CN109941407B - 一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法，该游泳圈本体内设有多个气囊，它还包括：均匀分布在游泳圈本体外部上表面的压力传感器，安装在游泳圈本体外部的发光报警模块和防水开关以及位于游泳圈本体内部的气压传感器、电源模块和控制模块，通过采用检测游泳圈安全异常的方法，减少传感器判断异常的情况发生，让家长能实时观察到游泳圈的情况，当游泳圈漏气、儿童脱离游泳圈或是游泳圈距离手机过远时，游泳圈会自动发出声音并闪光，与此同时家长的手机也会振动报警，那么便能在儿童游泳遇到危险时及时提醒家长，避免溺水事件的发生。

Description

一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法

技术领域

本发明涉及智能控制***领域，具体是一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法。

背景技术

如今，许多家长喜欢在夏天带着孩子去河边、海边等室外场所游泳，室外游泳既可以让孩子欣赏到美丽的风景，也可以锻炼孩子的身体，帮助孩子在炎炎夏日消暑降温。室外游泳虽然趣味性超过室内游泳，但是儿童的安全却得不到良好的保障，儿童游泳溺水的悲剧时常会发生，这不得不引起人们的注意。

对于还未学会游泳的儿童来说，游泳圈便是儿童最好的安全保障。目前，市面上的游泳圈有各种各样的形状，但结构上都保持着单一环行气囊的设计，这种游泳圈存在着极大的安全隐患。当游泳圈漏气或是儿童脱离游泳圈时，儿童便容易发生溺水的危险，并且往往溺水时，儿童往往无法呼救，无法呼叫家长及周围人员施救救援。

如果存在一种能够与手机无线连接的室外儿童游泳圈，这种游泳圈一是多气囊结构，在一个气囊漏气后，其他气囊能够保证整体工作；二是能够将自身位置、气压等信息传递给家长的手机，让家长能实时观察到游泳圈的情况；三是当游泳圈漏气、儿童脱离游泳圈或是游泳圈距离手机过远时，游泳圈会自动发出声音并闪光，与此同时家长的手机也会振动报警，那么便能在儿童游泳遇到危险时及时提醒家长，避免溺水事件的发生。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法，该游泳圈能够将自身位置、气压等信息传递给家长的手机，让家长能实时观察到游泳圈的情况，当游泳圈漏气、儿童脱离游泳圈或是游泳圈距离手机过远时，游泳圈会自动发出声音并闪光，与此同时家长的手机也会振动报警，那么便能在儿童游泳遇到危险时及时提醒家长，避免溺水事件的发生，该方法稳定可靠，减少传感器判断异常的情况发生。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈，它包括：游泳圈本体所述的游泳圈本体内设有多个气囊，它还包括：均匀分布在游泳圈本体外部上表面的压力传感器，安装在游泳圈本体外部的发光报警模块和防水开关以及位于游泳圈本体内部的气压传感器、电源模块和控制模块；

控制模块与压力传感器、气压传感器、发光报警模块和电源模块连接，所述的控制模块包括核心电路部分、人机交互部分和天线部分。

外部压力传感器用于检测儿童对游泳圈的压力大小，当外部压力传感器融合值F^tn小于F1牛顿时，游泳圈闪光报警且家长手机振动报警，表明儿童有脱离游泳圈的危险；当检测到的多个压力融合之后的和大于F2牛顿时，游泳圈显示屏上显示游泳圈压力检测出现问题，并将此问题发送到家长手机上让家长知晓。本实施例中采用的是IM-S-Y-Z40-10公斤型薄膜压力传感器，这些阈值参数数值可以通过本发明中按钮进行设定，如不人工设定，默认F1为20，F2为600。

气压传感器用于检测游泳圈各气囊内部气压大小，当游泳圈本体的各气囊内部气压在T1秒内减少T2％以上，或囊内气压低于T3％时，游泳圈闪光报警且家长手机振动报警，表明该气囊漏气，存在隐患，气压传感器采用的是IM-S-Y-Z40-1公斤型压力传感器芯片，这些阈值数值可以通过本发明中按钮进行设定，如不设定，默认T1为30，T2为10，T3为70。

电源模块为12V1000mA可充电锂电池，用于为整个***供电。

防水开关用于控制整个游泳圈***的开启与关闭。

控制模块的功能包括：

⑴它可接收传感组件与定位装置检测到的气压、压力与位置信息，并将这些信息传递给无线传输模块；

⑵它可根据这些信息以及无线传输模块传递给它的安全范围信息来控制发光报警模块的工作，当游泳圈与手机间的距离超过安全范围、游泳圈漏气导致内部气压过低或是儿童脱离游泳圈导致压力过小时，控制模块会控制发光报警模块，使其闪光报警；

