CN103295366A - 一种基于体感的溺水报警装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种报警设备，尤其涉及溺水报警装置及其方法，具体的设计一种基于体感的溺水报警装置及其方法，包括为装置提供电源的电源模块，加速度传感器模块，用于检测人体运动的加速度，并判断人体的运动幅度；水压传感器，用于检测人体在水中的压力，从而判断人体在水中的深度；微处理器，用于读取并处理加速度传感器模块以及水压传感器检测到的数据，判断是否在溺水；报警单元，用于根据微处理器判断的结果发出警报，其方法步骤包括：Sa：检测人体在水中的深度是否大于50厘米，Sb：通过三轴加速度传感器检测人体在水中三个方向的加速度并处理获得的数据判断是否处于溺水状态；Sc：通过报警单元发出报警信息。

Description

一种基于体感的溺水报警装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种报警设备，尤其涉及溺水报警装置及其方法，具体的设计一种基于体感的溺水报警装置及其方法。 

背景技术

游泳是夏季里常见的运动，具有增加心肌功能，增强抵抗力，减肥，健美形体，加强肺部功能，护肤等好处，随着人们生活条件的不断提高，生活质量的不断提高，游泳已经成为了一项娱乐活动。 

游泳给人的生活带来了乐趣，却同时带来了安全隐患，不管是在泳池还是乡村的池塘、水库都存在安全问题。统计资料表明，溺水淹亡已成为3-14岁儿童非正常死亡的头号杀手，即使是在城市的标准游泳池中，也常常发生溺水淹亡的事故。目前，国内对游泳人员的溺水监测大都是依靠救护人员，通过肉眼观察来确定的，一般泳池都分为深水区和浅水区，小孩子或者尚未学会游泳的人容易误入深水区，导致发送溺水事故，而在乡村的池塘、水库由于人口分散，小孩子会独自去水中嬉戏，导致不慎落水，并且溺水时很难被发现。 

为了解决泳池中存在的安全隐患，中国专利公开号为CN101197060A公开了一种泳池溺水报警器，包括溺水探测装置、手持报警装置和计算机数据处理装置。溺水探测装置佩带在游泳者的头上，手持报警装置有救生员使用，计算机数据处理装置为泳池管理人员使用。由上述技术方案可知，该溺水报警装置只适合在泳池使用，而在乡间的池塘、水库却不能实施，所以很难避免在乡间发生溺水淹亡的事故。 

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于体感的溺水报警装置及其方法，在泳池能够及时发出报警信息通知附近的救生员，在乡间也能及时发出报警声及时通知附近的人，及时救出溺水人员，大大降低了溺水淹亡率。 

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决： 

一种基于体感的溺水报警装置，包括为装置提供电源的电源模块，还包括包括： 

水压传感器，用于检测人体在水中受到的压力； 

加速度传感器模块，用于检测人体在水中三个方向的加速度； 

微处理器，用于读取水压传感器检测到人体在水中受到的压力，从而计算出人体在水中的深度，并判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若小于，则重新检测检测人在水中中的深度；若大于，则读取加速度传感器模块检测到人体在水中三个方向的加速度得数据；并处理检测到人体在水中三个方向的加速度并获得人体运动的激烈程度的数据，如果人在水中溺水，通常无力做出大幅度的动作，此时采集的数据只会呈现小范围波动，从而判断是否处于溺水状态； 

报警单元，当微处理器判断人体处于溺水状态时，用于通过微处理器发送的指令发出警报信号。 

作为优选，所述微处理器还连接有按键模块和数据存储模块，所述按键模块包括开机按钮和自救按钮，所述的开机按钮用于启动报警装置，所述的自救按钮用于在溺水状态下人为启动报警装置；数据存储模块，用于存储历史数据，可通过存储的历史数据对设备进行进一步的改进。 

作为优选，所述的报警单元包括声音报警器和LED报警器。 

作为优选，所述的加速度传感器模块为三轴加速度传感器，用于分别检测人体在水中X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度。 

一种基于体感的溺水报警方法，方法步骤包括： 

Sa：水压传感器检测人在水中的压力并计算得到人体在水中的深度，判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若大于，则进行步骤Sb；若小于，则重新检测检测人在水中的深度； 

