CN106912006A - 一种智慧游泳运动系统及实现运动管理的方法 - Google Patents

一种智慧游泳运动系统及实现运动管理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智慧游泳运动系统及实现运动管理的方法,所述系统包括中心控制器、设置于游泳池周边的至少三个基站以及若干设置于穿戴设备上的UWB定位标签,中心控制器与各个基站通过有线或者无线通信连接,各个基站之间通过有线或无线通信连接,中心控制器控制各个基站和UWB定位标签按照系统规定的运行时序和逻辑工作,UWB定位标签发出UWB定位数据并由各个基站接收,各个基站将接收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的实时位置。本发明实现了防溺监控和运动数据采集,既增加了游泳作为娱乐活动时的安全性,又为游泳训练提供了真实的运动数据。

Description

一种智慧游泳运动系统及实现运动管理的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及游泳管理领域,具体是一种智慧游泳运动系统及实现运动管理的方 法。
背景技术
[0002] 游泳是一项传统热门的体育运动,由于其不限男女老幼,因此具有较高的受欢迎 程度。游泳池一般设有游泳管理系统,一般可分为防溺监控报警系统和数据采集系统,而游 泳可分为娱乐型和比赛型,在游泳娱乐中,安全性是首先需要考虑的问题,目前,各式各样 的游泳池防溺监控报警系统应有尽有,比如有通过雷达系统、监控设备、监控计算机、报警 器以及报警灯光等结合来达到溺水判断的防溺系统;也有通过游泳手环来采集游泳者的运 动信息、所处水压信息以及脉搏信息,并通过单片机模块来即时判断是否溺水的;还有采用 若干第一射频电子标签设备、第二射频电子标签设备、无线信号采集设备、控制终端、报警 装置和水平框架组成的防溺系统,水平框架平行于泳池,第一射频识别电子标签设备阵列 排布固定在水平框架上,使得每个第一射频识别电子标签设备与泳池的水平面的间距相 等,每个第一射频识别电子标签设备具有唯一的识别编号以及一表示其在泳池中位置的地 址编码,出现溺水状态时,启动的报警装置,报警装置是LED闪灯、报警扬声器、摄像机中的 一种,LED闪灯垂直向上闪烁发光。以上提到的现有防溺系统,均存在一些问题,比如溺水判 断的准确率不高,很大程度上需要借助人为的判断,比如需要根据监控面面、现场情况判 断,并不容易做到第一时间判断溺水情况,而且也不容易第一时间确认溺水的准确位置,给 溺水施救增加了难度。
[0003]另外,不管是游泳比赛还是训练,现有的数据采集系统一般只能获得游泳者从出 发到结束的时间与距离,然后计算出该游泳者的速度,并不能实时、准确地获知该游泳者任 意某一段距离内的速度,也无法获知该游泳者的运动轨迹,进而无法获知该游泳者实际的 游泳长度,而由此计算出的该游泳者的速度便会存在一定的误差。因此,从游泳训练和比赛 的角度来说,急需一种高精度的游泳数据采集系统,来对游泳者的相关数据进行采集,以获 得较为真实的游泳数据,为训练提供更好的依据。
发明内容
[0004] 为了克服现有技术的不足,本发明提出了一种智慧游泳运动系统及实现运动管理 的方法,解决现有的游泳管理系统在防溺监控过程中,溺水判断的准确率不高,很大程度上 需要借助人为的判断,比如需要根据监控面面、现场情况判断,并不容易做到第一时间判断 溺水情况,而且也不容易第一时间确认溺水的准确位置,给溺水施救增加了难度的问题;另 夕卜,本发明还能解决现有的游泳管理系统在进行游泳数据采集时,无法较为准确地获知游 泳者的游泳轨迹、速度等信息,无法为游泳训练提供更好的参考依据的问题;除此之外,本 发明还能解决现有的游泳管理系统要么只能实现监控警报,要么只能实现游泳数据单一采 集,功能单一、且系统复杂的问题。
[0005]本发明为实现上述目的,采用以下技术方案实现: 一种智慧游泳运动系统,包括中心控制器、设置于游泳池周边的至少三个基站以及若 干设置于穿戴设备上的UWB定位标签,中心控制器与各个基站通过有线或者无线通信连接, 各个基站之间通过有线或无线通信连接,中心控制器控制各个基站和UWB定位标签按照系 统规定的运行时序和逻辑工作,UWB定位标签发出UWB定位数据并由各个基站接收,各个基 站将接收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的实时位置。 [0006]进一步地,作为优选技术方案,所述有线通信连接包括网线连接、同轴电缆连接、 双绞线连接以及光纤连接。
[0007] 进一步地,作为优选技术方案,所述穿戴设备为泳帽,UWB定位标签设置于泳帽上。
[0008] 进一步地,作为优选技术方案,还包括手环和/或脚环,所述手环和/或脚环上集成 有若干用于采集人体生理数据的传感器,所述传感器与UWB定位标签实现通信。
