泳池人身安全超声监测软件系统开发
泳池人身安全超声监测软件系统开发[20191215152314]
摘 要
由于人们生活水平的提高，游泳池逐渐成为了普遍的休闲与健身锻炼场所，在众多健身锻炼项目中游泳是对健康非常有益、老少皆宜的项目。但由于人力资源成本的不断提升，维护人员的减少，救援设备的陈旧，导致救援的不及时，致使泳池内发生溺水事件屡见不鲜。因此怎样有效保障泳池内消费者的人身安全是一个很有意义的课题。
本文以实验为基础，结合理论分析，利用超声波水下通信技术和无线数传技术相结合，开发一种泳池人身安全监测系统。此人身安全监测系统，包括信息的实时采集部分和监测部分，可以实时采集泳池内消费者的水中状态信息，并在移动设备和监控室中同时显示，并具有异常报警功能。主要方法是水下采集装置不断判断是否有信号传入，若一旦有信号传入则说明有某泳帽入水，即人体头部入水，若在设定时间内信号断开连接，则时间清零，重新开始判断。一旦时间超过所设定的最大值，则默认为溺水，经过水下有线传输至岸边无线发射模块，分别向移动监测端和监控室端的上位机发出报警信号，及时提醒救援。
此系统避免了人工监测失误的情况，提高了泳池监测的全面性，对有效保障泳池游泳人员人身安全的自动检测系统开发有良好的借鉴意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:池游人身安全；超声与无线；自动监测系统；软件开发
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研制背景与意义 1
1.2课题相关研发现状的调研与分析 1
1.3本文主要工作和结构 2
第二章 系统方案论证 4
2.1作品整体方案设计 4
2.2系统硬件框架设计 6
2.3系统软件总体流程设计 8
2.4软件开发语言及平台选择论证与设计 9
2.4.1软件开发语言及平台选择论证 9
2.4.2 控制程序的设计 9
2.4.3上位机程序的开发 10
2.5 本章小结 10
第三章 系统硬件电路设计与实现 11
3.1总体功能的需求分析 11
3.2水下通信的硬件的需求分析 11
3.2.1 波形产生电路 11
3.2.2 信号调制单元 13
3.2.3 信号解调单元 14
3.3水上通信的硬件的需求分析 15
3.3.1 无线发射单元 15
3.3.2 无线接收单元 16
3.4 本章小结 16
第四章 软件系统设计与实现 17
4.1 软件系统结构功能设计 17
4.2 手持式监测装置的设计与实现 17
4.2.1 无线模块 18
4.2.2 显示单元 19
4.3 上位机的设计与实现 20
4.3.1 管理系统整体功能 20
4.3.2 登陆界面单元 21
4.3.3 管理界面单元 22
4.3.4 异常报警单元 23
4.3.5 数据库单元 24
4.4 数据传输的程序设计 26
4.4.1 水声通信单元 26
4.4.2 无线通信单元 27
4.5 本章小结 29
第五章 系统调试 30
5.1水下通信效果测试 30
5.2水上通信效果测试 31
5.3 软件监测实时性测试 31
5.4 系统存在不足与解决措施 31
5.5 本章小结 32
第六章 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 34
致 谢 36
附 录 37
附录A 上位机主要部分程序 37
附录B 课题调试图片 46
附录C 外文翻译 48
附录D 本科期间的相关科技成果 58
第一章 绪论
1.1课题的研制背景与意义