Sb：通过装置内的三轴加速度传感器检测人体在水中三个方向的加速度并处理获得人体运动剧烈程度的数据用于判断是否处于溺水状态； 

Sc：通过报警单元发出报警信息，可通过自救按钮人为启动报警单元，该方法可在任何时段启动报警单元，并关闭后续步骤；还可以通过步骤Sa和步骤Sb判断后启动报警单元。 

作为优选，所述的步骤Sa包括： 

Sa1、通过水压传感器获得人体在水中位置的水压数据； 

Sa2、根据所述水压数据判断人体在水中的深度，并判断人体在水中的深度是否超过50厘米，如果人体在水中深度小于50厘米，则继续检测人体在水中的深度，如人体在水中深度大于50厘米，则继续步骤Sb。 

作为优选，所述的步骤Sb包括： 

Sb1、当步骤Sa检测到人体在水中深度超过50厘米，则三轴加速度传感器开始工作，获得人体三轴加速度的数值； 

Sb2、将获得的三轴加速度数值通过滤波器得到数值g_x，g_y，g_z； 

Sb3、计算通过滤波器后得到三个方向的加速度数值g_x，g_y，g_z与重力加速度的角度θx，θy，θz； 

Sb4、在设定的时间内计算角度的变化； 

Sb5、判断角度的变化是否小于阈值，当角度的变化大于阈值时，步骤返回的Sb2，当角度的变化小于阈值时，则处于溺水状态，继续步骤Sc。 

作为优选，所述所述步骤Sb4中设定的时间为1秒；步骤Sb5中用于判断的阈值为25°至35°，用于判断的阈值可选范围为20°至60°，其中25°至35°为最佳选择范围。 

按照本发明的技术方案，技术合理，并且适用范围广，可在池塘、泳池等地方使用，能够及时、准确的发出警报。 

附图说明

图1为本发明基于体感的溺水报警装置实施例的结构示意图。 

图2为本发明基于体感的溺水报警方法实施例的流程图。 

图3为由图1所示溺水报警装置执行的基于体感的溺水报警方法的流程详图。 

附图标记：1、微处理器，2、加速度传感器模块，3、水压传感器，4、报 警单元，5、按键模块6、电源模块，7、数据存储模块。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

本发明提供的基于体感的溺水报警装置，根据人体的重心位置靠近腰部的构造，以及正常状态游泳时人的腰部相对处于静止状态的技术特点，将处于密封状态的装置穿戴在腰上，如图1所示，包括电源模块6、加速度传感器模块2、水压传感器3、微处理器1、报警单元4、按键模块5和数据存储模块7。 

其中水压传感器，用于检测人体在水中受到的压力并将数据发送到微处理器； 

加速度传感器模块，用于检测人体在水中三个方向的加速度并将数据发送到微处理器； 

微处理器读取水压传感器检测到人体在水中受到的压力，从而计算出人体在水中的深度，并判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若小于，则重新检测检测人在水中中的深度；若大于，则读取加速度传感器模块检测到人体在水中三个方向的加速度得数据；并处理检测到人体在水中三个方向的加速度的数据，其中加速度传感器模块为三轴加速度传感器，用于分别检测人体在水中x轴、y轴、z轴三个方向的加速度，将获得的三轴加速度数值通过滤波器得到数值g_x，g_y，g_z，根据公式1计算得到通过滤波器后三个方向的加速度值相对于重力加速度g的角度θx，θy，θz，： 

${\mathrm{\θ}}_x={\cos }^{-1}\left(\frac{g_x}{g}\right),{\mathrm{\θ}}_y={\cos }^{-1}\left(\frac{g_y}{g}\right),{\mathrm{\θ}}_z={\cos }^{-1}\left(\frac{g_z}{g}\right)---\left(1\right)$

其中三轴加速度传感器测量范围为(-2g，+2g)，突然的摆动会使得加速度计采集的数据发生溢出导致突变，因此，任何无意识的人的动作都会导致数据溢出。如果人在水中溺水，通常无力做出大幅度的动作，此时采集的数据只会呈现小范围波动，因此可以用来判断是否溺水。对加速度计采集的数据求标准差进行离散分析，如公式2表示，此处

