刘 敏，兰晓红，潘 菊，田 蜜
（重庆师范大学计算机与信息科学学院，重庆 401331）
随着经济的发展，人们的生活水平日益提高，生活方式与理念变得更加开放和科学。游泳具有增加心肌功能、增强抵抗力、减肥、健美形体、护肤等好处，已经成为一项常见的娱乐活动，更有许多人将游泳纳入自己的健身日程。但是，纵观全国各地资料，游泳池发生事故率是相当高的。安全第一、预防为主，这是游泳池安全工作的指导思想，更应把安全装备、防护措施等视为实现游泳池安全管理的基础工作。2014年，国家体育总局办公厅下达了关于切实做好群众健身活动安全管理工作的通知，已经对游泳运动安全重视起来。2019年广东省教育厅印发《加强学校体育美育劳动教育行动计划》，提出33 条具体举措，为学校加强体育等工作提供指引，明确从2020年开始，各地要想方设法在小学某一个年级开始游泳教育教学。随着游泳运动的盛行，在游泳馆游泳代替野外下河成为趋势。从2013年教育部发出致全国中小学生家长的公开信以来，各中小学对学生时常强调“不私自下水游泳”等“六不”原则，而且几乎每逢节假日都要打印相关材料交给家长签字，让其监督孩子，要求孩子做到“六不”，防溺水。2020年全国两会上，全国人大代表杨德芹建议：新建的中小学要把建设标准游泳池纳入规划。在实践层面，走在前面的是陕西省西安市高新区，其正在为辖区所有学校配备游泳池。可看出，游泳馆的建设越发得到重视，打造智慧安全的游泳馆具有必要性。
游泳馆智能安全监护系统由三部分组成，包括摄像头实时监控视频图像采集、用户端手环检测用户身体数据信息和按键信息、中央控制端接收摄像头和手环传送数据，并显示和判断数据是否异常。三端共同工作来组建一个及时有效的游泳馆监护系统，整体架构如图1所示。
图1 整体构架图
1.1 用户监测端
为了方便用户的携带和相关指标的检测用于检测，用户状态的水下用户检测端以手环的形式呈现。手环颜色可以有多种，生产时可根据需要调整。如图2所示，设计一款以蓝色为主要基调的监测手环，环身类似于一个手表的形状，手环长度可调整；
手环正面嵌有一块小的触摸屏，可显示时间和所检测到的用户身体指标状态；
屏幕下面插入网卡，用于连网发送数据；
旁边有一个按钮，用于用户紧急求救，不易误碰；
触摸屏下方是一个可以放出声音的蜂鸣器，用于一键呼救后发出响声，精确定位；
在手环四周均匀嵌入传感器，在便于检测用户身体指标的前提下，使手环美观、便携。
图2 用户监测端手环设计图
人的生命四大体征包括呼吸、体温、脉搏、血压，医学上称为四大体征。由于在水中人员的呼吸和体温难以监测，因此本项目通过对血压和心率的监测来判断游泳者是否处于正常水平，当游泳者的脉搏或血压超出正常水平，系统将给予救生员提示，以防止身体突发情况的不自知或溺水者忘记按键的情况而造成的意外发生。紧急情况下，主要分为数据异常的被动呼救和用户的主动呼救。首先发送端水下监测心率传感器和血压传感器使用者的身体状况指标，当游泳者的脉搏或血压超出正常水平，系统将给予救生员提示；
其次，使用者如感到任何不适，如：心悸、头晕、小腿抽筋等情况时，可按下按钮进行一键求救，节约时间，快速救援。
1.2 中央控制端
中央控制端主要是通过中央控制屏幕显示监控画面及用户状态数据。屏幕型号和品牌没有特殊要求，可由游泳馆自行选择。如图3所示，在进入游泳监护系统后，中央控制端左半部分接收摄像头传输画面，并实时播放；
右侧显示用户状态，包括用户头像、ID、心率、血压、游泳时间及其所在位置。用户状态正常情况下轮播显示，当心率、血压略微异常和时间超出范围不多的情况下，屏幕将置顶用户并标红异常数据以提示救生员注意。当心率、血压较多异常或游泳时间过长的情况下，屏幕将置顶用户并闪烁用户信息，发出指令提示救生员马上查看用户情况并劝导用户停止游泳行为。
图3 中央控制端画面
在游泳馆一端放置中央摄像头，前端摄像机将所监控区域的实时图像通过传输线路传回中央控制中心并在大屏中播放。同时，传输到中央控制中心的视频图像会自动保存到录像服务器上，作为处理意外事故、物品遗失等各种突发事件的取证依据。显示屏幕面板的轮播动态用户界面用于显示信息。图形用户界面的人机交互方式为：在用户列表展示的界面，可以上滑列表切换用户显示。随着状态的刷新，当第一页向上滑出并且图标操作栏透明度降低，第二页内容滑到第一页，头像、用户ID 和各类数据显示由窗口内位移到顶部位置。发生突发情况后，通过给予救生员强烈提示以避免救生员的疏忽与延迟导致的意外发生。首先，当系统接收到数据后，如果检测到用户心率、血压略微异常和时间超出范围不多时，屏幕将置顶用户并标红异常数据，让救生员注意到用户异常，予以关注；
其次，当心率、血压较多异常或游泳时间过长的情况下，屏幕将置顶用户并闪烁用户信息，中央控制中心标出该用户位置并发出指令，如：“1 号用户心率异常”，提示救生员马上下水查看用户情况并劝导用户停止游泳行为；
