本發(fā)明涉及游泳過程中的異常監(jiān)測及主動求救方式，具體包括一種多功能智能游泳手環(huán)以及游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

游泳是一項全身性的體育運動，素有“運動之王”的美稱。這主要得益于游泳能夠避免常規(guī)運動可能會對人體關(guān)節(jié)造成的損傷，而且益處多多。游泳需要人們在水中不停地伸展、蜷縮、轉(zhuǎn)身、撥水等，重復(fù)的伸縮動作可以幫助提高身體的柔韌性和靈活性，同時需要各部位的肌肉協(xié)調(diào)用力，使得全身肌肉都能得到鍛煉。與此同時，游泳可以改善人們的精神狀態(tài)，幫助人們緩解日常的工作生活壓力。因此游泳受到人們的廣泛歡迎，逐漸成為了健身的最佳項目之一。生活在現(xiàn)代都市當中，我們經(jīng)常會選擇去公共游泳館游泳。然而。在人流量較大、區(qū)分度較低的游泳館中，游泳者若發(fā)生溺水或者緊急情況，救生員可能無法第一時間獲得信息并做出及時的判斷，錯過最佳救援時機。

隨著人們對此類問題的日益關(guān)注，出現(xiàn)了一些相關(guān)的產(chǎn)品及專利，比如CN 104517410 A(一種智能防溺水系統(tǒng)及方法)、CN 104484654 A(基于模式識別與指紋匹配定位算法的防溺水識別方法)、CN 205022830 U(手腕式充氣救生設(shè)備)、CN 104537273 A(一種溺水模式智能推理系統(tǒng)及方法)等。以上這些產(chǎn)品和專利中，它們有的設(shè)置了求救按鈕以快速啟動報警功能，并通過揚聲器或閃光燈向外界發(fā)出警報，有的通過向氣囊快速充入氣體以達到上浮的目的，有的利用游泳者的運動視頻判斷游泳者是否出現(xiàn)異常情況等。然而不難發(fā)現(xiàn)：它們在使用效果、靈活性、對環(huán)境的適應(yīng)性等許多方面存在諸多問題，例如，求救按鈕的設(shè)置無法很好地避免誤碰、誤按的問題；聲音和閃光的報警形式在游泳館嘈雜的環(huán)境中很難引起人們的注意；利用運動視頻進行判斷時有些用戶的身體特征差異不大，導(dǎo)致結(jié)果準確度較低等。因此，這些產(chǎn)品及專利并不能很好地適用于游泳館及類似的游泳環(huán)境中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)無法及時、準確判斷游泳者的異常情況，可能錯過最佳救援時機、用戶在發(fā)生異常情況時的報警方式受環(huán)境的影響較大等問題，本發(fā)明提供一種多功能智能游泳手環(huán)以及游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置及方法，主要包括智能游泳手環(huán)、無線結(jié)點、服務(wù)器及監(jiān)控終端。

本發(fā)明所述的多功能智能游泳手環(huán)是采用如下方案實現(xiàn)的：一種多功能智能游泳手環(huán)，包括呈環(huán)狀的腕帶；所述腕帶上設(shè)有傳感器模塊、通信控制模塊、顯示模塊、振動馬達模塊和/或揚聲器模塊以及向上述模塊供電的電源；通信控制模塊與各個模塊間相連接并和外部進行通訊；所述傳感器模塊包括三軸加速度傳感器、陀螺儀、心率傳感器和血壓傳感器；其中心率傳感器和血壓傳感器位于腕帶的內(nèi)側(cè)以便緊貼游泳者的手腕內(nèi)側(cè)；三軸加速度傳感器、陀螺儀、通信控制模塊、振動馬達模塊和/或揚聲器模塊以及電源均內(nèi)置于腕帶內(nèi)部；顯示模塊位于腕帶外側(cè)。