是采集多组三轴加速度的数据与重 力加速度形成的角度的平均值，U_x,U_y,U_z是采集多组三轴加速度的数据与重力加速度形成的角度标准差。 

$\begin{array}{c}{U}_x=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_x-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_x)}^2}\\ U_y=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_y-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_y)}^2}\\ U_z=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_z-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_z)}^2}\end{array}---\left(2\right)$

通过分析U_x,U_y,U_z的变化，可以获得人体运动幅度的变化，判断人体是处于自主运动状态还是溺水情况。在demo系统中，每1s分析一组三轴加速度数据，若游泳者能做出有效动作，则计算得到的角度的变化大于阈值，则人体在水中处于自主运动状态，则系统重新返回检测人体在水中三个方向的加速度；若游泳者无法做出2次及2次以上有效动作，则角度的变化小于阈值时，可以初步判定人体处于溺水危险情况。步骤返回的Sb2，当角度的变化小于阈值时，则处于溺水状态，其中阈值设定范围为25°至35°。 

当微处理器对采集的数据进行判断和处理后判断出人体在水中处于溺水状态，则发出报警指令；报警单元，接收到微处理器发送的指令发出报警信号，其中报警单元包括声音报警器和LED报警器。 

其中微处理器还连接有按键模块和数据存储模块，按键模块包括开机按钮和自救按钮，开机按钮用于启动整个报警装置，当人体在水中处于溺水状态时，还可以通过自救按钮人为启动报警单元，及时的发出报警信号；而数据存储模块主要用于存储历史数据，可通过对存储的历史数据的分析从而对设备做进一步的改进。 

相对应的，本发明还提供了一种基于体感的溺水报警方法，参照图2，其主要步骤包括： 

Sa：水压传感器获得人体在水中位置的水压数据，根据水压数据判断人体在水中的深度；判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若大于，则进行步骤 Sb；若小于，则重新检测检测人在水中的深度； 

Sb：通过三轴加速度传感器检测人体在水中三个方向的加速度并处理获得的数据判断是否处于溺水状态； 

Sc：通过报警单元发出报警信息。 

参照图3，步骤Sb包括： 

Sb1、当步骤Sa检测到人体在水中深度超过50厘米，则三轴加速度传感器开始工作，获得人体三轴加速度的数值； 

Sb2、将获得的三轴加速度数值通过滤波器得到数值g_x，g_y，g_z，；其中g_x，g_y，g_z分别为人体在水中运动，在X轴、Y轴、Z轴三个方向产生的加速度； 

Sb3、通过公式1计算通过滤波器后得到三个方向的加速度数值g_x，g_y，g_z与重力加速度行车的角度θx,θy,θz； 

${\mathrm{\θ}}_x={\cos }^{-1}\left(\frac{g_x}{g}\right),{\mathrm{\θ}}_y={\cos }^{-1}\left(\frac{g_y}{g}\right),{\mathrm{\θ}}_z={\cos }^{-1}\left(\frac{g_z}{g}\right)---\left(1\right)$

加速度传感器测量范围为(-2g，+2g)，突然的摆动会使得加速度计采集的数据发生溢出导致突变，因此，任何无意识的人的动作都会导致数据溢出。如果人在水中溺水，通常无力做出大幅度的动作，此时采集的数据只会呈现小范围波动，因此可以用来判断是否溺水。 

Sb4、通过人为预先设置一个1秒的采集时间，则每1秒获得一组角度变化的数据； 

Sb5、判断角度的变化是否小于阈值，当角度的变化大于阈值时，步骤返回的Sb2，当角度的变化小于阈值时，则处于溺水状态，继续步骤Sc，其中阈值设定范围为25°至35°。 

通过对加速度计采集的数据求标准差进行离散分析，如公式2表示，此处 是采集多组三轴加速度的数据与重力加速度形成的角度的平均值，U_x,U_y,U_z是采集多组三轴加速度的数据与重力加速度形成的角度标准差。 

