一種可攜式海洋遊泳智能手環的製作方法
2024-01-29 09:15:15 2
本發明涉及電子產品技術領域，特別涉及一種可攜式海洋遊泳智能手環。
背景技術：
隨著科技的發展，運動手環越來越多地受到人們的歡迎和使用。然而，傳統的運動手環都是用於非水下環境，適用於水下環境尤其是海水中環境中的手環目前技術中較為少見。
專利cn104433009，公告日為2016年11月30日，公開了一種基於rssi無線定位技術的智能遊泳手環。然而該專利僅適用於遊泳池環境，需要在泳池周圍部署若干參考節點構成的無線傳感器網絡。
現有的適用於水下環境的遊泳手環都是基於溺水救生需求所做出來的設計，且救生措施都需要手動操作，而往往當危情出現時，人們將處於慌亂中，進而難以做出正確的求生措施。尤其是目前海水水質在不斷被汙染的情況下，現有的手環沒有任何對危險環境的預警作用。
此外，目前市場上的手環難以對海水水質進行監測和記錄，專利cn103393260b，公告日為2015年08月05日，公開了一種智能手環，該手環中設置有環境監測傳感器，然而該專利並沒有公開環境監測傳感器具體需要如何使用以及如何對海水水質進行有效監測。
技術實現要素：
為解決以上背景技術中提到的問題，本發明提供一種可攜式海洋遊泳智能手環，包括：
水質監測模塊，所述水質監測模塊用於收集海水的水質狀況數據，並將收集到的數據傳送至數據處理控制模塊；
gps定位模塊，所述gps定位模塊將實時位置信息傳輸至數據處理控制模塊；
數據處理控制模塊，所述數據處理控制模塊將實時位置信息以及水質狀況數據進行關聯，並將關聯後的數據發送至數據儲存模塊；
所述數據處理控制模塊對水質狀況數據設定一標準值，並判斷水質狀況數據是否超過該標準值以控制警報模塊的是否啟動而發出警報信息；
後臺數據管理模塊，所述數據儲存模塊通過無線傳輸模塊將儲存的數據發送至所述後臺數據管理模塊，所述後臺數據管理模塊將收集的數據進行海水水質狀況分析和評估。
進一步地，包括時間模塊，所述數據處理控制模塊通過判斷在一定時間內水質狀況數據是否持續超過所設定的標準值，以控制警報模塊的是否啟動而發出警報信息。
進一步地，所述水質監測模塊包括水溫傳感器、鹽度傳感器、ph傳感器、氨氮傳感器、溶解氧傳感器和重金屬監測傳感器中的一種或多種。
進一步地，還包括人體體徵監測模塊、自救模塊和求救模塊；
所述人體體徵監測模塊包括心率傳感器和血壓傳感器；所述數據處理控制模塊對心率數據和血壓數據設定一定的閾值，當監測到的心率數據和血壓數據高於該閾值的上限一定時間後低於該閾值的下限時，所述數據處理控制模塊控制所述自救模塊和/或求救模塊開啟；
所述求救模塊與移動終端通信連接。
進一步地，所述自救模塊包括有壓縮氣囊、蜂鳴裝置和強光裝置，所述自救模塊設置有手動啟動按鈕。
進一步地，還包括心率傳感器，所述心率傳感器為反射式光電傳感器，包括光線發射端和接收端；
數據處理控制模塊根據監測到的海水溫度、鹽度、ph而設定的修正係數，對接收端接收的反射光強信號進行修正；
修正前的反射光強信號記為a1、a2、a3、…an…，反射光強信號進行修正後被記錄為a1』、a2』、a3』、…an』…，其中，n為第n個接收到的光強數據，n大等於3；
選取an-2』，an-1』，an+1』和an+2』，並將an與(an-2』+an-1』+an+1』+an+2』)/4進行比較；
若an』與(an-1』+an-2』+an+1』+an+2』)/4相差的絕對值超過設定值時，將an』過濾捨棄，否則，保留an』；
通過將保留的光強度作為判斷數據，並根據其強弱變化周期來確定心率值。
進一步地，所述修正係數k＝ln(((1000×s)+1000)/((t/5)+(([ph]-7)^2/5)))，其中[ph]為海水的ph數值，s為海水鹽度，t為海水溫度；
修正後的光強an』＝kan/6。
進一步地，還包括顯示模塊，所述數據處理控制模塊、健康數據模塊和時間模塊將數據信息傳送至顯示模塊。