進一步的，腕帶外側(cè)上設(shè)有一個盛液模塊和手柄模塊；所述盛液模塊包括一個一端開口的盛液管；所述手柄模塊包括一個通過轉(zhuǎn)動扣合在盛液管上并與盛液管之間實現(xiàn)密封的手柄；手柄的前端延伸出盛液管設(shè)有開口的一端，手柄的前端下方設(shè)有與盛液管開口相配的封液閥用于實現(xiàn)盛液管的密封；手柄的末端轉(zhuǎn)動設(shè)在盛液管不設(shè)開口的一端上；盛液管內(nèi)部設(shè)有與通信控制模塊通訊的內(nèi)置氣體壓強傳感器；內(nèi)置氣體壓強傳感器由電源供電；盛液管內(nèi)部裝有有色液體，盛液管管壁上還設(shè)有用于加入空氣且其上設(shè)有蓋子的增壓口；所述手柄通過向腕帶外側(cè)轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)有色液體的釋放。

若用戶在游泳過程中遇到抽筋等緊急情況，可以向外拉開游泳手環(huán)上的手柄模塊，發(fā)出主動求救信號。所述手環(huán)會打開盛液模塊，釋放一種帶鮮艷顏色的、易擴散的無害超濃縮液體，以引起周圍人的注意。

進一步的，通信控制模塊還配有位于腕帶外側(cè)的學(xué)習按鈕和查看按鈕。

進一步的，腕帶上還設(shè)有射頻模塊?？梢杂糜谟斡緢鲳^開關(guān)相應(yīng)的儲物柜。

本發(fā)明所述的游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種監(jiān)測游泳狀態(tài)的裝置，包括服務(wù)器、監(jiān)控終端以及多個多功能智能游泳手環(huán)；所述多功能智能游泳手環(huán)的通信控制模塊通過無線結(jié)點與服務(wù)器通訊，服務(wù)器通過無線結(jié)點與監(jiān)控終端通訊。

本發(fā)明所述的游泳狀態(tài)監(jiān)測方法是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種監(jiān)測游泳狀態(tài)的方法，包括如下步驟：一、將有好友關(guān)系的多位游泳用戶以及救生員所佩戴的多功能智能游泳手環(huán)的標識符存放于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫表中，以便服務(wù)器在監(jiān)測到某一用戶發(fā)生異常時，快速統(tǒng)一地向該用戶發(fā)出報警信號；

二、某一用戶首先設(shè)定多功能智能游泳手環(huán)為學(xué)習模式，開始學(xué)習，多功能智能游泳手環(huán)將不斷采集該用戶的運動數(shù)據(jù)，并通過無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)保存至存儲模塊；具體過程如下：

傳感器模塊以Δt秒為采樣時間間隔不斷采集該用戶的運動數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)均包括該用戶采用某一泳姿時三個方向的加速度數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)采集過程中，調(diào)用通信控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器；通信控制模塊以C秒為間隔，將傳感器模塊在C秒內(nèi)采集到的C/Δt組數(shù)據(jù)打包，并通過連接到的無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器并予以存儲；其中C為Δt的整數(shù)倍；當某一泳姿學(xué)習完畢后，根據(jù)實際情況決定開始下一泳姿的學(xué)習或者完成學(xué)習；

服務(wù)器默認用戶的每一次學(xué)習過程所使用的泳姿都不相同，i表示用戶所使用的第i種泳姿，1≤i≤k，k為用戶需要學(xué)習泳姿的個數(shù)；

多功能智能游泳手環(huán)采集到的一組數(shù)據(jù)可表示為其中表示在t_m時刻第i種泳姿的加速度，分別表示在t_m時刻第i種泳姿的三軸加速度傳感器在x、y和z三個方向上的輸出值；

表示學(xué)習過程中采集到的第i種泳姿的時序數(shù)據(jù)，可表示為：

三、服務(wù)器根據(jù)以上學(xué)習過程中實時采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)游泳運動生理學(xué)規(guī)律，確定第i種泳姿周期窗口取值范圍，同時考慮到游泳者個體差異，根據(jù)多組數(shù)據(jù)的相似度確定周期窗口T_i的大小，并得到第i種泳姿在一個周期T_i的平均運動規(guī)律α_i：

