一種智慧遊泳運動系統及實現運動管理的方法與流程
2023-06-03 18:14:21
本發明涉及遊泳管理領域，具體是一種智慧遊泳運動系統及實現運動管理的方法。
背景技術：
遊泳是一項傳統熱門的體育運動，由於其不限男女老幼，因此具有較高的受歡迎程度。遊泳池一般設有遊泳管理系統，一般可分為防溺監控報警系統和數據採集系統，而遊泳可分為娛樂型和比賽型，在遊泳娛樂中，安全性是首先需要考慮的問題，目前，各式各樣的遊泳池防溺監控報警系統應有盡有，比如有通過雷達系統、監控設備、監控計算機、報警器以及報警燈光等結合來達到溺水判斷的防溺系統；也有通過遊泳手環來採集遊泳者的運動信息、所處水壓信息以及脈搏信息，並通過單片機模塊來即時判斷是否溺水的；還有採用若干第一射頻電子標籤設備、第二射頻電子標籤設備、無線信號採集設備、控制終端、報警裝置和水平框架組成的防溺系統，水平框架平行於泳池，第一射頻識別電子標籤設備陣列排布固定在水平框架上，使得每個第一射頻識別電子標籤設備與泳池的水平面的間距相等，每個第一射頻識別電子標籤設備具有唯一的識別編號以及一表示其在泳池中位置的地址編碼，出現溺水狀態時，啟動的報警裝置，報警裝置是 LED閃燈、報警揚聲器、攝像機中的一種，LED閃燈垂直向上閃爍發光。以上提到的現有防溺系統，均存在一些問題，比如溺水判斷的準確率不高，很大程度上需要藉助人為的判斷，比如需要根據監控面面、現場情況判斷，並不容易做到第一時間判斷溺水情況，而且也不容易第一時間確認溺水的準確位置，給溺水施救增加了難度。
另外，不管是遊泳比賽還是訓練，現有的數據採集系統一般只能獲得遊泳者從出發到結束的時間與距離，然後計算出該遊泳者的速度，並不能實時、準確地獲知該遊泳者任意某一段距離內的速度，也無法獲知該遊泳者的運動軌跡，進而無法獲知該遊泳者實際的遊泳長度，而由此計算出的該遊泳者的速度便會存在一定的誤差。因此，從遊泳訓練和比賽的角度來說，急需一種高精度的遊泳數據採集系統，來對遊泳者的相關數據進行採集，以獲得較為真實的遊泳數據，為訓練提供更好的依據。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明提出了一種智慧遊泳運動系統及實現運動管理的方法，解決現有的遊泳管理系統在防溺監控過程中，溺水判斷的準確率不高，很大程度上需要藉助人為的判斷，比如需要根據監控面面、現場情況判斷，並不容易做到第一時間判斷溺水情況，而且也不容易第一時間確認溺水的準確位置，給溺水施救增加了難度的問題；另外，本發明還能解決現有的遊泳管理系統在進行遊泳數據採集時，無法較為準確地獲知遊泳者的遊泳軌跡、速度等信息，無法為遊泳訓練提供更好的參考依據的問題；除此之外，本發明還能解決現有的遊泳管理系統要麼只能實現監控警報，要麼只能實現遊泳數據單一採集，功能單一、且系統複雜的問題。
本發明為實現上述目的，採用以下技術方案實現：
一種智慧遊泳運動系統，包括中心控制器、設置於遊泳池周邊的至少三個基站以及若干設置於穿戴設備上的UWB定位標籤，中心控制器與各個基站通過有線或者無線通信連接，各個基站之間通過有線或無線通信連接，中心控制器控制各個基站和UWB定位標籤按照系統規定的運行時序和邏輯工作，UWB定位標籤發出UWB定位數據並由各個基站接收，各個基站將接收到的定位數據發送至中心控制器，中心控制器解算出UWB定位標籤的實時位置。