本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環，能夠利用人們在海水中活動時，對將實時位置與海水的水質狀況進行結合併建立海水質量狀況的數據模型，為有關部門對海水的環境監控和治理提供便利；同時也能實時判斷海水環境是否適合人們活動，並及時啟動安全警報裝置，為人們在海水中的活動提供安全保證。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環功能模塊示意圖；
圖2為發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環中心率傳感器對心率修正的流程示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1為本發明提供一種可攜式海洋遊泳智能手環功能模塊示意圖，如圖1所示，包括：
水質監測模塊，所述水質監測模塊用於收集海水的水質狀況數據，並將收集到的數據傳送至數據處理控制模塊；
gps定位模塊，所述gps定位模塊將實時位置信息傳輸至數據處理控制模塊；
數據處理控制模塊，所述數據處理控制模塊將實時位置信息以及水質狀況數據進行關聯，並將關聯後的數據發送至數據儲存模塊；
所述數據處理控制模塊對水質狀況數據設定一標準值，並判斷水質狀況數據是否超過該標準值以控制警報模塊的是否啟動而發出警報信息；
後臺數據管理模塊，所述數據儲存模塊通過無線傳輸模塊將儲存的數據發送至所述後臺數據管理模塊，所述後臺數據管理模塊將收集的數據進行海水水質狀況分析和評估。
在海水中活動的人不計其數，據統計，在中國，每年有超過3億人次在海中遊泳，全球有超過30億人次在海中遊泳。如何對海水水質進行全面監測成為了全球亟待解決的難題。
現有的海水監測點覆蓋面不廣，監測點固定且數量有限；海水監測設備經常需要維修和保養，這使得海水監測成本十分高昂。而本發明利用提供的可攜式海洋遊泳智能手環，首次提出使在海水中活動的人都成為一個活動的水質監測點，當人們在海水中活動並穿戴安裝有可攜式海洋遊泳智能手環時，首先通過gps定位模塊對人的具體位置進行定位，再通過水質監測模塊對所在位置的水質環境進行監測，最終數據儲存模塊將特定位置的水質環境信息進行關聯後，可以通過無線傳輸模塊如wifi、藍牙等將該信息傳輸至後臺系統的資料庫，而後臺系統可以為水質監測站或環保部門監控系統，後臺系統再對收集的大量信息進行大數據分析，最終得出對某區域海水環境的整體狀況，有關部門在針對相應的海水環境質量狀況做出相對應的環境改善措施。同時，使用者還能將獲得的海水環境質量信息分享至社交網站，如朋友圈、微博等，一方面能讓跟多的人了解海水環境質量狀況，使人們對是否到海水中的活動做出參考，另一方面提高了人們海洋環保意識和參與到海洋環境保護的積極性。
同時，由於現代工業對海水環境造成的破壞，使得有些海水環境不適合人們的活動，嚴重地，受到汙染的海水環境還將對人們的健康安全造成威脅。而本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環，不僅能對海水環境的水質進行監測，還能實時判斷水質是否在安全的範圍內，一旦海水存在對人體健康的威脅，可攜式海洋遊泳智能手環將發出報警信息，提醒人們所處的海水水質環境不適合人們活動，從而起到預警作用，為人們在海水中的活動提供安全保證。
本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環，能夠利用人們在海水中活動時，對將實時位置與海水的水質狀況進行結合併建立海水質量狀況的數據模型，為有關部門對海水的環境監控和治理提供便利；同時也能實時判斷海水環境是否適合人們活動，並及時啟動安全警報裝置，為人們在海水中的活動提供安全保證。
在上述方案的基礎上，還包括時間模塊，所述數據處理控制模塊通過判斷在所設定的時間內水質狀況數據是否持續超過所設定的標準值，以控制警報模塊的是否啟動而發出警報信息。