游泳池是人们日常锻炼及休闲的场所之一，随着生活条件的提高，越来越多的人将游泳池作为了一个休闲场所，娱乐的需要。但是人们往往在享受的同时，却忽略了一些安全隐患[1]，想着就算有什么特殊情况，身边的人也会照应的到。由于在水中，人的行动受到了一定的限制，反应也没有水上那么敏捷。对于小孩或老人，更容易会受到呛水或晕眩等情况，对于患有抽筋等相关症状的人群，易在水中抽搐导致溺水，从而导致不必要的人身安全事故[2][3]。
根据《2000年至2005年中国儿童意外溺水状况调查结果报告》显示，中国儿童溺水事故属于上升趋势，每年约有3万儿童死于溺水，其中约有20%的不幸者游泳场所是游泳池[4]。一方面是游泳者因本身的因素而造成的，另一方面，游泳的场所设施建设也是一大原因所在，有些泳池设备陈旧，救援力度不够等也是一大原因[5]，另外，泳池维护人员的人为监测难免会有疏忽，不可能全天候的实时监测泳池的动态，由此而造成的事故[6][7]，这是我们最不想看到的。
针对上述原因，有必要研制一种，可以实时监测泳池内人员安全状况的系统一方面可以统计泳池人数，便于核算，另一方面，可以实时得到游泳者的信息，即头部是在水上还是水下，以及保持在水下的时间。本系统正式凭借这样一套设计理念。首先，游泳者本身可以实时发出当前状态，岸边接收装置实时接收，监控室内也能监测永池内人员安全状态[8]，这样不但可以减小工作人员的压力，更重要的是可以实时监测泳池内的人身安全，还能统计游泳者进入和离开泳池的时间[9][10]。一旦发生长时间处在水下事件，能及时发出报警，提醒工作人员及时抢救，不仅减少了事故的发生，也大大提高了泳池的安全性。
1.2课题相关研发现状的调研与分析
随着信息技术的不断发展，人们开发计算机软件显得更为重要，时代性更为鲜明，软件工程也从面向对象发展到面向组件，再到面向服务类型，前后大概用了20年的发展时间[11]。
自从1985提出的面向对象问世后，软件工程越来越受到人们的重视，以各种各样的形式展现在人们的面前，可堪是百花争艳，其中最突出的无疑是Booch、Rumbaugh和Jacobson为代表的三种面向对象技术。
但随着时代的不断发展，人们对软件的需求量也是不断增加，需求也从单一式变成了多样式，这样就导致软件开发趋向复杂化和大型化，原本的程序开发人员满足不了如此巨大的工程，导致软件的成本增加。到六十年代末，人们明显感觉到软件危机，由于技术人员的匮乏，很多有漏洞的软件系统一起涌向市场，质量急剧下降。直到1967和1968年欧洲召开的两次软件国际会议，第一次提出了“软件工程”这个词，从此软件工程形成了一门学科正式诞生[12]。
目前，为了满足灵活的企业需求，全球软件开发已经形成模块化，将各种各样的信息打包，这样不仅减少了程序员的工作量，也大大提高了软件系统的可维护性。当前主流信息平台Internet给人们带来了非常便捷的交流方式。因此Internet也成为了软件技术研究的热点。世界上各种各样的软件公司凭借着它完成各种各样的产品，应用于各种行业，工业，农业，银行，航空，政府部门等。典型的软件应用有游戏，人机界面，编译器，操作系统等。
因此，目前的软件工程发展速度快，内容丰富，有着很大价值和发展空间。正因为现代软件工程的炙热发展[13]，也为了适应时代的先进性，这套泳池监测管理系统就是软件开发的一个作品，完美实现了人身安全监测功能，提高了泳池监测的安全性[14]。
1.3本文主要工作和结构
根据上述背景和泳池溺水现状，结合软件系统，制作了一套安全监测管理系统。此软件系统能够实时采集泳者现状，一旦泳者出现异常，及时发现和救援，解决了泳池内部由于人为失误原因而导致的人身安全问题。
本文结构安排如下：
第一张，绪论。本章主要介绍了课题背景和意义，及软件工程的发展现状，课题主要实现功能。
