CN112274147A - 基于智能手环的泳池救生***及方法 - Google Patents

基于智能手环的泳池救生***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于智能手环的泳池救生***及方法，包括水听器阵列、智能手环、指示***和控制计算机，水听器阵列为一系列固定位置的水下麦克风和对应的校准麦克风组成，智能手环内部含有微控制器、超声波扬声器和血氧测量仪，示***包括云台和光源***，控制计算机把其他三个子***结合成为一个有机整体，由已知的麦克风位置，对游泳池建立坐标系，再根据计算机记录下多个麦克风接收到超声波信号的时间差，利用水中声波的传播速度就可以列出方程组，计算出麦克风到声音源的距离。再根据三角定位原理，就可以准确计算出声源在游泳池坐标系中的位置，计算出坐标后，控制计算机将指示***将光汇聚到声源处，也就是溺水者的位置，方便附近人员施救。

Description

基于智能手环的泳池救生***及方法
技术领域
本发明涉及泳池救生领域，具体涉及基于智能手环的泳池救生系 统及方法。
背景技术
游泳是人民群众喜闻乐见的体育锻炼方式，游泳能够放松身心， 减少肌肉压力，燃烧脂肪，控制血压。现在游泳池都必须设有救生员 以及配套相关的救生设备，但是近年来在正规泳池溺水事故却频繁发 生，不仅有成人溺水，更多的是经验有限、身体控制能力尚不足的孩 子，溺水事故大多发生在人群密集的游泳池中，因为人口密度大，未 能及时发现，如果有一种能够发现并定位溺水者的装置，在溺水事件 发生后，需要及时通知附近人员对溺水者进行救助，就能很好地避免 这种悲剧的反复发生，根据国家体育局下发的《体育场所开放条件与 技术要求(游泳场所)》规定，水面面积在250㎡以下的人工游泳池,至少配备固定水上救生员2人：水面面积在250㎡以上的,按面积每增加 250㎡及以内,增加1人的比例配备固定水上救生员。
就算有水上救生员，溺水事故的发生还是频繁发生，并且还有许 多溺水事故是由于溺水者在水中无求救表现，而错失拯救机会，这对 于救生员的工作无形增加了许多心理压力，若能对溺水事故进行预报， 则可以减轻救生员工作，提高拯救事故的效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供基于智 能手环的泳池救生***。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技 术方案实现：
基于智能手环的泳池救生***，包括水听器阵列、智能手环、指 示***和控制计算机；
所述水听器阵列为一系列固定位置的水下麦克风和对应的校准麦 克风组成；
所述智能手环内部含有微控制器、超声波扬声器和血氧测量仪；
所述示***包括云台和光源***；
所述控制计算机把其他三个子***结合成为一个有机整体。
优选地，所述水听器阵列由水下麦克风、水下麦克风放大器、带 通滤波器、AD转换器构成，麦克风接收到超声波后会输出微弱的电压 信号，进入前置放大器进行放大，再送入带通滤波器过滤掉除了超声 波之外的各种信号，这样就得到了模拟音频信号，AD转换器接收控制 ***发来的音频时钟，同时所述AD转换器将模拟音频信号转换成能 供计算机处理的数字音频信号。
优选地，所述智能手环内部含有电池、单片机、DA转换器、功率 放大器、压电陶瓷、血氧饱和度传感器，血氧饱和度传感器发出的红 外光能够穿透皮肤，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入射 光有着不同的吸收率，根据这个吸收率，血氧饱和度传感器就能测量 人体的血氧饱和度，再将这个信号转换成数字信号送进单片机，所述 单片机根据内部储存的参数判断血氧是否在正常范围，如果不在正常 范围，输出实现存储在内部存储器内的超声波信号，所述超声波信号 经过DA转换器转换成模拟音频信号，再经过功放电路放大，就可以 推动压电陶瓷发出超声波。
优选地，所述指示***包含一个聚光光源，三自由度云台，三自 由度云台，包括底座部分，云台回转部分，摆动部分，其中底座部分 作为整个机体的支撑，云台回转部分主要以云台机体为主体，与底座 部分相连；摆动部分是分别与云台回转部分相连，回转部分与摆动部分 均由舵机完成旋转工作，云台回转部分连接有聚光光源，可以根据控 制信号自由调整聚光灯照射角度，用于标记溺水者。
优选地，所述控制计算机由安装了多声道超声波音频接口的x86 计算机组成，超声波音频接口能够提供音频时钟，接收数字音频信号， 音频接口接收到数字音频信号用，将音频数据通过USB接口传送到计 算机进行分析，计算机内部运行实现编写的控制程序，对接收到的数 据进行计算，判断溺水者的位置，同时计算机对指示***发出控制信 号，标出溺水者的位置。
基于智能手环的泳池救生方法，其特征在于：
步骤S1:将游泳池用来计费的手牌改为智能手环，在下水前均需要 正确带好智能手环，
步骤S2:一旦手环内的微控制检测到了佩戴者血氧饱和度下降到 了危险值。
