令連接當前的WiFi熱點。此時ESP8266模塊與手機、電腦構造局域網。通過AT+CIPSTART=\"TCP\"指令建立TCP連接。再發送AT+CIPMODE=1：開啟透傳模式。此時數據傳輸通道已搭建完成。協調器利用AT+CIPSEND指令將處理完成的數據打包發送至云平臺。由此，ESP8266模塊與云平臺的通信連接完成。ESP8266模塊通信連接流程如圖6所示。

4 系統調試

模擬室內泳池的環境，經過多次調試，當系統采集數據溫度超過30 ℃、濕度超過60%RH、心率超過120次、血壓超過120 mmHg（1 mmHg≈0.133 kPa）時，報警并通知救生員營救。同時用戶和管理人員可實時通過OLED顯示屏或PC端查看數據。數據將實時傳輸至云平臺，通過OneNET云平臺Web界面將數據實時顯示出來，還可以查看游泳過程中用戶心率和血壓以及環境溫濕度的歷史變化圖。報警狀態下PC端數據顯示界面如圖7所示。

系統力爭搭建一個安全性高、可靠性強、成本較低的泳池報警系統。以保證游泳者安全以及方便管理人員為準則，完成物聯網智能泳池報警系統的開發。通過多次系統測試和驗證，保證了系統的可靠性和穩定性。

5 結 語

針對室內泳池中溺水事故發生時如何快速找到溺水者并通知救生員營救的問題，設計了基于ZigBee的物聯網泳池報警系統，系統借助無線通信技術、物聯網技術、智能化檢測技術與泳池報警實現。對現有設備進行整合管理，由多個數據終端節點采集游泳者的心率、血壓和溫濕度，利用ZigBee技術將數據傳輸至協調器節點進行處理，ESP8266模塊將數據傳至OneNET云端進行實時監測，從而大大縮短了溺水事故的發現時間，為游泳者的生命安全提供了有力保障，使管理人員更加省時省力。

參考文獻

[1]彭婷，沈精虎，喬羽. 基于改進Mask R-CNN的泳池溺水行為檢測系統設計[J].傳感器與微系統，2021，40（1）：94-97.

[2]李榆. 游泳池溺水自動報警系統設計[D].昆明：云南師范大學，2020.

[3]王健. 基于ZigBee協議的智能家居系統研究[D].南京：東南大學，2019.

[4]屈海朋，王清珍，王斌. 基于STM32便攜式心電監護裝置的設計[J].工業控制計算機，2022，35（2）：94-95.

[5]徐英杰. 深度學習在基于體表溫度的人體健康監測系統的應用[D].鞍山：遼寧科技大學，2021.

[6]楊力，孟令亞. 基于Arduino的智能溫濕度計設計[J].電子制作，2023，31（5）：35-38.

[7]范慶宇，孫澤軍. 基于ZigBee的物聯網養殖場環境智能監測系統的設計與實現[J]. 物聯網技術，2021，11（11）：73-78.

[8]管嘉誠，李曉烽，黃志芳，等. 基于ESP8266與機智云的物聯網智能家居[J].物聯網技術，2023，13（3）：140-142.

[9]嚴林波. 基于ZigBee技術的無線通信模塊研究[J]. 科學技術創新，2020，24（29）：88-89.

[10]周沛仰.基于ZigBee和OneNET的智慧農業系統[J].現代農機，2022，40（1）：123-124.

基金項目：國家自然科學基金面上項目（62071173）；2022年湖北師范大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目 （202210513010）