⑶它可将传感组件检测到的气压、压力信息与电源模块的电量信息传递给显示调节模块，在LED显示屏上显示；

当用户按下显示调节模块的按钮时，它可接收用户输入的信息，并根据这些信息控制传感组件、定位装置、发光报警模块、无线传输模块的工作，控制模块为STM32F104芯片。

所述的核心电路部分包括核心控制模块、定位装置和无线传输模块；

核心电路部分采用的USR-GM3低功耗通信模块，该模块包括有一个GPS定位装置和一个GPRS通信装置，它可以在安装SIM卡后与STM32F104芯片进行串口通信，根据STM32F104芯片发送信息或者拨打指定的电话号码，进行报警求助，定位装置可用于定位距离手机M1米以内游泳圈所在的位置。距离的数值可以通过按钮进行设定，如不设定，默认M1为200米，在使用时，需要首先设定手机的GPS定位位置。

所述的人机交互部分包括防水LED显示屏、控制按键、防水音乐播放器和防水USB接口，人机交互部分中的防水LED显示屏用于显示电源模块所剩电量、游泳圈各气囊内部气压大小、游泳圈所受压力总和以及游泳圈闪光报警时将拨打的电话号码；防水按钮是上、下、左、右、启动、关机、确认、取消键等，用户可通过防水按钮在显示屏上设置传感组件、定位装置、发光报警模块、无线传输模块的工作情况，还可通过按钮输入游泳圈闪光报警时所拨打的电话号码；防水音乐播放器其固定于游泳圈外部，可在儿童游泳时播放音乐以达到娱乐的目的，不需要使用时，可将播放器从游泳圈上拆卸下来；防水USB接口，其位于游泳圈外部，用于给电源模块的锂电池充电，该部分还安装有一个SIM卡卡槽，用于***SIM卡，通过SIM卡和定位装置，家长可在手机上看到游泳圈的位置，游泳圈在闪光报警时也可通过SIM卡发送信息或拨打指定的电话号码，以使家长的手机振动报警。

作为本发明的进一步优选，所述的外部压力传感器通过防水薄膜贴合在游泳圈本体上表面，。

作为本发明的进一步优选，所述的气压传感器位于气囊内部且每个气囊内部安装1块。

作为本发明的进一步优选，所述的天线部分被贴合在游泳圈内侧的外壁上，用于GPS定位和通信。

作为本发明的进一步优选，所述的核心控制模块和手机双向通讯。

作为本发明的进一步优选，所述的核心控制模块将信息通过无线传输模块传输到手机上，手机上设定的安全范围信息通过无线传输模块传递给核心控制模块。

作为本发明的进一步优选，所述的发光报警模块包括防水LED灯和防水蜂鸣器；

当游泳圈与手机间的距离超过安全范围、游泳圈漏气导致内部气压过低或是儿童脱离游泳圈导致压力过小时，防水LED灯闪光，用于提醒附近人和家长，本实施例采用的是F5型红蓝绿三色灯珠，在控制器的控制下循环闪烁；

当游泳圈与手机间的距离超过安全范围、游泳圈漏气导致内部气压过低或是儿童脱离游泳圈导致压力过小时，防水蜂鸣器报警，用于提醒附近人和家长，本实施例采用的是SUN-1210DX型防水蜂鸣器。

本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈的安全检测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一、游泳圈上的N个压力传感器分别设置在游泳圈本体外表面上下2层，每层各有N/2个传感器，将使用时水面上的压力传感器组设为A组，水面下的压力传感器组设为B组；

设A组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

设B组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

步骤二、计算A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的平均值avgFA^tn、avgFB^tn为：

步骤三、计算出A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的方差varFA^tn、varFB^tn为：

