Android可穿戴防溺水報警系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

鄢曉曦 馮弘祿 張晨旭

摘要：針對高發(fā)的溺水事件問題，本研究基于Android系統(tǒng)，采用低功耗藍(lán)牙無線通信技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一種可穿戴便攜式的防溺水報警系統(tǒng)。運(yùn)行在Android移動設(shè)備的APP通過與游泳者穿戴的藍(lán)牙設(shè)備之間的無線通信，對游泳者的溺水事件及游泳距離進(jìn)行監(jiān)測與報警，可以有效地避免因監(jiān)護(hù)者一時分心而造成的溺水意外。

關(guān)鍵詞：Android;低功耗藍(lán)牙;可穿戴;防溺水;報警系統(tǒng)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0195-02

Abstract：In order to solve the problem of high incidence of drowning， a wearable and portable anti drowning alarm system is designed and developed based on Android system and low-power Bluetooth wireless communication technology.The app running on Android mobile device can monitor and alarm the drowning event and swimming distance of the swimmer through wireless communication with the Bluetooth device worn by the swimmer， which can effectively avoid the drowning accident caused by the momentary distraction of the guardian.

Key words：Android;Low power Bluetooth;Wearable;AntiDrowning;Alarm System

1 引言

據(jù)我國衛(wèi)生部門統(tǒng)計，全國每年約有5.7萬人死于溺水，每年因溺水意外死亡的人數(shù)僅次于交通事故，發(fā)生溺水的人群中，1-4歲兒童因溺水死亡的就占34.2/10萬，小學(xué)生溺水死亡人數(shù)占溺水死亡學(xué)生人數(shù)68.2%。因此，溺水已成為危害青少年與兒童生命健康的一大殺手[1]。

溺水發(fā)生的場景，除了戶外水域（如水塘、河流、湖泊或海邊），也有發(fā)生在室內(nèi)游泳池。甚至在有陪護(hù)人看管的情況下，也存在由于陪護(hù)人一時分心失察而發(fā)生溺水事件。

青少年及兒童之所以溺水及溺水死亡率如此之高，其主要原因在于：溺水往往難以被及時發(fā)現(xiàn)。溺水往往是無聲的，特別是兒童或青少年，在溺水發(fā)生時，往往不能主動呼救。即使有看護(hù)人，如果溺水發(fā)生時，看護(hù)人剛好由于注意力轉(zhuǎn)移，沒有注意到溺水的發(fā)生，仍難以避免溺水的發(fā)生。溺水后有效救援的時間短暫。一旦溺水發(fā)生后，溺水救援的最佳黃金時間是4分鐘之內(nèi)，對于兒童，這一時間將急劇縮短，看護(hù)者一時的分神就會帶來很大的安全隱患。溺水急救知識欠缺，導(dǎo)致不能及時施救。一般人可能由于不具備專業(yè)的溺水救援知識，對于溺水者，不敢及時施救，可等到120急救醫(yī)護(hù)人員到來，可能會錯過急救的黃金時間，這也成為救援不力的一個重要因素。游泳安全意識不強(qiáng)。游泳安全意識不強(qiáng)，也是導(dǎo)致溺水事故的重要因素。對于青少年、兒童以及家長都需要加強(qiáng)游泳的安全教育。

針對游泳安全及溺水事件發(fā)生的特點(diǎn)，我們基于Android系統(tǒng)，采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計、實(shí)現(xiàn)一套可穿戴的防溺水監(jiān)測報警系統(tǒng)。

2低功耗藍(lán)牙技術(shù)及Android系統(tǒng)對其的支持

藍(lán)牙技術(shù)是一種使用2.4Ghz ISM波段的無線通信技術(shù)?？煞奖愕貙?shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人區(qū)域網(wǎng)之間的無線數(shù)據(jù)交換[2]。2000年推出藍(lán)牙4.0，開始支持低功耗藍(lán)牙技術(shù)，與經(jīng)典藍(lán)牙相比，功耗?。ㄖ挥薪?jīng)典藍(lán)牙的10%），傳輸距離遠(yuǎn)（可達(dá)到100米），響應(yīng)速度快。2016年，推出了藍(lán)牙5.0，提高了低功耗藍(lán)牙的性能，有效傳輸距離可達(dá)300米[3]。2019年，推出的藍(lán)牙5.1，支持定位與測向功能，傳輸距離更遠(yuǎn)。一些商業(yè)藍(lán)牙芯片傳輸距離可達(dá)500到600米，有一些甚至更遠(yuǎn)。

