摘要：本文针对防溺水预警系统的设计，主要从溺水检测识别以及位置定位两大技术上对现有专利技术进行梳理，对常用的溺水检测传感器类型、无线定位原理、溺水预警架构进行了详细介绍。 关键词：防溺水；传感器；定位；无线；预警
一、前言
游泳作为一项热门的体育运动，广泛受到人们的喜爱。但是近年来，溺水事件频频发生，这不但为热爱游泳的人士带来恐惧，也未泳池经营者带来莫大的经济损失。因此，如何调高防溺水的预警监测以及安全保障，是目前亟需解决和提高的技术问题。 目前的泳池防溺水安全监测装置，多是以穿戴装置实现，如游泳用户佩戴的智能手环、泳帽、泳镜。基于自动报警装置实现危险监测以及预警提示功能，避免人工肉眼监测的判断失误，提高防溺水救助及时性。
二、关键技术分析
防溺水的自动预警功能的实现主要基于两大技术：溺水自动检测、判断以及溺水位置定位。只有保证这两大功能的准确性，才能提高溺水自动监测预警的准确性和救助及时性。
溺水自动检测、判断。对于溺水时的检测，目前主要技术多种传感器实现，如水压传感器、姿态传感器、生理体征传感器、图像传感器、基于无线信号传输技术等。下面详细地对各传感器的监测功能以及判断方法进行描述。
水压传感器，用于通过监测当前传感器的压力，该压力值表征当前水深处的产生的水压，通过设置预定的溺水深度处的压力值，将当前传感器监测的水压与预设阈值进行比较，当大于该预设水压时，即表征用户所处位置在溺水深度以下，即判断为存在溺水危险。但仅仅是基于水压这一单一因素进行溺水判断时，由于一些资深游泳人员通常会在深水区进行较大深度处的游泳体验，此时如果仅仅依据水压超过预设参考值，即判断为溺水，则存在一定的误报。此时，如专利CN107134116A、CN106364643A均记载了：基于水压信息以及时间信息共同参与判断，即只有同时满足水压超过一定参数阈值、连续处于水压超过该阈值的时间满足一定时间阈值时，才判断为存在溺水风险，触发后续预警提示以及救助操作。以避免对正常游泳人员带来不必要的打扰，或是为泳池安保人员带来繁重的工作任务。
姿态传感器、生理体征传感器。如专利CN104318716A记载有：其采集运动姿态并转换为电信号，并对该电信号进行运动姿态解析，判断是否处于溺水状态，即通过运动解析算法识别出溺水姿态与常规游泳姿态的不同，判断游泳者是否出现溺水。但该种基于运动传感器监测溺水姿态的方式，是基于用户已经发生溺水之后的一定时间内才能监测出来，即不能在溺水初期 或是溺水即将发生前给予判断，导致监测效率低，救助及时性差。基于此，专利CN108376456A记载有：结合运动传感器以及生理状态传感器共同监测游泳者身体状态信息，由于可穿戴设备佩戴者在进行游泳运动时，由于运动消耗能量，因此能量代谢率较非游泳状态下的能量代谢率高，心率比非游泳状态下的心率高，水中体表温度较非游泳状态下的体表温度低，因此，可穿戴设备可以根据运动状态信息和身体状态信息确定出该可穿戴设备佩戴者的当前运动状态。
图像传感器。如专利CN108647575A记载有：通过或取游泳者游泳时的图像信息，利用用免疫遗传算法对游泳者进行检测和跟踪，得到其位置和运动轨迹信息，利用LSTM提取得到每个游泳者具有时序信息的行为特征，并通过Softmax分类层得到是否溺水的判断。该种基于图像的行为分析方式准确度较高，但数据处理量较大，较为耗时，会一定程度降低溺水判断的及时性，且防溺水设备的制造成本较大。
无线信号传输技术。如专利CN113570825A记载有：每个进入游泳馆内的泳客均佩戴有一个泳客标签，在游泳池的正上方排布若干个定位，每个定位用于实时接收处于泳池范围内的泳客标签通过蓝牙回馈的标签信号，每个定位将接受到的对应的泳客标签的标签信号实时反馈给交换机。基于电磁波会被水分子吸收衰减的原理，利用算法引擎服务器获取泳客标签的实时信号强度，以泳客标签的实时信号强度为主要变量，建立对应数学模型和工程计算模型，设计优化识别决策算法，实时计算泳客标签入水深度、入水时间的信息进行决策。预设深度阈值、大于深度阈值状态下的连续时间阈值，当防溺水预警及救生应用模块监测到两项数值均大于阈值时。判断为发生溺水危险。即其通过无线信号强度获取游泳者所处水深信息，该无线通信技术可基于蓝牙、RFID、WIFI、Zigbee等无线通信技术实现。