專利申請cn105551195a公布了一種溺水報警方法及系統，根據所述水位變化信息，判斷所述移動終端在水中的時間；當所述移動終端在水中的時間超過預設閾值，則判斷所述移動終端處於溺水狀態，否則認為所述移動終端處於未溺水狀態。該方法在海水活動中局限性較大，限制了人們在海水中活動的深度，容易發生誤報警。而本發明提供的技術方案利用時間模塊，判斷在所設定的時間內水質狀況是否持續超過所設定的標準值，能夠提高發出警報的準確性。由於在海水中，環境變化較大，海水水質有可能出現短暫性汙染，但由於海水本身的淨化功能，該汙染僅維持短暫時間，而該信息將會對報警系統做出幹擾，造成報警信息發生錯誤性警報。而當該區域水質確實受到汙染時，該區域的水質狀況會在一定時間內處於穩定狀態的，當時間模塊判斷水質狀態超出標準值且持續一端時間如10s，20s，30s或50s時，便可準確判斷該區域水質是否確實受到汙染，同時在該時間內也能夠允許人們快速逃離受汙染的環境。
具體地，所述水質監測模塊包括水溫傳感器、鹽度傳感器、ph傳感器、氨氮傳感器、溶解氧傳感器和重金屬監測傳感器中的一種或多種。多種傳感器能夠分別監測海水不同方面的水質，能夠對海水環境進行更加全面的監測。
在以上方案的基礎上，進一步地，還包括人體體徵監測模塊、自救模塊和求救模塊；所述人體體徵監測模塊包括心率傳感器和血壓傳感器；所述數據處理控制模塊對心率數據和血壓數據設定一定的閾值，當監測到的心率數據和血壓數據高於該閾值的上限一定時間後低於該閾值的下限時，所述數據處理控制模塊控制所述自救模塊和/或求救模塊開啟；所述求救模塊與移動終端通信連接。
現有的人體健康報警系統僅在心率或血壓發生下降的情況下再發出警報信息，而在實際的海水環境中，人體的心率或血壓也會出現短暫的不穩定，因此該方法極易造成誤判斷。事實上，當人們遇到威脅或發生抽經、溺水等現象時，人們首先出現的情緒是慌張，人體的實際心率和血壓變化應該是先加快，當人體健康不佳或受到傷害時，心率和血壓將會降低，因此總的過程是出現心率和血壓先升高再降低的過程。
因此，本發明中數據處理控制模塊對心率數據和血壓數據設定一定的閾值，當監測到的心率數據和血壓數據高於該閾值的上限一定時間後低於該閾值的下限時，所述數據處理控制模塊控制所述自救模塊和求救模塊開啟，因此，本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環能夠避免自救模塊和求救模塊的開啟，從而避免了不必要的資源浪費。具體地，求救模塊與移動終端通信連接，當人們的安全狀況受到威脅時，可以通過對移動終端如手機等設備發送求救信號，同時將被救者的位置信息發送至移動終端，使施救者能夠更好地施加救援措施，使被救者能夠及時得到救助，保證了人們的生命健康安全。
在上述方案的基礎上，優選地，所述自救模塊包括有壓縮氣囊、蜂鳴裝置和強光裝置，所述自救模塊設置有手動啟動按鈕。
壓縮氣囊能夠在人們發生溺水時使溺水者產生足夠的浮力而獲得救援，具體地，壓縮氣囊與手環通過可拆卸方式進行連接，人們可以根據需要對壓縮氣囊進行選擇性安裝。蜂鳴裝置可以配合警報系統進行使用，可以通過不同的發聲方式，不僅能夠通過聲音進行報警來提醒施救者，還可以通過尖銳的聲音來對鯊魚等生物進行驅趕，從而更加全面地保護人們的生命安全。強光裝置同樣可以對提醒施救者，顯示被施救者的位置來保證人們的健康安全，也能對鯊魚等危險性生物起到一定的驅趕作用。
優選地，還包括體溫傳感器和水溫傳感器；所述體溫傳感器和水溫傳感器將獲得的數據傳輸至數據處理控制模塊；
所述數據處理控制模塊對體溫數據設定一定的閾值，當接收的體溫數據在設定的時間範圍內高於該閾值上限或低於該閾值下限時，數據處理控制模塊控制警報模塊的啟動而發出警報信息，否則，警報模塊不啟動；
所述數據處理控制模塊對接收的體溫數據和水溫數據進行比較，當體溫數據與水溫數據的相差值在設定的時間範圍內達到一定值時，數據處理控制模塊控制警報模塊的啟動而發出警報信息，否則，警報模塊不啟動。
