LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用

李玉香 全劉輝 澹臺(tái)夢(mèng)陽

摘要：現(xiàn)有的智能防溺水系統(tǒng)中，無線傳輸技術(shù)多采用Wi-Fi或藍(lán)牙方式。然而，這兩種無線傳輸方式存在傳輸距離短、穩(wěn)定性較差、功耗較高等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)只能在特定小范圍內(nèi)使用。這無法有效保障戶外野生水域游泳者或工作人員的安全。同時(shí)，更穩(wěn)定的通信方式如水聲通信、光通信、電磁波通信和磁通信，存在天線尺寸巨大、通信速度慢等問題。為此，該研究旨在探索LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過將該技術(shù)應(yīng)用于智能救生手環(huán)和自動(dòng)救生船上，實(shí)現(xiàn)求救者心率情況和定位坐標(biāo)的快速傳輸，從而提高救援效率和準(zhǔn)確性。研究證明了LoRa無線傳輸技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的重要作用。該系統(tǒng)為溺水事故救援提供了高效、準(zhǔn)確的解決方案，有望在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，并考慮其他相關(guān)因素，以提升整體救援效果。

關(guān)鍵詞：LoRa；無線傳輸；防溺水

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）09-0093-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

游泳安全問題長期困擾著社會(huì)，然而，目前市場(chǎng)上許多水上智能救生設(shè)備仍不夠成熟，其中集成了各種傳感器并具備通信傳輸功能的設(shè)備屬于少數(shù)。傳統(tǒng)的防溺水手環(huán)通常需要溺水者手動(dòng)打開充氣閥，但在緊急情況下，溺水者可能因情緒激動(dòng)或操作不當(dāng)[1]而無法進(jìn)行該操作，從而導(dǎo)致救生手環(huán)失去作用。同時(shí)，現(xiàn)有的水中通信多采用Wi-Fi或藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2-3]，但這兩種方式受到傳輸距離短、傳輸穩(wěn)定性差等問題的限制，使得智能防溺水手環(huán)僅適用于小范圍內(nèi)的游泳場(chǎng)所，對(duì)于河邊、水庫等大型水域的游泳者或水上工作者在遇險(xiǎn)時(shí)無法提供有效的支持。與之相對(duì)的高要求是使用水聲通信、光通信、電磁波通信和磁通信等更穩(wěn)定的通信方式，但其存在天線尺寸巨大、通信速度慢以及時(shí)延長等問題[4]，且大尺寸天線不適合游泳者佩戴，進(jìn)而影響了使用范圍。

國外在溺水檢測(cè)方面的研究已經(jīng)歷時(shí)近40多年，已經(jīng)從探索和實(shí)驗(yàn)階段逐步步入產(chǎn)品改進(jìn)階段，然而我國在這一領(lǐng)域的研究仍處于相對(duì)初級(jí)階段。早在1976年，美國Codina，Jorge G.I131申請(qǐng)了專利“游泳池報(bào)警”，但受限于當(dāng)時(shí)的科技水平和計(jì)算機(jī)發(fā)展，該技術(shù)并未受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。2001年，法國VisionIQ公司開發(fā)了“海神號(hào)”溺水檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在泳池天花板和水下壁面安裝紅外線鏡頭RGB相機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)游泳者準(zhǔn)確位置的定位，從而實(shí)現(xiàn)了泳池實(shí)時(shí)溺水檢測(cè)的功能。然而，水下攝像頭的維護(hù)成本十分昂貴，一套“海神號(hào)”系統(tǒng)的安裝及維修費(fèi)用折合人民幣數(shù)百萬元[5]。所以。因此，這種溺水檢測(cè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及，而本項(xiàng)目研究的系統(tǒng)則具有價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，更具實(shí)用價(jià)值，也更有利于推廣和應(yīng)用。

美國的Kingii[6]是一款輕便且易于攜帶的水中緊急救生手環(huán)，其原理是在手環(huán)上裝配了一個(gè)救生氣囊，佩戴者在遇險(xiǎn)時(shí)拉開卡扣，救生氣囊便會(huì)彈出，為佩戴者提供一定浮力，以保持頭部露出水面。然而，由于氣囊需要佩戴者手動(dòng)拉開卡扣，部分溺水者在遇險(xiǎn)時(shí)可能受驚而無法完成這一操作[7]，導(dǎo)致手環(huán)失去了其應(yīng)有的功能。