${\mathrm{\α}}_i=\{a_{{\mathrm{it}}_1},a_{i(t_1+\mathrm{\Δ}t)},\mathrm{...},a_{i(t_1+(\mathrm{int}\left(\frac{T_i}{\mathrm{\Δ}t}\right)+1\left)\mathrm{\Δ}t\right)}\}$

其中，Δt為傳感器模塊的采樣時間間隔，int(*)表示取整函數(shù)；

服務(wù)器將用戶在多種泳姿下的運動周期T_i及運動規(guī)律α_i予以保存，并將其作為標準模式；

四、若已完成學(xué)習，則用戶將多功能智能游泳手環(huán)的學(xué)習模式關(guān)閉，用戶進入正常游泳狀態(tài)，此后多功能智能游泳手環(huán)將不斷采集用戶的時序數(shù)據(jù)，并通過無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器；服務(wù)器將接收到的時序數(shù)據(jù)保存至存儲模塊并對其進行分析；具體工作原理如下：采用時序數(shù)據(jù)聚類算法，聚類個數(shù)為用戶學(xué)習的泳姿個數(shù)k，類中心為k個泳姿的運動規(guī)律α_i(1≤i≤k)；根據(jù)學(xué)習模式中得到的多種泳姿的周期窗口大小T_i可求得一個測量周期窗口T，T＝max{T_i}，采用滑動窗口技術(shù)，即將測量周期窗口放在時間序列的起始位置，此時測量周期窗口對應(yīng)序列上長度為T的一段子序列，然后測量周期窗口向后移，再以序列的第二個點為起始單位，形成另一個長度為T的子序列；依此類推，一共可以得到(C/Δt—T+1)個長度為T的時間子序列，然后對形成的時間子序列與運動規(guī)律α_i逐一計算相似度；選定相似性度量后，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定相似度閾值，即可確定(C/Δt—T+1)個時間子序列與各類中心α_i的關(guān)系；若多個子序列的相似度都大于閾值，則選取歸并至相似度最大的類；若相似度都低于閾值，則該數(shù)據(jù)不能歸并至學(xué)習過程中所保存的任何一類，那么認為用戶可能發(fā)生溺水或異常；

五、若服務(wù)器判斷出用戶處于溺水狀態(tài)或發(fā)生異常情況，會立即向用戶好友及救生員所佩戴多功能智能游泳手環(huán)發(fā)出報警信號；多功能智能游泳手環(huán)在接收到來自服務(wù)器的報警信號后，將調(diào)用振動馬達模塊和/或揚聲器模塊發(fā)出報警信號，同時多功能智能游泳手環(huán)的顯示模塊會將從服務(wù)器獲取到的位置信息顯示給用戶好友及救生員。

服務(wù)器同時還采集用戶的心率、血壓以及入水深度，一旦上述三項數(shù)據(jù)有任意一項超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則立即發(fā)出報警信號。

當用戶意識遇到危險或抽筋時，向外拉開多功能智能游泳手環(huán)中的手柄模塊，發(fā)出主動求救信號，此時盛液模塊被打開，釋放一種帶鮮艷顏色的、易擴散的無害超濃縮液體，同時，內(nèi)置氣體壓強傳感器通過通信控制模塊將盛液模塊中的壓強信號傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器通過與預(yù)先設(shè)定好的閾值作比較，得出該用戶處于危險中的結(jié)論，向該用戶好友及救生員第一時間發(fā)送報警信號。

所述服務(wù)器包括分析模塊和存儲模塊。所述監(jiān)控終端包括電腦或移動客戶端。所述游泳手環(huán)和監(jiān)控終端通過均無線結(jié)點與服務(wù)器相連。所述游泳手環(huán)由用戶及救生員佩戴，并且手環(huán)之間的好友關(guān)系須在開始游泳之前上傳至所述服務(wù)器的存儲模塊。