進一步地，作為優選技術方案，所述有線通信連接包括網線連接、同軸電纜連接、雙絞線連接以及光纖連接。
進一步地，作為優選技術方案，所述穿戴設備為泳帽，UWB定位標籤設置於泳帽上。
進一步地，作為優選技術方案，還包括手環和/或腳環，所述手環和/或腳環上集成有若干用於採集人體生理數據的傳感器，所述傳感器與UWB定位標籤實現通信。
進一步地，作為優選技術方案，所述傳感器與UWB定位標籤採用藍牙配對的方式實現無線通信。
進一步地，作為優選技術方案，所述傳感器包括心率計、加速度計、溫度計以及陀螺儀。
一種採用上述智慧遊泳運動系統實現運動管理的方法，包括以下步驟：
步驟1：將各個基站依次設置在遊泳池周邊，並使各個基站與中心控制器之間實現有線或無線通信連接；
步驟2：遊泳者戴上設置有UWB定位標籤的穿戴設備，並戴上手環和/或腳環後，進入遊泳池進行活動；
步驟3：遊泳者身上的UWB定位標籤不間斷地向各個基站發送定位數據，各個基站將接收到的定位數據發送至中心控制器，中心控制器解算出UWB定位標籤的實時位置，另外，手環和/或腳環上的傳感器將採集到的人體生理數據傳送至UWB定位標籤，再由UWB定位標籤傳送至中心控制器，中心控制器實時地獲取遊泳者的位置、速度、心率、體溫、划水頻率等信息；
步驟4：當遊泳者的泳帽浸入水面以下後，UWB定位標籤與各個基站失去通信，當失去通信持續一定時間後，判定遊泳者此時處於溺水狀態，並由中心控制器發出警報信號；同時，UWB定位標籤上的報警閃光燈進行閃爍報警。
進一步地，作為優選技術方案，當所述的手環和/或腳環採集到的人體生理數據出現異常時，判定遊泳者此時處於溺水狀態，並由中心控制器發出警報信號；同時，UWB定位標籤上的報警閃光燈進行閃爍報警。
進一步地，作為優選技術方案，所述的手環和/或腳環採集到的異常人體生理數據包括加速度計、陀螺儀以及心率計採集到的異常數據。
進一步地，作為優選技術方案，溺水狀態的判斷還包括：當UWB定位信號未消失且手腳上沒有運動，且超過一定的時間時，同樣視同溺水狀態。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：
（1）本發明能夠有效地對遊泳者處於溺水狀態進行及時、精準的判斷，並對溺水者的位置實現高精度定位，能夠在第一時間鎖定溺水者的精確位置，為營救溺水者提供較佳的條件。
（2）本發明可記錄遊泳者十分精準的遊泳軌跡以及任意時間區間或者距離內的遊泳速度、遊泳方向等信息，同時還可採集遊泳者的心率、體溫、划水頻率等數據，為遊泳訓練提供較為真實、準確的數據參考，有利於發現和改善訓練中的不足，提高訓練效果並獲得更佳的成績。
（3）本發明在同一系統下，同時實現了防溺監控和運動數據採集，既增加了遊泳作為娛樂活動時的安全性，又為遊泳訓練提供了真實的運動數據，兩者的有效結合，讓整個系統不再單一，功能性更強。
附圖說明
圖1為本發明的系統框圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例：
