張司雨 董麗婷 尹航 易文彬彬 顧偉宏 ＊

（1、東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040 2、東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

1 背景及意義

據(jù)估計(jì)，2012 年全球有372000 人死于溺水，是世界各地非故意傷害死亡的第三大原因[1-2]。2013 年中國人群溺水死亡人數(shù)為63619，標(biāo)化死亡率為5.29/10 萬，占傷害總死亡的8.0%，位列總?cè)巳簜λ酪虻谒奈?，是? 歲及5～14 歲兒童首位傷害死因[3]。該現(xiàn)象的原因主要是監(jiān)督過失和缺乏適用營救設(shè)備。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款北斗智能泳圈以及適配的溺水營救系統(tǒng)。該智能泳圈輕便，可隨時攜帶，同時具備北斗定位與通信功能，克服了傳統(tǒng)游泳設(shè)備應(yīng)用的局限性，極大降低溺水遇難事故的發(fā)生率。

2 防溺水智能泳圈

2.1 創(chuàng)新點(diǎn)

防溺水智能泳圈，是一款集快速充氣、定位、通信為一體的多功能泳圈。主要創(chuàng)新點(diǎn)包括以下三個方面：

2.1.1 全自動的充氣功能：未氣脹前的智能泳圈形似腰帶，輕巧方便，遇險(xiǎn)情況下泳圈能夠快速且自動完成充氣動作。

2.1.2 精準(zhǔn)的定位功能：通過接收北斗和GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星信號，精確獲得用戶當(dāng)前所在的位置信息。

2.1.3 穩(wěn)定的通信功能：通過觸發(fā)求助按鈕，自動實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文通信或地面無線通信功能，對預(yù)設(shè)求助號碼發(fā)送帶有位置信息的求救信號。

2.2 用戶模式

不同群體的溺水事故成因的多樣性與不可預(yù)測性增加了防范的難度，為此，本文提出了雙重使用模式的解決方案：

2.2.1 自動觸發(fā)模式：該模式針對小孩、老人、殘障人士等落水時自救能力較差人群設(shè)計(jì)，佩戴者落水瞬間，智能泳圈完成自動快速充氣，并自動對預(yù)設(shè)求助號碼發(fā)送帶位置信息的求救信息。

2.2.2 手動觸發(fā)模式：該模式針對一般游泳者設(shè)計(jì)，當(dāng)佩戴者遇到抽筋、異物纏繞等意外狀況時，拉動拉繩泳圈即可快速自動充氣。當(dāng)佩戴者需要外界營救時，可通過觸發(fā)求救按鈕向預(yù)設(shè)號碼發(fā)送求救信息。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

智能泳圈的外部硬件設(shè)施包括：氣瓶、模式選擇按鈕、求救按鈕、手動拉繩等如圖1 所示。內(nèi)部集成模塊包括：電源、北斗-GPS 雙模應(yīng)用終端、SIM 卡槽如圖2、圖3 所示，北斗短報(bào)文，如圖4 所示。

圖1 智能泳圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 設(shè)備盒剖視平面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 高壓二氧化碳?xì)馄繀^(qū)域平面結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 腰帶自動充氣模塊：本腰帶是氣脹式腰帶。泳圈采用了折疊收納結(jié)構(gòu)，具有方便穿戴的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)佩戴者發(fā)生危險(xiǎn)時，通過自動或手動觸發(fā)充氣裝置，可在3 秒鐘內(nèi)在佩戴者腰部形成一個馬蹄形的救生圈，使佩戴者浮于水面，從而起到救生作用。該充氣腰帶由單向閥、二氧化碳儲氣鋼瓶、遇水生成大量氣體的化學(xué)物質(zhì)等組成。

圖4 北斗短報(bào)文開發(fā)板原理圖

2.3.2 全自動充氣裝置使用原理：當(dāng)佩戴者落水時，自動充氣裝置口藥片遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的高壓氣體推動刺針，將儲氣鋼瓶瓶口刺破，釋放瓶內(nèi)高壓氣體，氣瓶內(nèi)的氣體會在3秒內(nèi)充滿整個氣囊，如圖5(a)所示。

圖5 充氣裝置原理圖

2.3.3 手動充氣裝置使用原理：當(dāng)使用者遭遇危險(xiǎn)時，拉動拉繩帶動內(nèi)置針管扎破氣瓶，釋放高壓氣體，迅速完成對救生氣囊的充氣動作，如圖5 中(b)所示。

充氣腰帶的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 泳圈技術(shù)指標(biāo)

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的智能泳圈軟件功能模塊由北斗-GPS 雙模應(yīng)用終端和通信模塊構(gòu)成。