第二章，作品整体方案设计。本章主要介绍了作品硬件和软件的整体方案设计，软件总体流程，及开发语言平台的选择。
第三章，基于软件系统的硬件电路的设计。本章主要讲述了硬件电路方面的设计与实现，包括信息采集于传输。
第四章，软件系统的设计与实现。本章主要讲述的是运行于硬件上的软件系统的开发，以及上位机管理系统的设计与实现，包括上位机各个部件的讲解。
第五章，系统测试。本章主要讲述的是系统制作调试之间的各个部件的测试，以及制作完成之后的整体系统测试。
第六章，总结与展望。本章主要讲述的是对课题的制作过程中的总结和对课题前景的展望。
第二章 系统方案论证
2.1作品整体方案设计
图2.1 系统整体框图
现有游泳馆内监护工作大部分都采取的是工作人员池边肉眼观察，以鸣哨作为警报信号，其中必然存在着人为失误，例如观察不仔细，粗心或发现不及时等，易造成不必要的事故。本作品有效弥补了上述存在的缺陷，采用一套安全而有效的监测系统[15]，自动监测泳池内部人员的安全状态。
此系统分为信息采集部分和管理报警单元。信息采集单元主要分为信号发射装置，信号接收装置及显示装置。根据泳池规定，每位游泳者必须佩戴泳帽才允许下水，所以泳帽是每个人的共性。因此发射设备安装在泳帽内，可以发射出一定频率的超声波，再通过MCU控制发送数据，包括泳帽的ID号和当前水中状态（水上，水下）。而与之配对的接收装置，以网状形式分布在泳池底部，实时判断是否有泳帽发过来的信息[16]。一旦接收到信息，则通过泳池底部的连线连接到岸边的无线发送装置，将数据发送至手持式监测装置上和管理系统内，后者可以分辨落水状况来进行计时。一旦达到所设定的最大时间，则启动报警功能。
系统的实物模拟图如图2.2。标号1为信息发送装置，不断发送超声波，标号2为泳池底部的超声波接收装置，标号3为岸边的无线发射装置，将数据发送到手持式监测装置上和监控室内的监控系统中。
图2.2 系统实物模拟图
对于数据传输方式，作品前期采用三种方案，分别是射频技术，无线传输技术和超声波与无线结合传输技术。根据实际情况和成本等因素，进行方案论证，最终选择了第三种方案。
第一种方案采用的是射频识别(Radio Frequency Identification，简称：RFID)技术，此技术采用的是无线电通讯，无需与特定目标进行接触式识别，而是通过产生的电磁场，把数据从贴在物品上的标签中发送出去，接收设备就会进行解析，已达到无接触式接收数据的效果。利用此技术在泳池监测中，只需在泳池上方安装一个RFID接收器，泳帽内贴上RFID标签，就可以实时接收到标签内的数据，接收范围可达数十米。缺点在于其价格昂贵，在实际泳池中理论上可行，但在本作品中不是一个最合适的实验对象。
第二种采用的是无线传输技术。发射装置在泳帽内部，接收装置在泳池上空，只需3到4个点就可以实现全覆盖接收信号[17] [18]。这样只使用了一种传输方式，数据的误码率很低，速度快。但其中不足之处在于无线信号在水和空气两种介质中传输时，损耗很大，信息几乎不能正确传输，这点实验中也对其进行验证过。另外，泳池中人数过多时发送信号量过多，接收装置易发生紊乱，造成死机。因此结合种种原因，这种方案也不是一个很好的选择。
第三种采用的是超声波。利用超声波的水声通信的技术[19]，将接收装置以网状分布在泳池底部。采用的超声探头在正常的空气中是不能接收到超声信号的，需要传输的介质为水的时候才能正常通信[20]。因此工作原理是当人体头部在水上时，池底接收设备收不到信号，一旦泳帽进入水中，即人体头部入水，接收装置就可以接收到泳帽发来的信号，并通过无线装置发射给手持式监测装置和上位机系统，后者开始计时，一旦超过所设定的值则报警。此方案结合了两种数据传输技术，利用了各自的优点，使系统能更好的运行。