如圖1所示，本實施例所述的一種智慧遊泳運動系統，包括中心控制器、設置於遊泳池周邊的至少三個基站以及若干設置於穿戴設備上的UWB定位標籤，中心控制器與各個基站通過有線或者無線通信連接，各個基站之間通過有線或無線通信連接，具體地，有線通信連接可以是網線連接、同軸電纜連接、雙絞線連接以及光纖連接。中心控制器控制各個基站和UWB定位標籤按照系統規定的運行時序和邏輯工作，這裡的運行時序和邏輯指的是中心控制器指定每一個UWB定位標籤的工作時間區間、UWB定位標籤的定位信號發送時間（開始工作的時間）以及各個基站接收定位信號的時間（開始工作的時間），比如，當遊泳者穿戴上設置有UWB定位標籤的穿戴設備進入遊泳池後，中心控制器發出控制指令，UWB定位標籤開始發送定位信號，各個基站接收定位信號，UWB定位標籤以及各個基站的開始工作時間以及每一個UWB定位標籤的工作時間區間均由中心控制器控制。UWB定位標籤發出UWB定位數據並由各個基站接收，各個基站將接收到的定位數據發送至中心控制器，中心控制器解算出UWB定位標籤的實時位置。中心控制器主要實現邏輯控制、無線通信、網絡通信、同步控制等功能，本領域技術人員在知曉中心控制器需要實現上述功能的情況下，不用付出創造性的勞動即可實現，這樣的中心控制器結構對於本領域技術人員來說非常容易實現。
在本實施例中，將基站布置在遊泳池周邊之後，中心控制器與各個基站通過有線或者無線通信連接，而各個基站之間同樣採用有線或者無線通信連接，此時，以網線連接為例，各個基站通過網線依次級聯，第N-1個基站接收第N-2個基站發送來的時鐘同步信號，並將接收到的時鐘同步信號轉發給第N個基站，N為等於或大於3的正整數，然後對各個基站進行同步調節，同步的具體過程是：首先，同步信號發生器通過網線，向第1個基站發送I、Q調製數據，該I、Q調製數據由數字編碼通過信號轉換得到，第1個基站接收到I、Q調製數據後，一方面，對該I、Q調製數據進行解碼得到數字編碼，提取該數字編碼的時間標識碼，該時間標識碼作為復位信號，對第1個基站的高精度計時時鐘進行復位，並等待UWB定位信息碼的到來；另一方面，第1個基站將接收到的I、Q調製數據轉發至第2個基站，第2個基站接收到I、Q調製數據後，完成與第1個基站相同的工作—計時、轉發，以此類推，直到最後一個基站接收到I、Q調製數據，然後對該I、Q調製數據進行解碼得到數字編碼，提取該數字編碼的時間標識碼，該時間標識碼作為復位信號，對第最後一個基站的高精度計時時鐘進行復位，此時，所有基站的高精度計時時鐘均在等待UWB定位信息碼的到來。位置已知的UWB定位標籤發出的定位信息碼，各個基站接收到UWB定位信息碼後，記下各個基站各自的高精度計時時鐘此時的時鐘數，該時鐘數指的是從基站提取到時間標識碼到基站接收到UWB定位信息碼這段時間，由於UWB定位標籤到各個基站的距離是已知的，也就是說，UWB定位信息碼從發出到到達各個基站的時間是已知的，根據各個基站之間的計時時鐘時間差、基站坐標以及UWB定位標籤的位置坐標，採用TDOA定位算法，計算出各個基站相對的時間延時值，由於兩個基站之間存在網線延時以及解碼延時等，各個基站的時鐘計數起始點（定位時間）是不一樣的，計算出各個基站之間相對的時間延時值後，將延時值對應加入到各個基站的定位時間中，使各個基站能夠在同一時間點開始接收定位信息碼，基站實現同步接收。
以三個基站為例，假設第一個、第二個、第三個基站的計數時鐘在接收到UWB定位信息碼時分別是TJ1、TJ2、TJ3，UWB定位信息碼從發送開始到到達各個基站的時間分別為TD1、TD2、TD3，第一個基站與第二個基站之間的延時為t1，第二個基站與第三個基站的延時為t2，第三個基站等待UWB定位信息碼發送的時間為TW，於是有，TJ1= t1+t2+TW+TD1, TJ2= t2+TW+TD2, TJ3= TW+TD3,由於三個基站的位置坐標以及UWB定位標籤的位置坐標均是已知的，因此，通過TDOA算法，即可得到UWB定位信息碼到達任意兩個基站的時間差，即TD1-TD2、TD1-TD3、TD2-TD3均可得到，由於TJ1、TJ2、TJ3均是已知，通過TJ1-TJ2= t1+TD1-TD2，即可算出t1，即第一基站與第二基站之間的延時，同理可計算出任意兩個基站之間的延時。