溺水位置定位的准确获取是保证溺水救援及时性的关键。定位技术主要包括无线通信以及图像处理两大类。
基于图像处理的定位技术，如专利CN114463941A记载有：通过防溺水告警系统中的图像识别装置，确定环境图像中人物所在的位置与河岸之间的目标距离；根据位置以及比例尺
确定位置对应的告警距离；在目标距离小于或等于告警距离的情况下，向防溺水告警系统中的告警提示装置输出告警指令。即通过图像识别装置准确地识别人物以及人物所在的位置，对人物所在的位置以及对应的告警距离进行精准地定位。该种技术的优势在于监测模块比较少，布设简单，但是图像处理过程较为复杂。专利CN110119718A记载有：监控视频输入单元采用红外摄像头对水面图像数据进行实时采集， 并将视频图像传输至监控终端，落水人员检测单元使用训练好的具有最优权重的检测网 络对输入至监控终端的视频图像实时检测。一旦检测发现有落水人员， 会在监控画面中框定落水人员所在位置，并给出控制信号。即基于预先训练的模型对图像中位置数据进行计算获取。
基于无线通信定位技术。如通过在游泳者身上携带装配有定位装置的便携终端，专利 CN103745572A记载有：便携式救生装置包括定位模块、通信模块等，定位模块可以由GPS定位单元、GSM定位单元、水声定位单元和/或WiFi定位单元组成，也可以由GPS定位单元、水声定位单元和/或WiFi定位单元组成，或由GSM定位单元、水声定位单元和/或WiFi定位单元组成。水声定位单元进一步包括信号收发机、超声波换能器。当定位模块由GPS定位单元、GSM定位单元、水声定位单元及WiFi定位单元组成时，在陆地上使用时，可以根据GPS定位单元、GSM定位单元及WiFi定位单元定位准确性择一选择定位方式；在
水中使用时，如果服务器端在预设时间段内，无法获取到GSM定位单元、GPS定位单元及WiFi定位单元的定位数据，则开启水声定位单元，便携式救生装置由水声定位单元进行定位。即其依据不同的使用场景以及通信需求，通过设置不同类型的定位模块予以位置。
此外，在依据无线信号定位时，通常需要在游泳池底部或顶部，覆盖泳池范围内设置于用户身上携带的无线通信装置对应的多个无线信号交互装置。如专利CN104994302A记载有：游泳者佩戴头戴式RFID电子标签，RFID电子标签实时监测游泳者头部在水面一下的水压物理参数变化值，判断后确定相应的事件类型，将该类型的事件ID发送出去，游泳者游经池底定向无线信号触发器A1-A9时，最近的无线信号触发器将接收信号并通过桥架线管30内的RS485总线传输至全向无线信号收发器中继3，再无线传输至智能终端中央控制器，告知监控人员该ID设备的位置信息。通常，用户随身携带的通信标签会整合前述的溺水监测传感器，并在无线通信模块基于溺水事件被触发后，进而联动场区摄像头设备，对溺水事件作出更为全面快速的事实获取。该种无线通信技术，通常还可以选择WIFI、Zigbee技术实现。
防溺水系统的其他辅助性功能器件，如求救按钮。通过游泳者自身的自救操作，按下按钮
后，按钮连接的无线通信装置被触发，发送报警信号至监控人员终端，使其对泳池进行查看救援。此外，通常在安保人员处设置带有显示屏的监控终端以及安保人员手中的手持终端，使得其无需一直坚守在显示屏处，即在巡逻时仍能够获得预警信息。
三、总结
防溺水预警组件的发展目前发展较为成熟，但该种产品的普及程度较低，在日常生活中，很难看到场地内提供的防溺水监测设备，通过实体店以及网络售卖的相应产品也是极少。虽然泳池中溺水身亡事件鲜有发生，但由于溺水时救援黄金时间较短，一些单独游泳者或是初学者，尤其对儿童或是青少年，佩戴该类安装设备还是非常有必要的，游泳场馆以及学校等单位应该在宣扬安全水域游泳的同时，对该类安全救援设备进行普及。此外，该类防溺水预警系统在位置定位以及在溺水检测判断快速性方面还有待提高，以保证在及早发现该类时间，保证最佳救援时间。
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