Android 4.3開始引入了低功耗藍(lán)牙，為低功耗藍(lán)牙的核心功能提供平臺支持和API，App可以利用它來發(fā)現(xiàn)設(shè)備、查詢服務(wù)和讀寫特性。Android 5.0專門構(gòu)建了一個android.bluetooth.le包來加強(qiáng)對低功耗藍(lán)牙支持，全面地提升了對Bluetooth BLE的支持[4-5]。

3 Android低功耗藍(lán)牙防溺水監(jiān)測報警系統(tǒng)

3.1 藍(lán)牙防溺水監(jiān)測報警的原理

水分子的振動頻率為2.4GHz，藍(lán)牙無線通信工作頻率也是2.4GHz，藍(lán)牙無線信號通信會受到水干擾，難以穿透水體通信。利用這個特點(diǎn)，我們將藍(lán)牙設(shè)備嵌入到頭圈、泳鏡、泳帽等裝備上，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備沒于水面之下時，監(jiān)測設(shè)備（手機(jī)）一般難以監(jiān)測到其發(fā)出的信號，以此作為監(jiān)測與判斷是否溺水的依據(jù)。

另外，藍(lán)牙信號強(qiáng)度會隨傳輸距離的增長而變?nèi)?，手機(jī)端可以根據(jù)收到藍(lán)牙信息的強(qiáng)度，計算手機(jī)與藍(lán)牙設(shè)備之間的距離，當(dāng)二者的距離超過設(shè)定值時，進(jìn)行報警。

3.2 可穿戴的防溺水報警監(jiān)測器

Android低功耗藍(lán)牙防溺水監(jiān)測報警系統(tǒng)由兩部分組成：可穿戴的低功耗藍(lán)牙防溺水監(jiān)測器和基于Android的監(jiān)測報警APP。

可穿戴的低功耗藍(lán)牙防溺水監(jiān)測器，主要由低功耗藍(lán)牙芯片、晶振、電源、射頻等組成。

低功耗藍(lán)牙連接的建立及超時。低功耗藍(lán)牙支持面向連接的異步通信鏈路，與連接相關(guān)的有三個關(guān)鍵參數(shù)：連接間隔（Interval）、從設(shè)備連接延遲（Slave Latency）和連接超時（Timeout）。連接間隔為連接建立后，周期性的通信時間。從設(shè)備延遲是指從設(shè)備可以連續(xù)跳過不響應(yīng)主設(shè)備連接事件的個數(shù)，這樣可以降低功耗，節(jié)省能源。Android系統(tǒng)中默認(rèn)的參數(shù)值并不適合于防溺水的監(jiān)測，但Android系統(tǒng)中，沒有提供相應(yīng)設(shè)置連接參數(shù)的API，我們在從設(shè)備一端設(shè)置相應(yīng)的連接參數(shù)，并開啟自動更新參數(shù)，通過從設(shè)備來更新手機(jī)端的連接參數(shù)，以更符合本項目的需要。

3.3基于Android的監(jiān)測報警APP的功能設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

防溺水監(jiān)測報警APP由設(shè)備模塊、防溺水監(jiān)測與報警、距離監(jiān)測與報警、信息服務(wù)模塊、設(shè)置模塊等組成。

（1）設(shè)備模塊

設(shè)備模塊主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的掃描、連接與斷開。此模塊首先判斷本當(dāng)前系統(tǒng)是否支持低功耗藍(lán)牙，如果不支持藍(lán)牙設(shè)備，則退出軟件。如果支持低功耗藍(lán)牙但藍(lán)牙功能沒有開啟的話，可請求用戶授權(quán)開啟本地藍(lán)牙功能。然后通過BluetoothManager獲取BluetoothAdapter，通過BluetoothAdapter的startSacn（ LeScanCallback）的方法開始掃描設(shè)備，通過其回調(diào)方法得到掃描到的藍(lán)牙設(shè)備及其相關(guān)信息，如設(shè)備名稱、MAC地址、RSSI等。用戶選擇藍(lán)牙設(shè)備與之建立連接，并得到BluetoothGatt對象。