其中，所述游泳手環(huán)中的傳感器模塊會不斷采集環(huán)境參數(shù)、用戶體征、運動狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并調(diào)用通信控制模塊發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)保存在存儲模塊并調(diào)用分析模塊對數(shù)據(jù)進行分析和處理。考慮到游泳有各種泳姿以及動作有周期性的特征，因而分析模塊采用時序數(shù)據(jù)聚類方法，以學(xué)習階段得到的各泳姿運動規(guī)律為聚類中心，以不同時間序列間相同事件的并發(fā)頻率作為相似度(具體相似度度量方法見2008年廈門大學(xué)博士論文，靳劉蕊，函數(shù)性數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)用研究，第五章)，將無法歸并至各泳姿的狀態(tài)定義為異常狀況。若服務(wù)器的分析模塊判斷出用戶處于溺水狀態(tài)或發(fā)生異常情況，立即向用戶的好友及救生員所佩戴手環(huán)發(fā)出報警信號。

同時，用戶的好友及救生員所佩戴手環(huán)將會立即收到來自服務(wù)器的報警信號。

所述傳感器模塊中，三軸加速度傳感器和陀螺儀用于感知用戶的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括獲得關(guān)于手環(huán)坐標系實時的三軸加速度和角加速度，經(jīng)過四元數(shù)法處理后輸出關(guān)于標準坐標系的用戶的三軸加速度數(shù)值，以利于客觀統(tǒng)一地判斷用戶的運動狀態(tài)；心率傳感器和血壓傳感器用于感知用戶的體征數(shù)據(jù)，包括心率和血壓；壓力傳感器用于感知環(huán)境參數(shù)，可根據(jù)壓力傳感器給出的壓力值計算得到用戶當前的入水深度；壓強傳感器用于監(jiān)測盛液管內(nèi)的氣體壓強。傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)將通過通信控制模塊發(fā)送至服務(wù)器。

所述通信控制模塊包括與所述無線結(jié)點相連接的通信結(jié)點和微型控制器，主要負責協(xié)調(diào)各個模塊間的工作、游泳手環(huán)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)和信號傳輸以及對信號的處理。通信控制模塊將傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)以一定頻率發(fā)送至服務(wù)器，并在接收到來自服務(wù)器的報警信號后，負責對此信號作出一系列的響應(yīng)。所述游泳手環(huán)中，通信控制模塊的信號輸入端包括傳感器模塊、手柄模塊、盛液模塊和顯示模塊，信號輸出端包括振動馬達模塊、揚聲器模塊和顯示模塊。

振動馬達模塊和揚聲器模塊作為通信控制模塊的信號輸出端，用于實現(xiàn)報警功能。手環(huán)的通信控制模塊在接收到來自服務(wù)器的報警信號后，立即調(diào)用振動馬達模塊振動手環(huán)以引起用戶好友及救生員的關(guān)注。若此時用戶好友處于水上狀態(tài)，振動手環(huán)的同時會調(diào)用揚聲器模塊播放預(yù)先錄制好的音頻文件，如“您的***號好友可能發(fā)生異常情況，請予以關(guān)注”等，以引起更高的重視。

手柄模塊和盛液模塊為用戶提供了主動求救功能。所述盛液模塊為可拆卸、可更換、可重復(fù)填充、不易腐蝕的盛液管。盛液管上帶有增壓口，用于向盛液管中充入一定量的氣體，以增加其內(nèi)部的氣體壓強。盛液管內(nèi)置氣體壓強傳感器，用于監(jiān)測盛液管內(nèi)的氣體壓強。所述手柄模塊與盛液管的閥門相連接。用戶遇到抽筋等緊急情況時，可以用力向外拉開手環(huán)上的手柄，盛液模塊會釋放一種帶鮮艷顏色的、易擴散的無害超濃縮液體，以引起周圍人的注意。

區(qū)別于申請公布號為CN 104517410 A(一種智能防溺水系統(tǒng)及方法)的專利，本發(fā)明中利用振動馬達模塊、揚聲器模塊、手柄模塊和盛液模塊所實現(xiàn)的報警方式更加地合理。在游泳館等人流量較大、環(huán)境嘈雜的情況下，聲音和閃光的報警形式較難引起人們的注意，而且若此時用戶處于水下狀態(tài)，報警的效果將會大打折扣。而本發(fā)明采用的振動用戶好友及救生員所佩戴手環(huán)、釋放鮮艷液體的提醒方式，可以避免環(huán)境因素對報警信號造成的干擾，有較好的使用效果。另外，上述發(fā)明中求救按鈕的設(shè)置無法很好地避免誤碰、誤按的問題，而本發(fā)明設(shè)計的手柄模塊充分考慮到了用戶在使用過程中的行為方式，以向外拉開的方式打開可以較好地避免上述問題。