2.4.1 北斗-GPS 雙模應(yīng)用終端：GPS 精準(zhǔn)定位結(jié)果輔助北斗系統(tǒng)定位偏差校準(zhǔn)，克服了北斗服務(wù)頻度低的缺點(diǎn)，同時利用北斗系統(tǒng)輔助GPS 實(shí)現(xiàn)廣域增強(qiáng)差分定位和完善性監(jiān)測[4]。北斗-GPS 雙模系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和完善性能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的高精度定位[5]，并使用北斗完成雙向通信來解決地面通信不暢導(dǎo)致的信號發(fā)送盲區(qū)的問題。本文設(shè)計(jì)的雙模應(yīng)用終端按其功能分為以下模塊：北斗-GPS 雙模核心、射頻模塊、信號處理模塊（含SIM 卡）、信息處理模塊、電源管理模塊、電池、內(nèi)置天線模塊。其簡要工作原理如圖6 所示。

圖6 北斗-GPS 雙模應(yīng)用終端工作原理圖[6]

2.4.2 通信模塊：本文設(shè)計(jì)的通信模塊由北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信和地面無線通信兩種方式結(jié)合組成。地面無線通信可解決北斗信號容易被遮擋的問題，而北斗信號相較于地面無線通信信號不易受環(huán)境、天氣的影響，因此綜合兩種通信方式不受環(huán)境條件的限制，可實(shí)現(xiàn)信號的全疆域無縫覆蓋，解決了單一通信方式信號不穩(wěn)定的問題。兩種通信方式的結(jié)合使用使智能泳圈的佩戴者無論位于室內(nèi)大型游泳場所或者遠(yuǎn)離陸地的海域，均能在遇險(xiǎn)時準(zhǔn)確發(fā)送帶位置信息的求救短信。

3 溺水營救系統(tǒng)

為保證高效的溺水救援，本文結(jié)合智能泳圈的功能設(shè)計(jì)了該溺水營救系統(tǒng)。以下將詳細(xì)地介紹該營救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作流程。

3.1 監(jiān)控站客戶端設(shè)計(jì)

3.1.1 監(jiān)控站客戶端介紹

溺水營救系統(tǒng)監(jiān)控站客戶端是一款運(yùn)用ArcEnigne 進(jìn)行二次開發(fā)的救援調(diào)度軟件。該客戶端支持加載空間數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)入求救者位置信息，求解計(jì)算出求救者與各營救站點(diǎn)的距離，比較得出最近營救站點(diǎn)并對其高亮顯示。

3.1.2 監(jiān)控站客戶端軟件設(shè)計(jì)

3.1.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

首先下載目標(biāo)水域衛(wèi)星影像，并對該水域與周邊營救站進(jìn)行矢量化處理。

圖7

3.1.2.2 加載空間數(shù)據(jù)

接著運(yùn)用ICommand 接口，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)加載。

3.2 系統(tǒng)工作流程

溺水救助系統(tǒng)的組成部分：佩戴者、智能泳圈、監(jiān)控端、營救人員。

該營救系統(tǒng)的工作流程圖如圖8 所示：

圖8 營救系統(tǒng)流程圖

流程圖具體說明：

（1）當(dāng)佩戴者遭遇溺水危險(xiǎn)時，觸發(fā)充氣裝置智能泳圈完成自動充氣。通過智能泳圈的通信功能發(fā)送帶有溺水者位置信息的求救信號。

（2）北斗衛(wèi)星或地面無線基站轉(zhuǎn)發(fā)求救者的求救信號。

（3）救助站向監(jiān)控站反饋所在地點(diǎn)位置信息。

（4）監(jiān)控站接收求救者具體位置坐標(biāo)后，將其導(dǎo)入溺水營救系統(tǒng)監(jiān)控站客戶端，并根據(jù)該客戶端解算的結(jié)果調(diào)遣距離求救者最近的營救人員及船只實(shí)施救援。

（5）救援人員在收到營救指令后，立即展開救援，營救過程中可通過智能手表等移動終端實(shí)時查看位置數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)及展望

本文設(shè)計(jì)了一款智能泳圈，該泳圈基于北斗-GPS 雙模應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，利用北斗系統(tǒng)中的定位與通信功能，以充氣腰帶為載體，為日常游泳安全提供了一款輕便易攜且實(shí)用性，安全性很高的智能泳圈，搭載設(shè)計(jì)的溺水營救系統(tǒng)，為減少溺水事故的發(fā)生提供了一套合理的解決方案。

隨著中國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的不斷提高，在未來工作中可以考慮設(shè)計(jì)出智能游泳手環(huán)等更加輕便的設(shè)備，為游泳者提供更多更加智能便捷的選擇。