LoRa无线传输技术在智能防溺水系统中的应用

李玉香 全刘辉 澹台梦阳

摘要：现有的智能防溺水系统中，无线传输技术多采用Wi-Fi或蓝牙方式。然而，这两种无线传输方式存在传输距离短、稳定性较差、功耗较高等问题，导致系统只能在特定小范围内使用。这无法有效保障户外野生水域游泳者或工作人员的安全。同时，更稳定的通信方式如水声通信、光通信、电磁波通信和磁通信，存在天线尺寸巨大、通信速度慢等问题。为此，该研究旨在探索LoRa无线传输技术在智能防溺水系统中的应用。通过将该技术应用于智能救生手环和自动救生船上，实现求救者心率情况和定位坐标的快速传输，从而提高救援效率和准确性。研究证明了LoRa无线传输技术在智能防溺水系统中的重要作用。该系统为溺水事故救援提供了高效、准确的解决方案，有望在实际应用中发挥重要作用。未来的研究可以进一步优化系统性能，并考虑其他相关因素，以提升整体救援效果。

关键词：LoRa；无线传输；防溺水

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）09-0093-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

游泳安全问题长期困扰着社会，然而，目前市场上许多水上智能救生设备仍不够成熟，其中集成了各种传感器并具备通信传输功能的设备属于少数。传统的防溺水手环通常需要溺水者手动打开充气阀，但在紧急情况下，溺水者可能因情绪激动或操作不当[1]而无法进行该操作，从而导致救生手环失去作用。同时，现有的水中通信多采用Wi-Fi或蓝牙方式进行数据传输[2-3]，但这两种方式受到传输距离短、传输稳定性差等问题的限制，使得智能防溺水手环仅适用于小范围内的游泳场所，对于河边、水库等大型水域的游泳者或水上工作者在遇险时无法提供有效的支持。与之相对的高要求是使用水声通信、光通信、电磁波通信和磁通信等更稳定的通信方式，但其存在天线尺寸巨大、通信速度慢以及时延长等问题[4]，且大尺寸天线不适合游泳者佩戴，进而影响了使用范围。

国外在溺水检测方面的研究已经历时近40多年，已经从探索和实验阶段逐步步入产品改进阶段，然而我国在这一领域的研究仍处于相对初级阶段。早在1976年，美国Codina，Jorge G.I131申请了专利“游泳池报警”，但受限于当时的科技水平和计算机发展，该技术并未受到广泛关注和应用。2001年，法国VisionIQ公司开发了“海神号”溺水检测系统，该系统通过在泳池天花板和水下壁面安装红外线镜头RGB相机实现了对游泳者准确位置的定位，从而实现了泳池实时溺水检测的功能。然而，水下摄像头的维护成本十分昂贵，一套“海神号”系统的安装及维修费用折合人民币数百万元[5]。所以。因此，这种溺水检测系统无法实现大规模普及，而本项目研究的系统则具有价格低廉、操作简便等优点，更具实用价值，也更有利于推广和应用。

美国的Kingii[6]是一款轻便且易于携带的水中紧急救生手环，其原理是在手环上装配了一个救生气囊，佩戴者在遇险时拉开卡扣，救生气囊便会弹出，为佩戴者提供一定浮力，以保持头部露出水面。然而，由于气囊需要佩戴者手动拉开卡扣，部分溺水者在遇险时可能受惊而无法完成这一操作[7]，导致手环失去了其应有的功能。

针对上述问题，本研究采用了一种新型的无线传输方式，即LoRa（长距离低功耗射频通信）无线传输技术，并结合了GPS定位技术、心率监测技术等相关方法。通过在智能救生手环中嵌入LoRa模块和心率传感器，并在自动救生船上配置接收设备，建立起了“多对一”的通信系统，实现了求救者心率情况和GPS定位坐标的实时获取与传输。

1 智能防溺水系统概述

智能防溺水系统主要由两部分组成：智能救生手环和自动搜救船。其中，救生手环包括心率传感器、自动救生气囊、无线传输模块和GPS定位模块等。该手环通过实时监测佩戴者的心率变化来判断是否发生溺水情况，一旦发生紧急情况，手环将自动弹出安全气囊，并通过LoRa无线通信模块传输求救信号和GPS定位数据等信息至救生船。救生船在接收到求救信号后将自动驶向溺水者附近进行救援。该系统的框图如图1所示。LoRa无线传输技术的应用使救生手环与救生船相結合，为智能防溺水系统提供了更广阔的信息覆盖面，从而使自动救援船的救援范围大大提高，实现了物物之间的交互，使得手环更加智能、传输更加稳定、救援更加高效。

2 救生手环选用LoRa无线通信技术的原因

LoRa[8]无线传输技术是一种适用于物联网设备的低功耗广域网（LPWAN） 通信技术，在智能救生手环上具有广泛的应用及各种优势。

首先，LoRa技术的一大优势是其长距离传输能力。该技术能够在城市和乡村等广阔范围内传输数据，甚至在障碍物密集的环境下也能有良好的覆盖。这使得智能救生手环可以通过LoRa网络与救生设备进行远程通信，实时传输手环的位置信息、健康数据等。

其次，LoRa技术采用了低功耗设计，能够延长智能救生手环的电池寿命。相比于传统的无线通信技术，LoRa在传输时仅需要较低的发射功率，因此能够大幅降低能耗。对于智能救生手环而言，长时间的电池寿命至关重要，以确保在紧急情况下能够持续地监测和传输数据。