本發明的各個基站採用的是級聯的方式，各個基站依次完成同步信號的接收、轉發（最後一個基站不用轉發同步信號），採用上述方法，可以精確地得到任意兩個基站之間的時間延時值，具體到本發明中，只需要得到每個基站分別與最後一個基站之間的時間延時值，然後將各自時間延時值加入到對應的基站即可，從而確保各個基站定位時間的一致，也就是在同一時刻開始接收UWB定位信號。
完成各個基站的同步之後，可以實現對進入遊泳池區域的所有UWB定位標籤發出的UWB定位信號的同步接收，並通過TDOA定位算法，得到任意UWB定位標籤的具體坐標位置，即是前面所說的通過中心控制器解算得到的UWB定位標籤的實時位置，且精度極高，從而可形成遊泳者的遊泳軌跡以及遊泳速度信息。遊泳訓練採用本發明之後，可以獲得十分精準的遊泳軌跡以及任意時間區間或者距離內的遊泳速度、遊泳方向信息，為遊泳訓練提供較為真實、準確的數據參考，有利於發現和改善訓練中的不足，提高訓練效果並獲得更佳的成績。
在本實施例中，穿戴設備優選為泳帽，並UWB定位標籤設置於泳帽上。當泳帽浸沒在水下時，即UWB定位標籤浸沒在水下，UWB定位標籤作為無線電發生裝置，浸沒在水中時是不能發送出信號的，因為水對電磁波的衰減非常大，為保證UWB定位標籤發送的定位信號為基站所接收，將UWB定位標籤固定在泳帽中較為合適，遊泳運動中，無論哪種泳姿，頭部均會周期性探出水面，從而保證信號傳送。
在本實施例中，為了增加輔助判斷措施，本發明可增加手環和/或腳環，手環、腳環分別佩戴在人體的手腕、腳踝處，手環和/或腳環上集成有若干用於採集人體生理數據的傳感器，比如傳感器心率計、加速度計、溫度計以及陀螺儀等，但傳感器並不局限於這幾種，還可以包括其他可以採集人體生理數據的傳感器，各個傳感器與UWB定位標籤實現通信，優選的，採用藍牙配對的方式進行連接，各個傳感器將分別採集到的心率、體溫、划水頻率等人體生理數據傳送至UWB定位標籤，並通過UWB定位標籤，將人體生理數據傳送至中心控制器進行數據記錄、分析，從而輔助判斷遊泳者是否處於溺水狀態以及判斷遊泳者當前的運動狀態。具體地：當某一UWB定位標籤浸沒於水下後，UWB定位信號消失，此時各個基站接收不到該UWB定位標籤發出的定位信號，當持續到一定的時間後，這裡的持續時間可根據具體判斷時機設置，一般可設置為5~10s，仍無法接收到該UWB定位標籤發出的定位信號，則可判斷該遊泳者處於溺水狀態，此時，UWB定位標籤上的報警閃光燈進行閃爍報警，同時，中心控制器發出報警信號進行報警；另外，可藉助手環和/或腳環採集到的人體生理數據進行進一步的輔助判斷，比如突然之間的心率加快、手和/或腳的划水頻率加快、體溫異常降低等等，均可作為溺水狀態的輔助判斷，從而有效提高溺水狀態的識別精度，防止漏判、錯判，提高遊泳池的安全性。
本實施例基於上述智慧遊泳運動系統，可採用下面的方法來實現防溺監控和數據採集，具體包括以下步驟：
步驟1：將各個基站依次設置在遊泳池周邊，並使各個基站與中心控制器之間實現有線或無線通信連接；