所述顯示模塊主要包括觸摸屏和觸摸檢測部件，用于顯示當前時間、遇險好友位置和盛液模塊內(nèi)氣體壓強等信息、設(shè)置相關(guān)閾值等。顯示模塊會持續(xù)顯示系統(tǒng)當前時間。用戶好友及救生員所佩戴手環(huán)的通信控制模塊收到來自服務(wù)器的報警信號后，報警的同時會調(diào)用顯示模塊，將從服務(wù)器獲取到的用戶的位置信息顯示給用戶好友及救生員。

所述游泳手環(huán)由電池供電且具有防水功能。

所述游泳手環(huán)外置兩個按鈕，顯示按鈕和學(xué)習按鈕。顯示按鈕的功能如下：按一次顯示當前運動情況，包括游泳距離、卡路里消耗、泳姿打分等信息；連續(xù)按兩次顯示盛液管中的液體量及壓強信息。學(xué)習按鈕的功能如下：按一次，進入某種泳姿的學(xué)習狀態(tài)；連續(xù)按兩次，停止該種泳姿的學(xué)習；重復(fù)上述過程，就可以完成多種泳姿運動規(guī)律的學(xué)習。在學(xué)習的時間段內(nèi)，用戶需要根據(jù)自己的游泳習慣和所掌握的泳姿，分別進行數(shù)據(jù)錄入。服務(wù)器會將此時間段以內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)保存在存儲模塊，并按照不同泳姿根據(jù)時間窗口確定周期性平均運動規(guī)律并以此作為標準模式。

區(qū)別于申請公布號為CN 104537273 A(一種溺水模式智能推理系統(tǒng)及方法)的專利采用決策樹等分類器來判斷用戶是否溺水，該方法需要先驗地將用戶溺水的各項數(shù)據(jù)輸入至分類器進行學(xué)習，否則將無法區(qū)分是否溺水。由于游泳數(shù)據(jù)是一個隨時間變化的時序數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的決策樹等分類算法無法有效處理該類型數(shù)據(jù)；另外分類算法需要提前獲取所分各類的數(shù)據(jù)，但是如何提前獲取用戶溺水各項數(shù)據(jù)指標是一件非常困難并難以實現(xiàn)的事情。因而，本發(fā)明采用時序數(shù)據(jù)聚類算法，無需提前獲取溺水數(shù)據(jù)，以用戶輸入的各種泳姿數(shù)目為聚類個數(shù)，以用戶各泳姿的標準模式為聚類中心，對接收到的游泳時序數(shù)據(jù)采取滑動窗口技術(shù)，并與各泳姿形成的聚類中心計算相似度。如果該數(shù)據(jù)可以歸并為某一類中，說明用戶此時可能采用該泳姿；如果該數(shù)據(jù)無法歸并至任一類中，則用戶目前姿態(tài)與之前學(xué)習的泳姿都不相近，可能遇到潛在危險。

進一步的，用戶佩戴手環(huán)并進入游泳池后，服務(wù)器會實時更新用戶所處的位置，并顯示在監(jiān)控終端。通過監(jiān)控終端，游泳館管理員可以了解到目前場館內(nèi)的人員數(shù)量、分布情況、擁擠情況等，方便對游泳館的管理和維護。監(jiān)測室內(nèi)用戶所在位置的方法是公知技術(shù)，可以有多種方法予以實現(xiàn)。

優(yōu)選地，可以為手環(huán)添加射頻模塊。在公共游泳館進行游泳時，為保護私人物品的安全，需要隨身攜帶物品存物柜的鑰匙或普通手環(huán)。因此，為方便用戶的使用，可在手環(huán)上添加射頻解鎖功能，利用射頻技術(shù)實現(xiàn)近距離對物品存放柜的解鎖，從而將游泳智能手環(huán)與存物柜鑰匙進行有機結(jié)合。