摘 要
由于人们生活水平的提高，游泳池逐渐成为了普遍的休闲与健身锻炼场所，在众多健身锻炼项目中游泳是对健康非常有益、老少皆宜的项目。但由于人力资源成本的不断提升，维护人员的减少，救援设备的陈旧，导致救援的不及时，致使泳池内发生溺水事件屡见不鲜。因此怎样有效保障泳池内消费者的人身安全是一个很有意义的课题。
本文以实验为基础，结合理论分析，利用超声波水下通信技术和无线数传技术相结合，开发一种泳池人身安全监测系统。此人身安全监测系统，包括信息的实时采集部分和监测部分，可以实时采集泳池内消费者的水中状态信息，并在移动设备和监控室中同时显示，并具有异常报警功能。主要方法是水下采集装置不断判断是否有信号传入，若一旦有信号传入则说明有某泳帽入水，即人体头部入水，若在设定时间内信号断开连接，则时间清零，重新开始判断。一旦时间超过所设定的最大值，则默认为溺水，经过水下有线传输至岸边无线发射模块，分别向移动监测端和监控室端的上位机发出报警信号，及时提醒救援。
此系统避免了人工监测失误的情况，提高了泳池监测的全面性，对有效保障泳池游泳人员人身安全的自动检测系统开发有良好的借鉴意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:池游人身安全；超声与无线；自动监测系统；软件开发
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研制背景与意义 1
1.2课题相关研发现状的调研与分析 1
1.3本文主要工作和结构 2
第二章 系统方案论证 4
2.1作品整体方案设计 4
2.2系统硬件框架设计 6
2.3系统软件总体流程设计 8
2.4软件开发语言及平台选择论证与设计 9
2.4.1软件开发语言及平台选择论证 9
2.4.2 控制程序的设计 9
2.4.3上位机程序的开发 10
2.5 本章小结 10
第三章 系统硬件电路设计与实现 11
3.1总体功能的需求分析 11
3.2水下通信的硬件的需求分析 11
3.2.1 波形产生电路 11
3.2.2 信号调制单元 13
3.2.3 信号解调单元 14
3.3水上通信的硬件的需求分析 15
3.3.1 无线发射单元 15
3.3.2 无线接收单元 16
3.4 本章小结 16
第四章 软件系统设计与实现 17
4.1 软件系统结构功能设计 17
4.2 手持式监测装置的设计与实现 17
4.2.1 无线模块 18
4.2.2 显示单元 19
4.3 上位机的设计与实现 20
4.3.1 管理系统整体功能 20
4.3.2 登陆界面单元 21
4.3.3 管理界面单元 22
4.3.4 异常报警单元 23
4.3.5 数据库单元 24
4.4 数据传输的程序设计 26
4.4.1 水声通信单元 26
4.4.2 无线通信单元 27
4.5 本章小结 29
第五章 系统调试 30
5.1水下通信效果测试 30
5.2水上通信效果测试 31
5.3 软件监测实时性测试 31
5.4 系统存在不足与解决措施 31
5.5 本章小结 32
第六章 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 34
致 谢 36
附 录 37
附录A 上位机主要部分程序 37
附录B 课题调试图片 46
附录C 外文翻译 48
附录D 本科期间的相关科技成果 58
第一章 绪论
1.1课题的研制背景与意义
游泳池是人们日常锻炼及休闲的场所之一，随着生活条件的提高，越来越多的人将游泳池作为了一个休闲场所，娱乐的需要。但是人们往往在享受的同时，却忽略了一些安全隐患[1]，想着就算有什么特殊情况，身边的人也会照应的到。由于在水中，人的行动受到了一定的限制，反应也没有水上那么敏捷。对于小孩或老人，更容易会受到呛水或晕眩等情况，对于患有抽筋等相关症状的人群，易在水中抽搐导致溺水，从而导致不必要的人身安全事故[2][3]。