步驟2：遊泳者戴上設置有UWB定位標籤的穿戴設備，並戴上手環和/或腳環後，進入遊泳池進行活動；
步驟3：遊泳者身上的UWB定位標籤不間斷地向各個基站發送定位數據，各個基站將接收到的定位數據發送至中心控制器，中心控制器解算出UWB定位標籤的實時位置，另外，手環和/或腳環上的傳感器將採集到的人體生理數據傳送至UWB定位標籤，再由UWB定位標籤傳送至中心控制器，中心控制器實時地獲取遊泳者的位置、速度、心率、體溫、划水頻率等信息；
步驟4：當穿戴設備浸入水面以下後，UWB定位標籤與各個基站失去通信，當持續到一定的時間後，這裡的持續時間可根據具體判斷時機設置，一般可設置為5~10s，仍無法接收到該UWB定位標籤發出的定位信號，此時可判斷遊泳者處於溺水狀態，並由中心控制器發出警報信號，由於定位精度很高，可根據該遊泳者最後出現的定位位置快速找到溺水者並施救。
另外，本發明在判定遊泳者是否溺水時，還會結合手環和/或腳環採集到的異常人體生理數據，這裡的異常人體生理數據包括加速度計和陀螺儀採集到的異常數據，以及心率計採集到的異常心率數據，還可以是異常的體溫數據，即是相對於正常的心率、手和/腳划水速度、人體溫度，遊泳者的這幾項人體生理數據突然有個明顯的變化，手環和/或腳環集成加速度計和陀螺儀之後，當人體處於掙扎狀態（溺水狀態）時，加速度計和陀螺儀採集的數據會明顯變化，因此，藉助速度計和陀螺儀，可較為精準地對溺水進行判斷。
另外，溺水狀態的判斷還包括：當UWB定位信號未消失且手腳上沒有運動，且超過一定的時間時，同樣視同溺水狀態，同時，結合划水頻率的變化情況，可從邏輯上作出判斷，當划水頻率很高時，可判斷為人體掙扎中，處於溺水狀態，從而也可避免出現溺水漏判的情況發生。
本發明通過上述系統及方法，一方面能夠有效地對遊泳者處於溺水狀態進行及時、精準的判斷，並對溺水者的位置實現高精度定位，能夠在第一時間鎖定溺水者的精確位置，為營救溺水者提供較佳的條件；另一方面，本發明可實時顯示和記錄遊泳者十分精準的遊泳軌跡以及任意時間區間或者距離內的遊泳速度、遊泳方向等信息，同時還可通過手環和/或腳環採集到的遊泳者的心率、體溫、划水頻率等數據，並實時傳送至後臺管理、運動訓練分析軟體，為遊泳訓練提供較為真實、準確的數據參考，有利於發現和改善訓練中的不足，提高訓練效果並獲得更佳的成績。具體地，本發明獲得的基於實時高精度定位的遊泳數據，對於業餘和專業遊泳運動訓練均有極大的意義，一來可以規劃遊泳訓練，監測運動員體能、技能等數據，針對性改進；二來可以導入科學合理的訓練計劃和方案，增強訓練的科學性和趣味性，更好地因材施教，而且還能防止盲目性大運動量帶來的傷害。比如，同樣遊了直線距離為100米的兩個人，兩個人花的時間、遊泳軌跡帶來的真實遊泳距離、划水的頻率和次數、心跳次數等等均存在不同的差距，本發明能夠準確及時地獲知這些數據，為科學合理的訓練提供重要的參考。而目前現有的遊泳管理系統並不能得到實時的高精度定位數據，無法為遊泳者的訓練提供任何有效的幫助，關鍵性數據的缺失也使得遊泳訓練效果十分有限和緩慢。另外，本發明在同一系統下，同時實現了防溺監控和運動數據採集，既增加了遊泳作為娛樂活動時的安全性，又為遊泳訓練提供了真實的運動數據，兩者的有效結合，讓整個系統不再單一，功能性更強。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。