服務(wù)器同時還采集用戶的心率、血壓以及入水深度，一旦上述三項數(shù)據(jù)有任意一項超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則立即發(fā)出報警信號。

當用戶感覺遇到危險時，向外拉開多功能智能游泳手環(huán)中的手柄模塊，發(fā)出主動求救信號，此時盛液模塊被打開，釋放一種帶鮮艷顏色的、易擴散的無害超濃縮液體，同時，內(nèi)置氣體壓強傳感器通過通信控制模塊將盛液模塊中的壓強信號傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器通過與預(yù)先設(shè)定好的閾值作比較，得出該用戶處于危險中的結(jié)論，向該用戶好友及救生員第一時間發(fā)送報警信號。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的包括有多功能智能游泳手環(huán)的游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)中間的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)底部的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)根據(jù)實時采集到的運動數(shù)據(jù)，利用時序數(shù)據(jù)聚類算法判斷用戶狀態(tài)的工作流程圖。

圖6是本發(fā)明所述監(jiān)測游泳狀態(tài)的裝置的工作流程圖。

圖7是本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)觸發(fā)報警條件示意圖。

圖8本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)的手柄模塊閉合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10本發(fā)明所述多功能智能游泳手環(huán)的手柄模塊打開狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-腕帶，2-傳感器模塊，3-通信控制模塊，4-顯示模塊，5-振動馬達模塊，6-揚聲器模塊，7-電源，8-盛液模塊，9-手柄模塊，10-學(xué)習按鈕，11-查看按鈕，12-射頻模塊；

81-盛液管，82-增壓口，91-手柄，92-封液閥。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和參考附圖對本發(fā)明作詳細說明：

圖1是本發(fā)明較佳實例提供的游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置外部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明較佳實例提供的游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置包括智能游泳手環(huán)、無線結(jié)點、服務(wù)器及監(jiān)控終端，所述游泳手環(huán)和監(jiān)控終端通過無線結(jié)點與服務(wù)器相連。

所述智能游泳手環(huán)包括傳感器模塊、通信控制模塊、振動馬達模塊、揚聲器模塊、手柄模塊、盛液模塊、顯示模塊和射頻模塊。所述服務(wù)器包括分析模塊和存儲模塊。所述監(jiān)控終端包括電腦或移動客戶端。所述游泳手環(huán)和監(jiān)控終端均通過無線結(jié)點與服務(wù)器相連。所述游泳手環(huán)由用戶及救生員佩戴，并且手環(huán)之間的好友關(guān)系須在開始游泳之前上傳至所述服務(wù)器的存儲模塊。

本實施例中，游泳手環(huán)之間的好友關(guān)系具體的存儲方式如下：在進入游泳場館后，為每位用戶發(fā)放帶有唯一標識符的手環(huán)，并將有好友關(guān)系的多位用戶所佩戴手環(huán)的標識符存放于數(shù)據(jù)庫表中，以便服務(wù)器在監(jiān)測到某一用戶發(fā)生異常時，快速統(tǒng)一地向他們發(fā)出報警信號。此外，游泳館救生員也需要佩戴手環(huán)，并且與每位用戶都屬于默認好友關(guān)系。任一用戶發(fā)生危險時，救生員都會在第一時間收到報警信號。

圖2～4是本發(fā)明較佳實例提供的多功能智能游泳手環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為智能游泳手環(huán)表面；圖3表示在智能游泳手環(huán)內(nèi)部，通信控制模塊、揚聲器模塊、震動馬達模塊、射頻模塊及電源的相對位置。而圖4表示傳感器模塊在手環(huán)底部，直接接觸人體，以便于監(jiān)測人體各項生理指標。

圖5是本發(fā)明較佳實施例提供的多功能智能游泳手環(huán)內(nèi)部連接示意圖。具體工作流程如下：①—②—③—④—⑤—⑥

⑧—⑨—②—③—④—⑤—⑥

⑦—②—③⑩—②—③

本實施例中，所述傳感器模塊中的三軸加速度傳感器和陀螺儀用于感知用戶的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括三軸加速度、角加速度；心率傳感器和血壓傳感器用于感知用戶的體征數(shù)據(jù)，包括心率、血壓；壓力傳感器用于感知環(huán)境參數(shù)，可根據(jù)壓力傳感器給出的壓力值計算得到用戶當前的入水深度；內(nèi)置壓強傳感器用于監(jiān)測盛液管內(nèi)的氣體壓強。