當人們的健康狀態出現問題時，在體溫表現上尤為明顯，然而在海水環境中，人體的體溫出現短暫的波動也是正常的，現有的體溫監控系統受到短暫性波動的影響較大。本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環通過設定閾值，且當接收的體溫數據在一定時間內高於該閾值上限或低於該閾值下限時，在避免發生警報信息誤報的情況下對人們在海水中的健康起到有效的監控作用。
在以上技術方案的基礎上，還包括心率傳感器，所述心率傳感器為反射式光電傳感器，包括光線發射端和接收端；
如圖2所示，數據處理控制模塊根據監測到的海水溫度、鹽度、ph而設定的修正係數，對接收端接收的反射光強信號進行修正；
修正前的反射光強信號記為a1、a2、a3、…an…，反射光強信號進行修正後被記錄為a1』、a2』、a3』、…an』…，其中，n為第n個接收到的光強數據，n大等於3且為整數；
選取an-2』，an-1』，an+1』和an+2』，並將an與(an-2』+an-1』+an+1』+an+2』)/4進行比較；
若an』與(an-1』+an-2』+an+1』+an+2』)/4相差的絕對值超過一設定值時，將an』過濾捨棄，否則，保留an』；
通過將過濾後並保留的光強度作為判斷數據，並根據其強弱變化周期來確定心率值。
現有的手環測量心率的方法就是基於物質對光的吸收原理，通過智能穿戴設備的led燈搭配感光光電二極體照射血管一段時間，由於血液可以吸收光，在心臟跳動時，血液流量增多，光的吸收量會隨之變大；處於心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的光也會隨之降低，因此，根據血液的吸光度可測量心率。
具體而言，當一定波長的光束照射到皮膚表面時，光束將通過反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由於受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，監測器監測到光的強度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射是固定值，而毛細血管和動靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當心臟收縮時，外周血容量最多、光吸收量也最大，監測到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反，監測到的光強度最大，使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化。
然而在海水環境中，利用以上方式測量心率的手環測量心率的結果與實際有很大的出入，這是由於海水中的成分複雜，人們戴著手環在海水中活動時，手環的光電傳感器，包括光線發射端和接收端與手腕皮膚之間有一定距離，而該距離被海水填充，海水本身將會吸收或反射光，因此會對光電傳感器造成較大的擾動，接收到的反射光強度也會出現較大不同，而此時難以區分不同強度的反射光是經過血液反射產生的還是由於海水中環境變換而產生的，這也是現有的手環中心率傳感器在海水中測得的數據誤差較大的原因之一。海水對光的吸收或反射程度與海水本身的水質狀況有著緊密聯繫。
具體地，根據海水的溫度、鹽度、ph對光的吸收或反射程度進行修正；修正後，由於接收到的血液的反射光線強度在未收到幹擾時，相鄰的強度誤差不大；在進行修正處理後，幹擾信息同時也進行了同向修正，而由於海水環境變化而產生的反射光強度本身與由於血液反射光線的強度本身就存在區別，進行修正後，人體的心率雖然會發生變化，但在短期內會處於相對穩定狀態，通過對比連續接收到相鄰光線的強度，血液反射光線的強度與海水環境變化而產生的反射光強度將被區分；數據處理控制模塊對修正後的光強進行過濾和篩選，最後通過被保留的光強數據變化周期來確定心率值。本發明先通過修正後光強的振幅信息(即光強信息)進行篩選，再對篩選後數據的周期信息來確定心率值，該方法水用手環測心率中具有顯著的進步和實質性的特點。