步骤S3:由已知的麦克风位置，对游泳池建立坐标系。
优选地，所述步骤S1：智能手环内部的微控制器会按照一定的时 间间隔测量佩戴者的血氧饱和度，当溺水事故发生时，佩戴者的血氧 饱和度会下降，这个时候就可以确定是否发生了溺水事故。
优选地，所述步骤S2：***就会打开手环上的超声波麦克风，发 出一系列超声波脉冲，泳池内设水听器阵列，能够接受超声波信号。
优选地，所述步骤S3：根据计算机记录下多个麦克风接收到超声 波信号的时间差，利用水中声波的传输速度就可以列出方程组，计算 出麦克风到声音源的距离。再根据三角定位原理，就可以准确计算出 声源在游泳池坐标系中的位置。
有益效果：
1、固定插杆插接进锁环内的插孔内，每组固定插杆插接固定有三 组锁环，由于固定块顶部均匀开始有连接槽，底部所述固定块底部固 定有与连接槽相对应的卡接块，将固定块底部的连接槽和固定块顶部 的卡接块相互滑动卡接。
2、将固定插杆右端分别插接进滑孔和抵接槽内，转动转把，转把 带动紧固螺杆转动，紧固螺杆带动升降压板上下移动，由于固定滑杆 上滑动套设有升降滑块，升降滑块左侧固定有升降压板，升降压板带 动抵压杆上下移动，将抵压杆调整至和固定插杆相抵接紧固，防止固 定插杆在安装时发生松动，安装结束后，需调节开闸状态，需先将配 套的钥匙***钥匙插槽中，向右旋转，此时，开关位于开闸状态，将 接地开关开闸状态下的锁定，此时合闸指示灯亮起，避免在开闸状态 下，操作人员引起的误操作。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有 优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描 述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图 仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明***的基本原理图；
图2本发明水听器阵列原理图；
图3本发明智能手环原理图；
图4本发明定位数学原理图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。
实施例1：
基于智能手环的泳池救生***，包括水听器阵列、智能手环、指 示***和控制计算机；
水听器阵列为一系列固定位置的水下麦克风和对应的校准麦克风 组成；
智能手环内部含有微控制器、超声波扬声器和血氧测量仪；
示***包括云台和光源***；
控制计算机把其他三个子***结合成为一个有机整体。
其中，水听器阵列由水下麦克风、水下麦克风放大器、带通滤波 器、AD转换器构成，麦克风接收到超声波后会输出微弱的电压信号， 进入前置放大器进行放大，再送入带通滤波器过滤掉除了超声波之外 的各种信号，这样就得到了模拟音频信号，AD转换器接收控制***发 来的音频时钟，同时AD转换器将模拟音频信号转换成能供计算机处 理的数字音频信号，智能手环内部含有电池、单片机、DA转换器、功 率放大器、压电陶瓷、血氧饱和度传感器，血氧饱和度传感器发出的 红外光能够穿透皮肤，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入 射光有着不同的吸收率，根据这个吸收率，血氧饱和度传感器就能测 量人体的血氧饱和度，再将这个信号转换成数字信号送进单片机，单 片机根据内部储存的参数判断血氧是否在正常范围，如果不在正常范 围，输出实现存储在内部存储器内的超声波信号，超声波信号经过DA 转换器转换成模拟音频信号，再经过功放电路放大，就可以推动压电 陶瓷发出超声波。
本实施例的一个具体应用为：将游泳池用来计费的手牌改为智能 手环，在下水前均需要正确带好智能手环，智能手环内部的微控制器 会按照一定的时间间隔测量佩戴者的血氧饱和度，当溺水事故发生时， 佩戴者的血氧饱和度会下降，这个时候就可以确定是否发生了溺水事 故，一旦手环内的微控制检测到了佩戴者血氧饱和度下降到了危险值，***就会打开手环上的超声波麦克风，发出一系列超声波脉冲，泳池 内设水听器阵列，能够接受超声波信号。
实施例2：
基于智能手环的泳池救生***，包括水听器阵列、智能手环、指 示***和控制计算机；
水听器阵列为一系列固定位置的水下麦克风和对应的校准麦克风 组成；
智能手环内部含有微控制器、超声波扬声器和血氧测量仪；
示***包括云台和光源***；
控制计算机把其他三个子***结合成为一个有机整体。