最后，当游泳者在水中自觉遇到突发情况主动按下求救按钮时，用户所戴手环发出强烈声音，同时屏幕将置顶该用户并闪烁用户信息，中央控制中心发出指令，如：“1 号用户请求救援”，提示救生员马上下水实施帮助。
2.1 系统组网模块
无线局域网具有灵活性和移动性，安装便捷，易于进行网络规划和调整，故障定位容易以及方便扩展，所以本文运用无线局域网进行通信。中央监控端、游泳馆摄像头与用户监测端的手环均在同一网段内，中央监控端的IP 地址为192.168.1.1，摄像头的IP 地址为192.168.1.2。对于接入网络的手环将从192.168.1.10 开始分配一个暂时的IP，在网络通信阶段都是借助于此IP，直到离网时，IP 会自动释放。通过这个唯一的IP 地址，中央监控端就可与用户监测端即佩戴手环的游泳者之间建立通信，定义通信协议，通过手环读取到用户心率、血压等情况反馈到中央监控端，即游泳馆大屏中予以显示，实时监控用户状态，如有异常及时做出警示，以便救生员立马采取相应救援行动，抢占救援时间。
2.2 通信协议模块
为使用户监测端与中央监控端能进行良好的通信和准确地传送所需信息，现对两端之间的通信协议予以定义，确定数据单元的格式，信息单元包含信息与含义、连接方式、信息发送和接收的时序等。在语法方面，数据格式分为两段：第一段为事先约定的代表具体测量内容的序号；
第二段为测量的数据值。在语义方面，数据内容包括心率、血压测量值，以及一键呼救按钮传回的信息。这里规定一键呼救按钮未被按下为0，按下则为1。在定时规则方面，用户监测端与中央监控端一直保持通信机制，默认情况下数据每30 s 发送一次数据包，以保证通信的准确、可靠和有效。中央监控端根据用户监测端发送来的唯一IP 地址解析数据包，再将各项数据读取后反馈显示在中央大屏。
2.3 用户监测端技术模块
用户检测端主要的工作就是监测采集和发送用户身体状态检测数据，包括一键呼救信号和心率、血压和游泳时间的数据信号。一键呼救的技术实现主要是依靠发送端与接收端的信号传输，如图4所示，以两块树莓派主控板树莓派用户端（192.168.1.10）和中央控制的树莓派接收端（192.168.1.1）为例，要使两端之间的通信可行，采用物联网技术实现树莓派之间的数据传输和通信控制。当树莓派用户端（192.168.1.10）按钮被按下时，主控板将发送信号“1”至接收端（192.168.1.1），收到信号“1”后系统将采取紧急救援措施。同时，发送信号的用户所戴手环蜂鸣器将发出响声，提醒周围人员有人溺水或身体不适，让附近的人给予帮助，也能帮助救生员准确找到求救者位置。
图4 两端通信过程
2.4 中央控制端技术模块
正常监护状态下，当从水下检测端，即用户所佩戴的手环所获取到的心率、血压等数据属于预先设定好的正常阈值范围内时，则表示用户无异常情况，相关数据也将正常显示，中央控制端大屏持续刷新，对多名用户数据进行轮播显示。此种监护也是实时的，会将获取的信息及时进行显示，以保证数据的准确性。实时监护模块如图5所示。异常报警分为两种情况：一是用户自己按下一键呼救按钮寻求救援；
二是中央监控端监测到用户数据异常后进行警示提醒。一键呼救情况下，中央控制端将语音播报“XX 号紧急救援”，并且在水下监测端，即用户所佩戴的手环上的蜂鸣器将响起，此用户数据在中央监控端显示界面置顶，并标红闪烁。“数据异常”情况下，将语音播报“XX 号数据异常”，用户数据在页面置顶、标红、闪烁显示。以上做出的相应反馈都是为了便于救生员快速确定求救者或异常人员，以把握最佳救援时间，及时采取相应救援行动，有效保障来馆游泳者的生命安全，避免溺水等事故的发生，致力于打造一个智慧、安全、放心的游泳馆。异常报警模块如图6所示。
图5 实时监护模块
图6 异常报警模块
为了检测游泳馆智能安全监护系统的功能有效性，对用户监测端模块和中央监控端模块进行了实验测试。如表1所示，在用户监测端检测中，系统能够判断按钮是否按下并传递信号，正常检测用户各项数据，测试结果良好。表2为中央监控端模块测试结果，在面对三种不同情况下，中央监控端能够正确接收用户监测端传递的信号，并做出正确反馈，测试结果达到预期。
表1 用户监测端模块测试
表2 中央监控端模块测试
本文将物联网技术应用于游泳安全监测中，以Raspberry Pi 4 开发板作为主控制器，实现两端的远距离通信与数据传输，利用传感器实时监测用户状态，为游泳运动增添安全保障。结合物联网技术与人工智能技术打造智慧游泳馆，是当前智能社会时代进与生活共同进步的表现，也是智能技术应用的一大创新。
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