針對(duì)上述問題，本研究采用了一種新型的無線傳輸方式，即LoRa（長距離低功耗射頻通信）無線傳輸技術(shù)，并結(jié)合了GPS定位技術(shù)、心率監(jiān)測(cè)技術(shù)等相關(guān)方法。通過在智能救生手環(huán)中嵌入LoRa模塊和心率傳感器，并在自動(dòng)救生船上配置接收設(shè)備，建立起了“多對(duì)一”的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了求救者心率情況和GPS定位坐標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取與傳輸。

1 智能防溺水系統(tǒng)概述

智能防溺水系統(tǒng)主要由兩部分組成：智能救生手環(huán)和自動(dòng)搜救船。其中，救生手環(huán)包括心率傳感器、自動(dòng)救生氣囊、無線傳輸模塊和GPS定位模塊等。該手環(huán)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的心率變化來判斷是否發(fā)生溺水情況，一旦發(fā)生緊急情況，手環(huán)將自動(dòng)彈出安全氣囊，并通過LoRa無線通信模塊傳輸求救信號(hào)和GPS定位數(shù)據(jù)等信息至救生船。救生船在接收到求救信號(hào)后將自動(dòng)駛向溺水者附近進(jìn)行救援。該系統(tǒng)的框圖如圖1所示。LoRa無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用使救生手環(huán)與救生船相結(jié)合，為智能防溺水系統(tǒng)提供了更廣闊的信息覆蓋面，從而使自動(dòng)救援船的救援范圍大大提高，實(shí)現(xiàn)了物物之間的交互，使得手環(huán)更加智能、傳輸更加穩(wěn)定、救援更加高效。

2 救生手環(huán)選用LoRa無線通信技術(shù)的原因

LoRa[8]無線傳輸技術(shù)是一種適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN） 通信技術(shù)，在智能救生手環(huán)上具有廣泛的應(yīng)用及各種優(yōu)勢(shì)。

首先，LoRa技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是其長距離傳輸能力。該技術(shù)能夠在城市和鄉(xiāng)村等廣闊范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，甚至在障礙物密集的環(huán)境下也能有良好的覆蓋。這使得智能救生手環(huán)可以通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與救生設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)時(shí)傳輸手環(huán)的位置信息、健康數(shù)據(jù)等。

其次，LoRa技術(shù)采用了低功耗設(shè)計(jì)，能夠延長智能救生手環(huán)的電池壽命。相比于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，LoRa在傳輸時(shí)僅需要較低的發(fā)射功率，因此能夠大幅降低能耗。對(duì)于智能救生手環(huán)而言，長時(shí)間的電池壽命至關(guān)重要，以確保在緊急情況下能夠持續(xù)地監(jiān)測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)。

另外，LoRa技術(shù)在連接密度方面也具有優(yōu)勢(shì)。LoRa網(wǎng)絡(luò)能夠支持大規(guī)模設(shè)備的連接，因此可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能救生手環(huán)同時(shí)連接到同一個(gè)基站或網(wǎng)關(guān)。這對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用和集中監(jiān)控非常有用，比如在大型活動(dòng)、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)或其他緊急情況下，可以監(jiān)測(cè)和管理大量的智能救生手環(huán)。

最后，LoRa技術(shù)還具有良好的抗干擾性和可靠性。由于采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，LoRa信號(hào)在抵抗干擾和衰落方面表現(xiàn)出色。即使在多路徑衰落環(huán)境中，LoRa技術(shù)也能保持穩(wěn)定的連接和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，確保智能救生手環(huán)的信息能夠準(zhǔn)確、可靠地傳輸。

綜上所述，LoRa無線傳輸技術(shù)在智能救生手環(huán)上的應(yīng)用具有長距離傳輸、低功耗設(shè)計(jì)、高連接密度和良好的抗干擾性等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得智能救生手環(huán)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和傳輸重要的健康數(shù)據(jù)，提供更好的安全保障。

3 LoRa協(xié)議的三種工作模式

LoRa模塊有三種工作模式，分別為ClassA模式、ClassB模式和ClassC模式，這三種工作模式各有優(yōu)劣，類A工作模式適用于低功耗和實(shí)時(shí)性要求不高的設(shè)備，類B工作模式提供了更好的實(shí)時(shí)性，適用于更高的實(shí)時(shí)性應(yīng)用場(chǎng)景，而類C工作模式則適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的應(yīng)用場(chǎng)景。具體如下：