其中，水听器阵列由水下麦克风、水下麦克风放大器、带通滤波 器、AD转换器构成，麦克风接收到超声波后会输出微弱的电压信号， 进入前置放大器进行放大，再送入带通滤波器过滤掉除了超声波之外 的各种信号，这样就得到了模拟音频信号，AD转换器接收控制***发 来的音频时钟，同时AD转换器将模拟音频信号转换成能供计算机处 理的数字音频信号，智能手环内部含有电池、单片机、DA转换器、功 率放大器、压电陶瓷、血氧饱和度传感器，血氧饱和度传感器发出的 红外光能够穿透皮肤，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入 射光有着不同的吸收率，根据这个吸收率，血氧饱和度传感器就能测 量人体的血氧饱和度，再将这个信号转换成数字信号送进单片机，单 片机根据内部储存的参数判断血氧是否在正常范围，如果不在正常范 围，输出实现存储在内部存储器内的超声波信号，超声波信号经过DA 转换器转换成模拟音频信号，再经过功放电路放大，就可以推动压电 陶瓷发出超声波，指示***包含一个聚光光源，三自由度云台，三自 由度云台，包括底座部分，云台回转部分，摆动部分，其中底座部分 作为整个机体的支撑，云台回转部分主要以云台机体为主体，与底座 部分相连；摆动部分是分别与云台回转部分相连，回转部分与摆动部分 均由舵机完成旋转工作，云台回转部分连接有聚光光源，可以根据控 制信号自由调整聚光灯照射角度，用于标记溺水者，控制计算机由安 装了多声道超声波音频接口的x86计算机组成，超声波音频接口能够 提供音频时钟，接收数字音频信号，音频接口接收到数字音频信号用， 将音频数据通过USB接口传送到计算机进行分析，计算机内部运行实 现编写的控制程序，对接收到的数据进行计算，判断溺水者的位置， 同时计算机对指示***发出控制信号，标出溺水者的位置。
本实施例定位原理：在数学中，对于三维空间中的一个点(声 源)，我们通常是用点P(x,y,z)来表示它，假设该空间中的一个已知位 置P1，预先安装了一个声波传感器，则它的坐标可以表示(x1,y1,z1)， 设线段PP1的长度(也就是声源到这个传感器的距离)为R，则由基 本几何关系有：
Figure BDA0002724424050000071
显然，如果要解得点P(x,y,z)的唯一解，我们需要更多的已知条件。 根据数学几何知识我们可以知道距离R除了由几何关系得到，也可以 由R＝声速(水中)×声音传播时间得到。但是通常，我们只能知道声 音到达传感器的时刻，而很难测定声音从发声装置中播放出来的时刻， 所以声源到任意一个声波传感器的传播时间，在完成定位前，都是无 法测量的。
由于我们能测到声音到达某一个传感器的具体时刻，所以，我们 可以得到声音到达各个传感器的时间差。不妨就以刚才点P1处的传感 器为基准，再在空间中各不相同的三个点P2、P3、P4，各增加一个传 感器。对第i号传感器，如果我们把声波到达1号和i号传感器的时间 差记为,则第i号传感器到声源对距离就应当为。其中c是水中的声速。
显然，对这四个传感器，我们可以写出下面的方程组：
Figure BDA0002724424050000072
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝(R1+τ21c)2
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝(R1+τ31c)2
(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2＝(R1+τ41C)2
整理后可以得到：
Figure BDA0002724424050000081
由线性代数理论得到：如系数行列式不为0，则点P(x，y，z)能得到 唯一解。
只要四个传感器在三维空间中不在同一平面，就可以保证系数行 列式不为0。
水中声速c可从文献中的经验公式【1】得出：
c(T，S，z)＝a1+a2T+a3T2+a4T3+a5(S-35)+a6z+a7z2+a8T(S -35)+a9Tz3
其中：T是水的温度，单位：摄氏度；S是水的盐度单位：千分之 一；z是此处的水深，单位：米；a1＝1448.96，a2＝4.591，a3＝-5.304× 10-2，a4＝2.374×10-4，a5＝1.340，a6＝1.630×10-2，a7＝1.675×10-7， a8＝-1.025×10-2，a9＝-7.139×10-13。
实施例3：将游泳池用来计费的手牌改为智能手环，在下水前均需 要正确带好智能手环，一旦手环内的微控制检测到了佩戴者血氧饱和 度下降到了危险值，由已知的麦克风位置，对游泳池建立坐标系，智 能手环内部的微控制器会按照一定的时间间隔测量佩戴者的血氧饱和 度，当溺水事故发生时，佩戴者的血氧饱和度会下降，这个时候就可 以确定是否发生了溺水事故，***就会打开手环上的超声波麦克风， 发出一系列超声波脉冲，泳池内设水听器阵列，能够接受超声波信号， 根据计算机记录下多个麦克风接收到超声波信号的时间差，利用水中 声波的传输速度就可以列出方程组，计算出麦克风到声音源的距离。 再根据三角定位原理，就可以准确计算出声源在游泳池坐标系中的位 置。