圖6是本發(fā)明較佳實施例提供的智能游泳手環(huán)根據(jù)實時采集到的運動數(shù)據(jù)，利用時序數(shù)據(jù)聚類算法判斷用戶狀態(tài)的工作流程圖。如圖6所示，本實施例提供的游泳狀態(tài)監(jiān)測裝置的工作流程包括以下步驟：一、將有好友關(guān)系的多位游泳用戶以及救生員所佩戴的多功能智能游泳手環(huán)的標識符存放于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫表中，以便服務(wù)器在監(jiān)測到某一用戶發(fā)生異常時，快速統(tǒng)一地向該用戶的好友和救生員發(fā)出報警信號；

二、若開始學(xué)習，手環(huán)將不斷采集用戶的運動數(shù)據(jù)，并通過無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)保存至存儲模塊。

舉例而言，游泳手環(huán)以0.2秒為采樣時間間隔，不斷采集傳感器數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)均包括三個方向的加速度數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集過程中，調(diào)用通信控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。通信控制模塊以2秒為間隔，將傳感器模塊在2秒內(nèi)采集到的10組數(shù)據(jù)打包，并通過連接到的無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器并予以存儲。當某一泳姿學(xué)習完畢，根據(jù)用戶選擇決定開始下一泳姿的學(xué)習或者完成學(xué)習。

默認用戶的每一次學(xué)習過程所使用的泳姿都不相同，i表示用戶所使用的第i種泳姿，1≤i≤k，k為用戶需要學(xué)習泳姿的個數(shù)。

不失一般性，手環(huán)采集到的一組數(shù)據(jù)可表示為其中表示在t_m時刻第i種泳姿的加速度，分別表示在t_m時刻第i種泳姿的三軸加速度傳感器在x、y和z三個方向上的輸出值。

表示學(xué)習過程中采集到的第i種泳姿的時序數(shù)據(jù)，可表示為：

三、服務(wù)器根據(jù)以上學(xué)習過程中實時采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)游泳運動生理學(xué)規(guī)律，確定第i種泳姿周期窗口取值范圍，同時考慮到游泳者個體差異，根據(jù)多組數(shù)據(jù)的相似度確定周期窗口T_i的大小，并得到第i種泳姿在一個周期T_i的平均運動規(guī)律α_i。

${\mathrm{\α}}_i=\{a_{{\mathrm{it}}_1},a_{i(t_1+\mathrm{\Δ}t)},\mathrm{...},a_{i(t_1+(\mathrm{int}\left(\frac{T_i}{\mathrm{\Δ}t}\right)+1\left)\mathrm{\Δ}t\right)}\}$

其中，Δt＝0.2秒，int(*)表示取整函數(shù)。

服務(wù)器將用戶在多種泳姿下的運動周期T_i及運動規(guī)律α_i予以保存，并將其作為標準模式。

四、若已完成學(xué)習，手環(huán)將不斷采集用戶的實時運動數(shù)據(jù)，并通過無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器將接收到的時序數(shù)據(jù)保存至存儲模塊并對其進行分析。具體工作原理如下：采用時序數(shù)據(jù)聚類算法，聚類個數(shù)為用戶學(xué)習的泳姿個數(shù)k，類中心為k個泳姿的運動規(guī)律α_i(1≤i≤k)；根據(jù)學(xué)習模式中得到的多種泳姿的周期窗口大小T_i可求得一個測量周期窗口T，T＝max{T_i}，采用滑動窗口技術(shù)，即將時間窗口放在時間序列的起始位置，此時時間窗口對應(yīng)序列上長度為T的一段子序列，然后時間窗口向后移，再以序列的第二個點為起始單位，形成另一個長度為T的子序列；依此類推，一共可以得到(10—T+1)(一般情況下T都小于10)個長度為T的時間子序列。然后對形成的時間子序列與運動規(guī)律α_i逐一計算相似度。目前相似度有多種方法可以選擇，根據(jù)不同時間序列間相同事件的并發(fā)頻率作為相似度的評估標準，有基于形狀、基于特征、基于模型等相似性度量方法。具體相似度度量方法見2008年廈門大學(xué)博士論文，靳劉蕊，函數(shù)性數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)用研究，第五章。選定相似性度量后，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定相似度閾值，即可確定(10-T+1)個時間子序列與各類中心α_i的關(guān)系。若多個子序列的相似度大于閾值，則選取歸并至相似度最大的類；若相似度都低于閾值，則該數(shù)據(jù)不能歸并至學(xué)習過程中所保存的任何一類，那么認為用戶可能發(fā)生溺水或異常。