根据《2000年至2005年中国儿童意外溺水状况调查结果报告》显示，中国儿童溺水事故属于上升趋势，每年约有3万儿童死于溺水，其中约有20%的不幸者游泳场所是游泳池[4]。一方面是游泳者因本身的因素而造成的，另一方面，游泳的场所设施建设也是一大原因所在，有些泳池设备陈旧，救援力度不够等也是一大原因[5]，另外，泳池维护人员的人为监测难免会有疏忽，不可能全天候的实时监测泳池的动态，由此而造成的事故[6][7]，这是我们最不想看到的。
针对上述原因，有必要研制一种，可以实时监测泳池内人员安全状况的系统一方面可以统计泳池人数，便于核算，另一方面，可以实时得到游泳者的信息，即头部是在水上还是水下，以及保持在水下的时间。本系统正式凭借这样一套设计理念。首先，游泳者本身可以实时发出当前状态，岸边接收装置实时接收，监控室内也能监测永池内人员安全状态[8]，这样不但可以减小工作人员的压力，更重要的是可以实时监测泳池内的人身安全，还能统计游泳者进入和离开泳池的时间[9][10]。一旦发生长时间处在水下事件，能及时发出报警，提醒工作人员及时抢救，不仅减少了事故的发生，也大大提高了泳池的安全性。
1.2课题相关研发现状的调研与分析
随着信息技术的不断发展，人们开发计算机软件显得更为重要，时代性更为鲜明，软件工程也从面向对象发展到面向组件，再到面向服务类型，前后大概用了20年的发展时间[11]。
自从1985提出的面向对象问世后，软件工程越来越受到人们的重视，以各种各样的形式展现在人们的面前，可堪是百花争艳，其中最突出的无疑是Booch、Rumbaugh和Jacobson为代表的三种面向对象技术。
但随着时代的不断发展，人们对软件的需求量也是不断增加，需求也从单一式变成了多样式，这样就导致软件开发趋向复杂化和大型化，原本的程序开发人员满足不了如此巨大的工程，导致软件的成本增加。到六十年代末，人们明显感觉到软件危机，由于技术人员的匮乏，很多有漏洞的软件系统一起涌向市场，质量急剧下降。直到1967和1968年欧洲召开的两次软件国际会议，第一次提出了“软件工程”这个词，从此软件工程形成了一门学科正式诞生[12]。
目前，为了满足灵活的企业需求，全球软件开发已经形成模块化，将各种各样的信息打包，这样不仅减少了程序员的工作量，也大大提高了软件系统的可维护性。当前主流信息平台Internet给人们带来了非常便捷的交流方式。因此Internet也成为了软件技术研究的热点。世界上各种各样的软件公司凭借着它完成各种各样的产品，应用于各种行业，工业，农业，银行，航空，政府部门等。典型的软件应用有游戏，人机界面，编译器，操作系统等。
因此，目前的软件工程发展速度快，内容丰富，有着很大价值和发展空间。正因为现代软件工程的炙热发展[13]，也为了适应时代的先进性，这套泳池监测管理系统就是软件开发的一个作品，完美实现了人身安全监测功能，提高了泳池监测的安全性[14]。
1.3本文主要工作和结构
根据上述背景和泳池溺水现状，结合软件系统，制作了一套安全监测管理系统。此软件系统能够实时采集泳者现状，一旦泳者出现异常，及时发现和救援，解决了泳池内部由于人为失误原因而导致的人身安全问题。
本文结构安排如下：
第一张，绪论。本章主要介绍了课题背景和意义，及软件工程的发展现状，课题主要实现功能。
第二章，作品整体方案设计。本章主要介绍了作品硬件和软件的整体方案设计，软件总体流程，及开发语言平台的选择。