步骤四、选出varFA^tn、varFB^tn中大小值maxvar、minvar：

maxvar＝max(varFA^tn，varFB^tn)；

minvar＝min(varFA^tn，varFB^tn)；

其中符号max和min表达的是选出最大值和最小值的过程；

步骤五、计算出方差比Pvar：

步骤六、判断状态

设定阈值Tvar；

如果Pvar＞Tvar，那么判定为单面漂浮，游泳圈为横向姿态，并根据maxvar所对应的面，判断出A和B哪个面在上，另一个面在下；

如果Pvar＜＝Tvar，那么判定为前进泳姿，游泳圈为纵向姿态，并计算出所有N个传感器此时最大的力：

步骤七、如果是单面漂浮，游泳圈为横向姿态时，计算水面下的面的所有传感器受力之和totalFC^tn；

然后，把该值作为此刻游泳圈垂直方向受力值F^tn，用于进一步判断出使用人员的状态；

如果是前进泳姿，游泳圈为纵向姿态时，此刻传感器的数据为水压的横向压力，该横向压力与传感器在水下的深度相关，而传感器在水下的深度又与游泳圈垂直方向受力值F^tn是线性关系，那么利用步骤6的结果得出F^tn：

F^tn＝Coh*maxF^tn+Cob；

其中Coh和Cob是一个常数，它们与游泳圈的材料、半径相关，需要在确定好游泳圈的材料、半径后，通过在实验室不断测试在不同的F^tn和maxF^tn之间的关系，然后用一次线性拟合的方法计算出Coh和Cob；

步骤八、判断异常

无论是横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn都反映的是不同重量的使用者下，水对游泳圈的浮力，在使用前，在监护人确认安全情况状态下，设置好正常状态下的受力，那么在使用时，当判断好是横向还是纵向情况下，这种浮力均不应该变化过大；

如果损失过大，那么就说明使用者脱离游泳圈，即可判断出现危险，需要报警；

如果增加过大，那么就说明有过重的物体压在游泳圈上，或者游泳圈失去浮力，正在水中下坠，这种危险情况也需要报警；

于是，在使用时，首先由监护人确认安全的情况下，对儿童在正常状态下的游泳圈，横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn进行设置，得到一个因人而异的标准值，横向状态下的totalFC^tn_normal和纵向状态下的F^tn_normal；

然后设置变化上阈值比例Td_up、下阈值比例Td_down、时间阈值T_danger；

使用时，不断检测是横向状态还是纵向状态；

如果是横向状态，然后继续判断当前的totalFC^tn和设置的totalFC^tn_normal的差，与totalFC^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

如果是纵向状态，然后继续判断当前的F^tn和设置的F^tn_normal的差，与F^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

当游泳圈与手机的距离超过安全范围时，且时间大于等于时间阈值T_danger，也报警，其方法为采用游泳圈的定位装置信息与监护人的手机定位信息做对比。

有益效果：本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈及其安全检测方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1、游泳圈内部设有多个气囊，在一个气囊漏气后，其他气囊能够保证整体工作；

2、游泳圈内设的控制模块能够将游泳圈自身位置、气压等信息传递给家长的手机，让家长能实时观察到游泳圈的情况；

3、在游泳圈内加设发光报警模块，使游泳圈在漏气、儿童脱离游泳圈或是游泳圈距离手机过远时，游泳圈会自动发出声音并闪光，与此同时家长的手机也会振动报警，那么便能在儿童游泳遇到危险时及时提醒家长，避免溺水事件的发生。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的全剖视图；

图3为本发明的电路结构框图；

图4为本发明的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如附图所示，本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈，它包括：压力传感器1，气压传感器2，防水LED灯3，电源模块4，防水蜂鸣器5，核心电路部分6，人机交互部分7，天线部分8，防水开关9和游泳圈本体10。

游泳圈本体10内设有多个气囊，压力传感器1，防水LED灯3防水蜂鸣器5和防水开关9安装在游泳圈本体10外表面，气压传感器2、电源模块4和控制模块；核心电路部分6、人机交互部分7和天线部分8位于游泳圈本体10的内部。

本发明所述的一种提示安全信息的室外儿童游泳圈的安全检测的方法的原理：

压力传感器1分别设置在游泳圈本体10外表面上下2层，每层各有N/2个传感器，将使用时水面上的压力传感器1组设为A组，水面下的压力传感器1组设为B组；

本多传感器数据融合算法的第一任务是区分姿态：

Z1：单面漂浮时，游泳圈为横向姿态时，哪一面在水下？

Z2：前进泳姿时，游泳圈为纵向姿态时，哪一侧在水下？

第二任务是在第一任务完成的基础上进行数据融合，

期中，其第一任务的原理是，压力传感器为点传感器，水面上的压力传感器组获得的力为不均匀受力，可能为一只或者2只胳膊或者4肢搭在传感器点上，差异较大；而水面下的压力传感器组由于是受水体的整体压力影响，所以为相对均匀受力，因此，第一任务的工作原理为采用方差比较的方法。