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具 体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、 材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书 中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而 且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个 实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实 施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实 施方式，显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说 明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和 实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。 本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：包括水听器阵列、智能手环、指示***和控制计算机；
所述水听器阵列为一系列固定位置的水下麦克风和对应的校准麦克风组成；
所述智能手环内部含有微控制器、超声波扬声器和血氧测量仪；
所述示***包括云台和光源***；
所述控制计算机把其他三个子***结合成为一个有机整体。
2.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述水听器阵列由水下麦克风、水下麦克风放大器、带通滤波器、AD转换器构成，麦克风接收到超声波后会输出微弱的电压信号，进入前置放大器进行放大，再送入带通滤波器过滤掉除了超声波之外的各种信号，这样就得到了模拟音频信号，AD转换器接收控制***发来的音频时钟，同时所述AD转换器将模拟音频信号转换成能供计算机处理的数字音频信号。
3.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述智能手环内部含有电池、单片机、DA转换器、功率放大器、压电陶瓷、血氧饱和度传感器，血氧饱和度传感器发出的红外光能够穿透皮肤，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率，根据这个吸收率，血氧饱和度传感器就能测量人体的血氧饱和度，再将这个信号转换成数字信号送进单片机，所述单片机根据内部储存的参数判断血氧是否在正常范围，如果不在正常范围，输出实现存储在内部存储器内的超声波信号，所述超声波信号经过DA转换器转换成模拟音频信号，再经过功放电路放大，就可以推动压电陶瓷发出超声波。
4.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述指示***包含一个聚光光源，三自由度云台，三自由度云台，包括底座部分，云台回转部分，摆动部分，其中底座部分作为整个机体的支撑，云台回转部分主要以云台机体为主体，与底座部分相连；摆动部分是分别与云台回转部分相连，回转部分与摆动部分均由舵机完成旋转工作，云台回转部分连接有聚光光源，可以根据控制信号自由调整聚光灯照射角度，用于标记溺水者。
5.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述控制计算机由安装了多声道超声波音频接口的x86计算机组成，超声波音频接口能够提供音频时钟，接收数字音频信号，音频接口接收到数字音频信号用，将音频数据通过USB接口传送到计算机进行分析，计算机内部运行实现编写的控制程序，对接收到的数据进行计算，判断溺水者的位置，同时计算机对指示***发出控制信号，标出溺水者的位置。
6.基于智能手环的泳池救生方法，其特征在于：
步骤S1:将游泳池用来计费的手牌改为智能手环，在下水前均需要正确带好智能手环；
步骤S2:一旦手环内的微控制检测到了佩戴者血氧饱和度下降到了危险值；
步骤S3:由已知的麦克风位置，对游泳池建立坐标系。
7.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述步骤S1：智能手环内部的微控制器会按照一定的时间间隔测量佩戴者的血氧饱和度，当溺水事故发生时，佩戴者的血氧饱和度会下降，这个时候就可以确定是否发生了溺水事故。
8.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述步骤S2：***就会打开手环上的超声波麦克风，发出一系列超声波脉冲，泳池内设水听器阵列，能够接受超声波信号。
9.根据权利要求1所述的基于智能手环的泳池救生***，其特征在于：所述步骤S3：根据计算机记录下多个麦克风接收到超声波信号的时间差，利用水中声波的传输速度就可以列出方程组，计算出麦克风到声音源的距离。再根据三角定位原理，就可以准确计算出声源在游泳池坐标系中的位置。
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