$\begin{array}{c}{U}_x=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_x-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_x)}^2}\\ U_y=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_y-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_y)}^2}\\ U_z=n^{-1}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_z-{\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_z)}^2}\end{array}---\left(2\right)$

分析U_x,U_y,U_z的变化，可以获得人体运动幅度的变化，判断人体是处于自主运动状态还是溺水情况。在demo系统中，根据步骤Sb4设定的每1s采集并分析一组加速度数据，若游泳者在水中处于正常游泳状态，则采集并分析数据的角度变化大于阈值时，则游泳者在水中处于正常游泳状态；若游泳者无法做出2次及2次以上有效动作，则采集并分析数据的角度变化小于阈值时，则可以初步判定人体处于溺水危险情况。 

通过以上步骤判断出人体在水中处于溺水状态，系统执行步骤Sc，微处理器通过获取的数据，并经过计算判断人体在水中处于溺水状态时，报警单元接收微处理器发出的指令启动发出警报，其中报警单元还可以通过自救按钮由游泳者自行启动报警单元发出警报。 

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。 

Claims (7)

1.一种基于体感的溺水报警装置，包括为装置提供电源的电源模块(6)，其特征在于，还包括包括：

水压传感器(3)，用于检测人体在水中受到的压力；

加速度传感器模块(2)，用于检测人体在水中三个方向的加速度；

微处理器(1)，用于读取水压传感器(3)检测到人体在水中受到的压力，从而计算出人体在水中的深度，并判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若小于，则重新检测检测人在水中的深度；若大于，则读取加速度传感器模块(2)检测到人体在水中三个方向的加速度得数据，并处理检测到人体在水中三个方向的加速度并获得人体运动的激烈程度的数据，如果人在水中溺水，通常无力做出大幅度的动作，此时采集的数据只会呈现小范围波动，从而判断是否处于溺水状态；

报警单元(4)，当微处理器(1)判断人体处于溺水状态时，用于通过微处理器(1)发送的指令发出警报信号。

2.根据权利要求1所述的基于体感的溺水报警装置，其特征在于，所述微处理器(1)还连接有按键模块(5)和数据存储模块(7)，所述按键模块(5)包括开机按钮和自救按钮，所述的开机按钮用于启动报警装置，所述的自救按钮用于在溺水状态下人为启动报警装置；数据存储模块(7)，用于存储历史数据。

3.根据权利要求1所述的基于体感的溺水报警装置，其特征在于，所述的报警单元(4)包括声音报警器和LED报警器。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于体感的溺水报警装置，其特征在于，所述的加速度传感器模块(2)为三轴加速度传感器，用于分别检测人体在水中X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度。

5.一种基于体感的溺水报警方法，其特征在于，方法步骤包括：

Sa：通过水压传感器检测人在水中的压力并计算得到人体在水中的深度，判断人体在水中的深度是否大于50厘米，若大于，则进行步骤Sb；若小于，则重新检测测人在水中的深度；

Sb：通过三轴加速度传感器检测人体在水中三个方向的加速度并处理获得人体运动剧烈程度的数据用于判断是否处于溺水状态；

Sc：通过报警单元发出报警信息。

6.根据权利要求5所述的基于体感的溺水报警方法，其特征在于，所述的步骤Sb包括：

Sb1、当步骤Sa检测到人体在水中深度超过50厘米，则三轴加速度传感器开始工作，获得人体三轴加速度的数值；

Sb2、将获得的三轴加速度数值通过滤波器得到数值gx，gy，gz；

Sb3、计算通过滤波器后得到三个方向的加速度数值gx，gy，gz与重力加速度的角度θx，θy，θz；

Sb4、在设定的时间内计算角度的变化；

Sb5、判断角度的变化是否小于阈值，当角度的变化大于阈值时，步骤返回的Sb2，当角度的变化小于阈值时，则处于溺水状态，继续步骤Sc。

7.根据权利要求6所述的基于体感的溺水报警方法，其特征在于，所述步骤Sb4中设定的时间为1秒；步骤Sb5中用于判断的阈值为25°至35°。

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