1） ClassA模式：該模式是最常見且最基本的工作模式，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有雙向通信能力，但通信時(shí)間由設(shè)備來控制。該模式下的設(shè)備功耗較低，適合于電池供電的設(shè)備。

2） ClassB模式：該模式在ClassA工作模式的基礎(chǔ)上增加了基站的定時(shí)廣播?；緯?huì)定期廣播一個(gè)時(shí)間同步信標(biāo)，設(shè)備可以根據(jù)該信標(biāo)調(diào)整自身的接收時(shí)間窗口。相比類A工作模式，該模式在實(shí)時(shí)性方面有所提升，更適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景。

3） ClassC模式：該工作模式最具靈活性但也面臨最高的功耗問題。在該模式下，設(shè)備的接收窗口幾乎始終打開，可以實(shí)時(shí)接收基站的數(shù)據(jù)。該模式需要更穩(wěn)定的電源進(jìn)行供電，然而，由于本系統(tǒng)手環(huán)無法提供穩(wěn)定電源，故不選擇此方案。

綜上所述，本系統(tǒng)采用了ClassB的工作模式，具有較好的實(shí)時(shí)性和較低的功耗，能夠一定程度上保證系統(tǒng)的電池續(xù)航和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。

4 LoRa無線通信技術(shù)在智能防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能手環(huán)必須將佩戴者的定位信息發(fā)送出去，救生船才能知道有求救信號(hào)并展開救援，因此信號(hào)的穩(wěn)定傳輸至關(guān)重要。智能手環(huán)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)采用星形組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，采用CRC算法對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)。LoRa無線通信模塊的通信協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)信息幀如表1所示。

在信息幀中，各數(shù)據(jù)的作用如下：

1） 幀頭：作為一個(gè)信息幀開始的標(biāo)志，設(shè)備識(shí)別到該代碼后將后面的數(shù)據(jù)提取出來，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

2） LORA-ADDR：用于區(qū)分不同的LoRa控制節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的設(shè)備地址。當(dāng)手環(huán)遇到危險(xiǎn)情況并傳輸求救信號(hào)等數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)能夠識(shí)別該網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備，并在云平臺(tái)精準(zhǔn)定位到該節(jié)點(diǎn)。

3） 數(shù)據(jù)：包括手環(huán)GPS定位到的經(jīng)緯度以及佩戴者的心率數(shù)據(jù)。

4） CRC校驗(yàn)：循環(huán)冗余校驗(yàn)，在發(fā)送端的最后一位加上校驗(yàn)碼。接收端在接收到一幀信息后先對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)判斷，判斷是否能夠被整除。若不能整除，則信息不完整，丟棄；反之，若能整除，則信息完整正確。

LoRa模塊主要有三種運(yùn)行模式，分別為發(fā)送、接收和空閑。手環(huán)主要處于發(fā)送狀態(tài)，救生船主要處于接收狀態(tài)，在沒有報(bào)警信號(hào)的情況下，它們都處于空閑狀態(tài)。當(dāng)救生船接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并控制救生船移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行救援?，F(xiàn)對(duì)手環(huán)節(jié)點(diǎn)分為水中和水下兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析，觀察LoRa的數(shù)據(jù)傳輸及GPS定位是否準(zhǔn)確。詳細(xì)信息如表2、表3所示。

綜上測(cè)試可知，處于水面上時(shí)，LoRa傳輸速度快且GPS定位準(zhǔn)確。而處于水下狀態(tài)時(shí)，GPS定位可能不準(zhǔn)確，但是LoRa的數(shù)據(jù)傳輸仍然能進(jìn)行，只是傳輸速度相對(duì)慢了些，但不影響整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，采用LoRa進(jìn)行手環(huán)與救生船之間的信息傳輸是可行的方案。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有救生手環(huán)多處于非智能化狀態(tài)的問題，設(shè)計(jì)并研究了一款基于LoRa通信傳輸?shù)闹悄芫壬到y(tǒng)。該系統(tǒng)在手環(huán)上增加了定位裝置及通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了與救生船之間的互聯(lián)，使得佩戴者遇到危險(xiǎn)情況時(shí)不僅可以手動(dòng)打開安全氣囊，還可以自動(dòng)打開救生氣囊并向救生船發(fā)送求救信號(hào)和位置信息等。救生船主節(jié)點(diǎn)接收到求救信號(hào)后，根據(jù)接收到的位置信息移動(dòng)船體使之靠近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這既使得救生手環(huán)實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，又進(jìn)一步提高了救援效率。

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