实施例

步骤一、游泳圈上的N个压力传感器(1)分别设置在游泳圈本体(1)外表面上下2层，每层各有N/2个传感器，将使用时水面上的压力传感器(1)组设为A组，水面下的压力传感器(1)组设为B组；

设A组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

设B组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

步骤二、计算A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的平均值avgFA^tn、avgFB^tn为：

步骤三、计算出A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的方差varFA^tn、varFB^tn为：

步骤四、选出varFA^tn、varFB^tn中大小值maxvar、minvar：

maxvar＝max(varFA^tn，varFB^tn)；

minvar＝min(varFA^tn，varFB^tn)；

其中符号max和min表达的是选出最大值和最小值的过程；

步骤五、计算出方差比Pvar：

步骤六、判断状态

设定阈值Tvar；

如果Pvar＞Tvar，那么判定为单面漂浮，游泳圈为横向姿态，并根据maxvar所对应的面，判断出A和B哪个面在上，另一个面在下；

如果Pvar＜＝Tvar，那么判定为前进泳姿，游泳圈为纵向姿态，并计算出所有N个传感器此时最大的力：

步骤七、如果是单面漂浮，游泳圈为横向姿态时，计算水面下的面的所有传感器受力之和totalFC^tn；

然后，把该值作为此刻游泳圈垂直方向受力值F^tn，用于进一步判断出使用人员的状态；

如果是前进泳姿，游泳圈为纵向姿态时，此刻传感器的数据为水压的横向压力，该横向压力与传感器在水下的深度相关，而传感器在水下的深度又与游泳圈垂直方向受力值F^tn是线性关系，那么利用步骤6的结果得出F^tn：

F^tn＝Coh*maxF^tn+Cob；

其中Cah和Cob是一个常数，它们与游泳圈的材料、半径相关，需要在确定好游泳圈的材料、半径后，通过在实验室不断测试在不同的F^tn和maxF^tn之间的关系，然后用一次线性拟合的方法计算出Coh和Cob；

N＝20，即20个外部压力传感器；Tvar＝2；Coh和Cob是一个常数，它们与游泳圈的材料、直径相关，本实施例中，游泳圈材料为塑料，厚度为1mm，游泳圈气圈直径为30cm，游泳圈整体直径为90cm，此刻Coh＝63，Cob＝-11；

步骤八、判断异常

无论是横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn都反映的是不同重量的使用者下，水对游泳圈的浮力，在使用前，在监护人确认安全情况状态下，设置好正常状态下的受力，那么在使用时，当判断好是横向还是纵向情况下，这种浮力均不应该变化过大；

如果损失过大，那么就说明使用者脱离游泳圈，即可判断出现危险，需要报警；

如果增加过大，那么就说明有过重的物体压在游泳圈上，或者游泳圈失去浮力，正在水中下坠，这种危险情况也需要报警；

于是，在使用时，首先由监护人确认安全的情况下，对儿童在正常状态下的游泳圈，横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn进行设置，得到一个因人而异的标准值，横向状态下的totalFC^tn_normal和纵向状态下的F^tn_normal；

然后设置变化上阈值比例Td_up、下阈值比例Td_down、时间阈值T_danger；

使用时，不断检测是横向状态还是纵向状态；

如果是横向状态，然后继续判断当前的totalFC^tn和设置的totalFC^tn_norma^l的差，与totalFC^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

如果是纵向状态，然后继续判断当前的F^tn和设置的F^tn_normal的差，与F^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

当游泳圈与手机的距离超过安全范围时，且时间大于等于时间阈值T_danger，也报警，其方法为采用游泳圈的定位装置信息与监护人的手机定位信息做对比。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提示安全信息的室外儿童游泳圈的安全监测方法，其特征在于，

所述提示安全信息的室外儿童游泳圈包括：游泳圈本体(10)，均匀分布在游泳圈本体(10)外部上表面的压力传感器(1)，安装在游泳圈本体(10)外部的发光报警模块和防水开关(9)以及位于游泳圈本体(10)内部的气压传感器(2)、电源模块(4)和控制模块；所述的游泳圈本体(10)内设有多个气囊；