建立連接后，接收從設(shè)備的連接參數(shù)更新，更新連接參數(shù)。然后，按照設(shè)定的連接參數(shù)進(jìn)行周期性的聯(lián)系。設(shè)備連接及其周期性聯(lián)系由一個單獨(dú)的后臺線程來進(jìn)行。這個線程一直維持到監(jiān)測結(jié)束程序退出，或者用戶手動斷開連接。

（2）監(jiān)測報警模塊

監(jiān)測報警模塊主要根據(jù)手機(jī)端與監(jiān)測器端的通信情況及信號強(qiáng)度，如果發(fā)現(xiàn)滿足了設(shè)定的閾值，則進(jìn)行報警處理。

防溺水主要是通過藍(lán)牙信號不能透過水體傳播的特性，藍(lán)牙通信在建立連接后，會連接間隔乘以1.25ms為時間單位，周期性地進(jìn)行通信保持連接，從設(shè)備應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)容進(jìn)行回答（假設(shè)從設(shè)備延遲為n，那么，第n+1個連接通信必須回復(fù)）。我們對連接進(jìn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連接出現(xiàn)超時，立即進(jìn)行溺水報警。

無線信號強(qiáng)度（RSSI）是藍(lán)牙通信中的一個重要參數(shù)，RSSI可以在通信的回調(diào)接口獲得，并且通過RSSI進(jìn)行距離估算。計算公式如下：

[d=10RSSI-A10×n]

其中，d是計算距離;RSSI是信號強(qiáng)度，因為RSSI是負(fù)數(shù)，所以取其絕對值;A為發(fā)射端和接收端相隔1米時的信號強(qiáng)度，n是環(huán)境衰減因子。

為避免由于環(huán)境因素造成信號強(qiáng)度波動，從而使得測出的距離也出現(xiàn)較大的跳動，我們對RSSI進(jìn)行平均值濾波來提高測量精度，設(shè)置一個數(shù)組用來存放獲取的RSSI，對最近10次得到的RSSI求平均值，并以此平均值來計算距離。

（3）信息服務(wù)模塊與設(shè)置模塊

信息服務(wù)模塊包括游泳教學(xué)、游泳安全與急救知識、法律法規(guī)以及新聞通知等內(nèi)容，這些內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)在線提供服務(wù)。游泳教學(xué)，通過在線提供各種泳姿的游泳教學(xué)視頻，進(jìn)行游泳教學(xué)指導(dǎo)。游泳安全與急救知識，在線提供游泳安全防護(hù)知識，以及對發(fā)生溺水者緊急救護(hù)的操作知識，提升游泳自救以及水上救助他人的能力。通過宣傳相關(guān)法規(guī)及信息通知，加強(qiáng)用戶的安全意識。

設(shè)置模塊，主要進(jìn)行報警距離、報警鈴聲等設(shè)置。支持用戶自定義報警距離，報警的鈴聲。

4 結(jié)語

本項目利用藍(lán)牙信號難以透過水體傳播的特性，對游泳者的溺水事件進(jìn)行監(jiān)測，并以此基于Android系統(tǒng)設(shè)計防溺水監(jiān)測報警系統(tǒng)，此監(jiān)測報警除了提供防溺水監(jiān)測報警之外，還根據(jù)藍(lán)牙信號的信號強(qiáng)度RSSI，對監(jiān)護(hù)人與游泳者之間的距離進(jìn)行監(jiān)測報警;通過此系統(tǒng)還提供在線游泳教學(xué)、游泳安全及急救操作的普及性教學(xué)、政策法規(guī)及通知等信息服務(wù)。

基于Android系統(tǒng)的可穿戴低功耗藍(lán)牙防溺水監(jiān)測報警系統(tǒng)，利用低功耗藍(lán)牙已成為標(biāo)配的Android手機(jī)作為監(jiān)測報警的主控端，避免專門定制主控端，節(jié)省了成本，方便用戶使用。本監(jiān)測報警系統(tǒng)，可以有效地對游泳者，特別是青少年與兒童，游泳安全進(jìn)行監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)溺水事件并報警，避免因為監(jiān)護(hù)者疏忽而導(dǎo)致的溺水事件的發(fā)生，有利于保護(hù)游泳者（特別是青少年與兒童）生命健康。另外，本項目成果通過游泳教學(xué)、游泳安全及急救操作普及教學(xué)，可以提升游泳者的游泳技能，加強(qiáng)安全意識，增強(qiáng)急救能力。

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【通聯(lián)編輯：王力】