第三章，基于软件系统的硬件电路的设计。本章主要讲述了硬件电路方面的设计与实现，包括信息采集于传输。
第四章，软件系统的设计与实现。本章主要讲述的是运行于硬件上的软件系统的开发，以及上位机管理系统的设计与实现，包括上位机各个部件的讲解。
第五章，系统测试。本章主要讲述的是系统制作调试之间的各个部件的测试，以及制作完成之后的整体系统测试。
第六章，总结与展望。本章主要讲述的是对课题的制作过程中的总结和对课题前景的展望。
第二章 系统方案论证
2.1作品整体方案设计
图2.1 系统整体框图
现有游泳馆内监护工作大部分都采取的是工作人员池边肉眼观察，以鸣哨作为警报信号，其中必然存在着人为失误，例如观察不仔细，粗心或发现不及时等，易造成不必要的事故。本作品有效弥补了上述存在的缺陷，采用一套安全而有效的监测系统[15]，自动监测泳池内部人员的安全状态。
此系统分为信息采集部分和管理报警单元。信息采集单元主要分为信号发射装置，信号接收装置及显示装置。根据泳池规定，每位游泳者必须佩戴泳帽才允许下水，所以泳帽是每个人的共性。因此发射设备安装在泳帽内，可以发射出一定频率的超声波，再通过MCU控制发送数据，包括泳帽的ID号和当前水中状态（水上，水下）。而与之配对的接收装置，以网状形式分布在泳池底部，实时判断是否有泳帽发过来的信息[16]。一旦接收到信息，则通过泳池底部的连线连接到岸边的无线发送装置，将数据发送至手持式监测装置上和管理系统内，后者可以分辨落水状况来进行计时。一旦达到所设定的最大时间，则启动报警功能。
系统的实物模拟图如图2.2。标号1为信息发送装置，不断发送超声波，标号2为泳池底部的超声波接收装置，标号3为岸边的无线发射装置，将数据发送到手持式监测装置上和监控室内的监控系统中。
图2.2 系统实物模拟图
对于数据传输方式，作品前期采用三种方案，分别是射频技术，无线传输技术和超声波与无线结合传输技术。根据实际情况和成本等因素，进行方案论证，最终选择了第三种方案。
第一种方案采用的是射频识别(Radio Frequency Identification，简称：RFID)技术，此技术采用的是无线电通讯，无需与特定目标进行接触式识别，而是通过产生的电磁场，把数据从贴在物品上的标签中发送出去，接收设备就会进行解析，已达到无接触式接收数据的效果。利用此技术在泳池监测中，只需在泳池上方安装一个RFID接收器，泳帽内贴上RFID标签，就可以实时接收到标签内的数据，接收范围可达数十米。缺点在于其价格昂贵，在实际泳池中理论上可行，但在本作品中不是一个最合适的实验对象。
第二种采用的是无线传输技术。发射装置在泳帽内部，接收装置在泳池上空，只需3到4个点就可以实现全覆盖接收信号[17] [18]。这样只使用了一种传输方式，数据的误码率很低，速度快。但其中不足之处在于无线信号在水和空气两种介质中传输时，损耗很大，信息几乎不能正确传输，这点实验中也对其进行验证过。另外，泳池中人数过多时发送信号量过多，接收装置易发生紊乱，造成死机。因此结合种种原因，这种方案也不是一个很好的选择。
第三种采用的是超声波。利用超声波的水声通信的技术[19]，将接收装置以网状分布在泳池底部。采用的超声探头在正常的空气中是不能接收到超声信号的，需要传输的介质为水的时候才能正常通信[20]。因此工作原理是当人体头部在水上时，池底接收设备收不到信号，一旦泳帽进入水中，即人体头部入水，接收装置就可以接收到泳帽发来的信号，并通过无线装置发射给手持式监测装置和上位机系统，后者开始计时，一旦超过所设定的值则报警。此方案结合了两种数据传输技术，利用了各自的优点，使系统能更好的运行。
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