控制模块与压力传感器(1)、气压传感器(2)、发光报警模块和电源模块(4)连接，所述的控制模块包括核心电路部分(6)、人机交互部分(7)和天线部分(8)；

所述的核心电路部分(6)包括核心控制模块、定位装置和无线传输模块；

所述的人机交互部分(7)包括防水LED显示屏、控制按键、防水音乐播放器和防水USB接口；

所述安全监测方法的具体步骤如下：

步骤一、游泳圈上的N个压力传感器(1)分别设置在游泳圈本体(10)外表面上下2层，每层各有N/2个传感器，将使用时水面上的压力传感器(1)组设为A组，水面下的压力传感器(1)组设为B组；

设A组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

设B组的N/2传感器在tn时刻受到的力为：

步骤二、计算A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的平均值avgFA^tn、avgFB^tn为：

步骤三、计算出A、B组的N/2传感器在tn时刻受到力的方差varF A^tn、varF B^tn为：

步骤四、选出varFA^tn、varFB^tn中大小值maxvar、minvar：

maxvar＝max(varFA^tn，varFB^tn)；

minvar＝min(varFA^tn，varFB^tn)；

其中符号max和min表达的是选出最大值和最小值的过程；

步骤五、计算出方差比Pvar：

步骤六、判断状态

设定阈值Tvar；

如果Pvar>Tvar，那么判定为单面漂浮，游泳圈为横向姿态，并根据maxvar所对应的面，判断出A和B哪个面在上，另一个面在下；

如果Pvar<＝Tvar，那么判定为前进泳姿，游泳圈为纵向姿态，并计算出所有N个传感器此时最大的力：

步骤七、如果是单面漂浮，游泳圈为横向姿态时，计算水面下的面的所有传感器受力之和totalFC^tn；

然后，把该值作为此刻游泳圈垂直方向受力值F^tn，用于进一步判断出使用人员的状态；

如果是前进泳姿，游泳圈为纵向姿态时，此刻传感器的数据为水压的横向压力，该横向压力与传感器在水下的深度相关，而传感器在水下的深度又与游泳圈垂直方向受力值F^tn是线性关系，那么利用步骤六的结果得出F^tn：

F^tn＝Coh*maxF^tn+Cob；

其中Coh和Cob是一个常数，它们与游泳圈的材料、半径相关，需要在确定好游泳圈的材料、半径后，通过在实验室不断测试在不同的F^tn和maxF^tn之间的关系，然后用一次线性拟合的方法计算出Coh和Cob；

步骤八、判断异常

无论是横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn都反映的是不同重量的使用者下，水对游泳圈的浮力，在使用前，在监护人确认安全情况状态下，设置好正常状态下的受力，那么在使用时，当判断好是横向还是纵向情况下，这种浮力均不应该变化过大；

如果损失过大，那么就说明使用者脱离游泳圈，即可判断出现危险，需要报警；

如果增加过大，那么就说明有过重的物体压在游泳圈上，或者游泳圈失去浮力，正在水中下坠，这种危险情况也需要报警；

于是，在使用时，首先由监护人确认安全的情况下，对儿童在正常状态下的游泳圈，横向状态下的totalFC^tn和纵向状态下的F^tn进行设置，得到一个因人而异的标准值，横向状态下的totalFC^tn_normal和纵向状态下的F^tn_normal；

然后设置变化上阈值比例τd_up、下阈值比例Td_down、时间阈值T_danger；

使用时，不断检测是横向状态还是纵向状态；

如果是横向状态，然后继续判断当前的totalFC^tn和设置的totalFC^tn_normal的差，与totalFC^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

如果是纵向状态，然后继续判断当前的F^tn和设置的F^tn_normal的差，与F^tn_normal的比例，如果超过变化上阈值比例Td_up和下阈值比例Td_down，并且时间大于等于时间阈值T_danger，那么就报警；

当游泳圈与手机的距离超过安全范围时，且时间大于等于时间阈值T_danger，也报警，其方法为采用游泳圈的定位装置信息与监护人的手机定位信息做对比。

2.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的外部压力传感器(1)通过防水薄膜贴合在游泳圈本体(10)上表面。

3.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的人机交互部分(7)设有用于***SIM卡的卡槽。

4.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的气压传感器(2)位于气囊内部且每个气囊内部安装1块。

5.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的天线部分(8)被贴合在游泳圈内侧的外壁上。

6.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的核心控制模块和手机双向通讯。

7.根据权利要求6所述的安全监测方法，其特征在于：所述的核心控制模块将信息通过无线传输模块传输到手机上，手机上设定的安全范围信息通过无线传输模块传递给核心控制模块。

8.根据权利要求1所述的安全监测方法，其特征在于：所述的发光报警模块包括防水LED灯(3)和防水蜂鸣器(5)。