五、若服務(wù)器判斷出用戶處于溺水狀態(tài)或發(fā)生異常情況，會立即向用戶好友及救生員所佩戴手環(huán)發(fā)出報警信號。手環(huán)在接收到來自服務(wù)器的報警信號后，啟動報警功能。

手環(huán)在接收到來自服務(wù)器的報警信號后，將調(diào)用振動馬達模塊振動手環(huán)以引起關(guān)注。若此時用戶好友處于水上狀態(tài)，振動手環(huán)的同時會調(diào)用揚聲器模塊播放預(yù)先錄制好的音頻文件，如“您的***號好友可能發(fā)生異常情況，請予以關(guān)注”等，以引起更高的重視。同時，手環(huán)的顯示模塊會將從服務(wù)器獲取到的位置信息顯示給用戶好友及救生員。

此外，服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后，對多組數(shù)據(jù)的處理過程還包括：檢查心率、血壓，如果心率低于預(yù)定閥值時長超過10秒或血壓高于預(yù)定閥值超過10秒，則立即發(fā)出報警信號；檢查入水深度，如果入水深度超過預(yù)定閥值超過30秒，則立即發(fā)出報警信號?？紤]到不同人群在水下的身體狀況及承受能力有所不同，優(yōu)選地，以上所述多種閾值及時間限制，均可由用戶通過手環(huán)顯示模塊的虛擬操作平臺進行自主設(shè)置。如果用戶未設(shè)置相關(guān)閾值，系統(tǒng)將采用默認設(shè)置。

用戶在游泳過程中遇到抽筋等緊急情況時，還可以向外拉開游泳手環(huán)中手柄模塊，發(fā)出主動求救信號。所述手環(huán)會打開盛液模塊，釋放一種帶鮮艷顏色的、易擴散的無害超濃縮液體，以引起周圍人的注意。同時，用戶好友及救生員所佩戴手環(huán)將在第一時間接收到來自服務(wù)器的報警信號。報警信號的處理過程如步驟五所示。

報警信號的觸發(fā)條件示意圖如圖7所示。

圖8～10為多功能智能游泳手環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8中可以看出，顯示模塊4和學(xué)習按鈕10、查看按鈕11、射頻模塊12均位于腕帶的正面，即正對使用者的一側(cè)；揚聲器模塊則位于腕帶內(nèi)側(cè)靠近用戶手臂的位置；手柄模塊和盛液模塊位于腕帶另一頭外側(cè)，手柄需要向外轉(zhuǎn)動才能打開盛液管，這樣可以有效避免被別人誤碰造成誤報警的問題。

綜上所述，根據(jù)本實施例提供的多功能智能游泳手環(huán)及用于監(jiān)測游泳狀態(tài)裝置及方法，通過手環(huán)上的傳感器模塊采集環(huán)境參數(shù)、用戶體征數(shù)據(jù)及運動數(shù)據(jù)，通過無線結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器進行保存和分析，并在服務(wù)器判斷出用戶處于溺水狀態(tài)或發(fā)生異常情況時向用戶好友和救生員發(fā)出報警信號。此外，游泳手環(huán)的手柄模塊和盛液模塊還為用戶提供了主動求救功能，大大提高了救援效率，降低了溺亡的風險。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。