另外，LoRa技术在连接密度方面也具有优势。LoRa网络能够支持大规模设备的连接，因此可以实现多个智能救生手环同时连接到同一个基站或网关。这对于大规模应用和集中监控非常有用，比如在大型活动、灾难现场或其他紧急情况下，可以监测和管理大量的智能救生手环。

最后，LoRa技术还具有良好的抗干扰性和可靠性。由于采用了扩频调制技术，LoRa信号在抵抗干扰和衰落方面表现出色。即使在多路径衰落环境中，LoRa技术也能保持稳定的连接和高质量的数据传输，确保智能救生手环的信息能够准确、可靠地传输。

综上所述，LoRa无线传输技术在智能救生手环上的应用具有长距离传输、低功耗设计、高连接密度和良好的抗干扰性等优势。这些优势使得智能救生手环能够远程监测和传输重要的健康数据，提供更好的安全保障。

3 LoRa协议的三种工作模式

LoRa模块有三种工作模式，分别为ClassA模式、ClassB模式和ClassC模式，这三种工作模式各有优劣，类A工作模式适用于低功耗和实时性要求不高的設备，类B工作模式提供了更好的实时性，适用于更高的实时性应用场景，而类C工作模式则适用于对实时性要求非常高的应用场景。具体如下：

1） ClassA模式：该模式是最常见且最基本的工作模式，网络中的设备具有双向通信能力，但通信时间由设备来控制。该模式下的设备功耗较低，适合于电池供电的设备。

2） ClassB模式：该模式在ClassA工作模式的基础上增加了基站的定时广播。基站会定期广播一个时间同步信标，设备可以根据该信标调整自身的接收时间窗口。相比类A工作模式，该模式在实时性方面有所提升，更适用于对实时性要求较高的场景。

3） ClassC模式：该工作模式最具灵活性但也面临最高的功耗问题。在该模式下，设备的接收窗口几乎始终打开，可以实时接收基站的数据。该模式需要更稳定的电源进行供电，然而，由于本系统手环无法提供稳定电源，故不选择此方案。

综上所述，本系统采用了ClassB的工作模式，具有较好的实时性和较低的功耗，能够一定程度上保证系统的电池续航和数据传输实时性。

4 LoRa无线通信技术在智能防溺水系统中的应用

智能手环必须将佩戴者的定位信息发送出去，救生船才能知道有求救信号并展开救援，因此信号的稳定传输至关重要。智能手环监测节点、网关和节点采用星形组网，数据传输方式采用数据帧模式。为了保证数据的可靠性和实时性，采用CRC算法对数据帧进行校验。LoRa无线通信模块的通信协议数据收发信息帧如表1所示。

在信息帧中，各数据的作用如下：

1） 帧头：作为一个信息帧开始的标志，设备识别到该代码后将后面的数据提取出来，进而对数据进行解析。

2） LORA-ADDR：用于区分不同的LoRa控制节点的标志，每个节点都有唯一的设备地址。当手环遇到危险情况并传输求救信号等数据时，网关能够识别该网关网络下的设备，并在云平台精准定位到该节点。

3） 数据：包括手环GPS定位到的经纬度以及佩戴者的心率数据。

4） CRC校验：循环冗余校验，在发送端的最后一位加上校验码。接收端在接收到一帧信息后先对其进行校验判断，判断是否能够被整除。若不能整除，则信息不完整，丢弃；反之，若能整除，则信息完整正确。

LoRa模块主要有三种运行模式，分别为发送、接收和空闲。手环主要处于发送状态，救生船主要处于接收状态，在没有报警信号的情况下，它们都处于空闲状态。当救生船接收到其他节点发送来的数据时，会向单片机发送中断请求，单片机对数据进行处理分析，并控制救生船移动到目标点进行救援。现对手环节点分为水中和水下两个状态进行分析，观察LoRa的数据传输及GPS定位是否准确。详细信息如表2、表3所示。

综上测试可知，处于水面上时，LoRa传输速度快且GPS定位准确。而处于水下状态时，GPS定位可能不准确，但是LoRa的数据传输仍然能进行，只是传输速度相对慢了些，但不影响整体系统的正常运行。因此，采用LoRa进行手环与救生船之间的信息传输是可行的方案。

5 结束语

本设计针对现有救生手环多处于非智能化状态的问题，设计并研究了一款基于LoRa通信传输的智能救生系统。该系统在手环上增加了定位装置及通信设备，实现了与救生船之间的互联，使得佩戴者遇到危险情况时不仅可以手动打开安全气囊，还可以自动打开救生气囊并向救生船发送求救信号和位置信息等。救生船主节点接收到求救信号后，根据接收到的位置信息移动船体使之靠近目标节点。这既使得救生手环实现了智能化和自动化，又进一步提高了救援效率。

参考文献：

[1] 操作不当防溺水手环难救命[J].发明与创新（大科技），2018（6）：16.

[2] 惠鹏飞，邹立颖，周健.基于STM32的蓝牙无线多功能智能手环设计[J].高师理科学刊，2023，43（11）：27-31，38.

[3] 何向阳，刘彬.基于物联网技术的智能防溺水系统设计与实现[J].电子制作，2023，31（21）：93-96.

[4] 范泽国.基于磁感应的水下无线通信技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.

[5] 乔羽.基于Mask R-CNN泳池中溺水行为检测系统的设计与实现[D].青岛：青岛大学，2019.

[6] 袁彬.手腕上的保护神[J].中学生百科，2016（33）：2.

[7] 为什么受到惊吓时大脑会一片空白[J].科学大众（中学生），2020（5）：3.

[8] 赵文举.低功耗广覆盖LoRa系统的研究与应用[D].北京：北京邮电大学，2019.

【通联编辑：谢媛媛】