優選地，所述修正係數k＝ln(((1000×s)+1000)/((t/5)+(([ph]-7)^2/5)))，其中[ph]為海水的ph數值，s為海水鹽度，t為海水溫度；修正後的光強an』＝kan/6；本發明提供的修正係數以及修正公式為發明人在大量實驗的基礎上得到的經驗公式，符合實際應用，使最終獲得的心率數據與實際誤差較小，具有顯著進步。
進一步地，還包括顯示模塊，所述數據處理控制模塊、健康數據模塊和時間模塊將數據信息傳送至顯示模塊。顯示模塊可以採用oled顯示屏，為使用這提供更好的視覺化效果。
優選地，遊泳手環採用太陽能電池進行供電，也可採用太陽能電池和鋰電池的複合電池進行供電。為手環的長期續航提供有效保證。
將採用本發明提供的可攜式海洋遊泳智能手環中具有心率測試修正功能的遊泳手環作為實施例，將現有的反射式光電傳感器手環作為對比例進行對比，二者採用的均為反射式光電傳感器，且傳感器的型號一致。測試方法為，在同一使用者的左手和右手同時穿戴本發明實施例提供的手環或對比例提供的手環，並分別將兩隻手放置在空氣中與裝有不同海水水質條件的容器中並讓手環浸沒於海水中進行測試，並每隔1分鐘記錄一次心率測試數據，記錄測10分鐘時間心率的平均數值和心率標準差，其中，心率的單位為：次/min。測試結果如下表表1所示：
表1
其中，實施例1和對比例1均將雙手在空氣和海水中靜置不動；實施例2和對比例2均將雙手分別在空氣中和水中進行揮動，且揮動的頻率和幅度保持一致；實施例3和對比例3中，雙手靜置不動，在海水中不斷通過增加nacl、醋酸和加溫來改變海水條件。
通過表1可以看出，由於同一使用者對其左右手同時進行心率測試的結構應保持一致，因此可將對置於空氣中的手的心率測試作為參考標準值。通過實施例1和對比例1可以看出，採用本發明提供的海水安全監測遊泳手環左右手分別在海水和空氣中時，測得心率誤差為11，且在海水中的標準差為4，而對比例1左右手測得的心率誤差為31，且在海水中的標準差為40，可以看出現有技術的手環測試心率的結果受海水的影響較大，與實際心率相比不僅誤差較大且波動也較大，而本發明提供的海水安全監測遊泳手環測得的心率結果不僅與參考標準值誤差較小，且波動也較小，測試結果更為準確和穩定。
通過實施例2和對比例2可以看出，模擬人們在海水中活動的實際情況，當手環在海水中活動較大時，由於海水的擾動，對手環心率測試結果將產生一定影響。其中實施例2左右手分別在海水和空氣中時，測得心率誤差為13，且在海水中的標準差為8，而對比例2左右手測得的心率誤差為49，且在海水中的標準差為49，可以看出現有技術的手環測試心率的結果受海水的影響較大，與實際心率相比不僅誤差較大且波動也較大，而本發明提供的海水安全監測遊泳手環測得的心率結果，在海水環境發生擾動的情況下，不僅與參考標準值誤差較小，且波動也較小，測試結果更為準確和穩定。
通過實施例3和對比例3可以看出，模擬海水環境水質發生變換的實際情況，由於海水水質變化對對手環心率測試結果將產生一定影響。其中實施例3左右手分別在海水和空氣中時，測得心率誤差為6，且在海水中的標準差為5，而對比例3左右手測得的心率誤差為39，且在海水中的標準差為46，可以看出現有技術的手環測試心率的結果受海水的影響較大，與實際心率相比不僅誤差較大且波動也較大，而本發明提供的海水安全監測遊泳手環測得的心率結果，在海水環境發生擾動的情況下，不僅與參考標準值誤差較小，且波動也較小，測試結果更為準確和穩定。
其中，修正係數k＝ln(((1000×s)+1000)/((t/5)+(([ph]-7)^2/5)))
修正公式為：an』＝kan/6
可將對比例中現有技術手環置於海水中測得的心率測值試作為參考，並作為為修正前的心率，記為an，通過比較可以發現，a1，a2為113，125經過修正後的理論值應為77、85，而實施例1、2在海水中測得的實際心率值為79，88，與理論參考值相比，相差較小，因此本發明提供的修正係數和修正公式能夠很好地提高手環心率測試的準確性和穩定性，對手環在海水環境中測試心率具有積極的參考價值。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。