[0009] 进一步地,作为优选技术方案,所述传感器与UWB定位标签采用蓝牙配对的方式实 现无线通信。
[0010] 进一步地,作为优选技术方案,所述传感器包括心率计、加速度计、温度计以及陀 螺仪。
[0011] 一种采用上述智慧游泳运动系统实现运动管理的方法,包括以下步骤: 步骤1:将各个基站依次设置在游泳池周边,并使各个基站与中心控制器之间实现有线 或无线通信连接; 步骤2:游泳者戴上设置有UWB定位标签的穿戴设备,并戴上手环和/或脚环后,进入游 泳池进行活动; 步骤3:游泳者身上的UWB定位标签不间断地向各个基站发送定位数据,各个基站将接 收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的实时位置,另外,手 环和/或脚环上的传感器将采集到的人体生理数据传送至UWB定位标签,再由UWB定位标签 传送至中心控制器,中心控制器实时地获取游泳者的位置、速度、心率、体温、划水频率等信 息; 步骤4:当游泳者的泳帽浸入水面以下后,UWB定位标签与各个基站失去通信,当失去通 信持续一定时间后,判定游泳者此时处于溺水状态,并由中心控制器发出警报信号;同时, UWB定位标签上的报警闪光灯进行闪烁报警。
[0012]进一步地,作为优选技术方案,当所述的手环和/或脚环采集到的人体生理数据出 现异常时,判定游泳者此时处于溺水状态,并由中心控制器发出警报信号;同时,UWB定位标 签上的报警闪光灯进行闪烁报警。
[0013]进一步地,作为优选技术方案,所述的手环和/或脚环采集到的异常人体生理数据 包括加速度计、陀螺仪以及心率计采集到的异常数据。
[00M] 进一步地,作为优选技术方案,溺水状态的判断还包括:当UWB定位信号未消失且 手脚上没有运动,且超过一定的时间时,同样视同溺水状态。
[0015]本发明与现有技术相比,具有以下优点及有益效果: (1)本发明能够有效地对游泳者处于溺水状态进行及时、精准的判断,并对溺水者的位 置实现高精度定位,能够在第一时间锁定溺水者的精确位置,为营救溺水者提供较佳的条 件。
[0016] (2)本发明可记录游泳者十分精准的游泳轨迹以及任意时间区间或者距离内的游 泳速度、游泳方向等信息,同时还可采集游泳者的心率、体温、划水频率等数据,为游泳训练 提供较为真实、准确的数据参考,有利于发现和改善训练中的不足,提高训练效果并获得更 佳的成绩。
[0017] (3)本发明在同一系统下,同时实现了防溺监控和运动数据采集,既增加了游泳作 为娱乐活动时的安全性,又为游泳训练提供了真实的运动数据,两者的有效结合,让整个系 统不再单一,功能性更强。
附图说明
[0018] 图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
[0019] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
[0020] 实施例: 如图1所示,本实施例所述的一种智慧游泳运动系统,包括中心控制器、设置于游泳池 周边的至少三个基站以及若干设置于穿戴设备上的UWB定位标签,中心控制器与各个基站 通过有线或者无线通信连接,各个基站之间通过有线或无线通信连接,具体地,有线通信连 接可以是网线连接、同轴电缆连接、双绞线连接以及光纤连接。中心控制器控制各个基站和 UWB定位标签按照系统规定的运行时序和逻辑工作,这里的运行时序和逻辑指的是中心控 制器指定每一个UWB定位标签的工作时间区间、UWB定位标签的定位信号发送时间(开始工 作的时间)以及各个基站接收定位信号的时间(开始工作的时间),比如,当游泳者穿戴上设 置有UWB定位标签的穿戴设备进入游泳池后,中心控制器发出控制指令,UWB定位标签开始 发送定位信号,各个基站接收定位信号,UWB定位标签以及各个基站的开始工作时间以及每 一个UWB定位标签的工作时间区间均由中心控制器控制。UWB定位标签发出UWB定位数据并 由各个基站接收,各个基站将接收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB 定位标签的实时位置。中心控制器主要实现逻辑控制、无线通信、网络通信、同步控制等功 能,本领域技术人员在知晓中心控制器需要实现上述功能的情况下,不用付出创造性的劳 动即可实现,这样的中心控制器结构对于本领域技术人员来说非常容易实现。
[0021] 在本实施例中,将基站布置在游泳池周边之后,中心控制器与各个基站通过有线 或者无线通信连接,而各个基站之间同样采用有线或者无线通信连接,此时,以网线连接为 例,各个基站通过网线依次级联,第N-1个基站接收第N-2个基站发送来的时钟同步信号,并 将接收到的时钟同步信号转发给第N个基站,N为等于或大于3的正整数,然后对各个基站进 行同步调节,同步的具体过程是:首先,同步信号发生器通过网线,向第丨个基站发送〗、Q调 制数据,该I、Q调制数据由数字编码通过信号转换得到,第丨个基站接收到〗、Q调制数据后, =方面,对该I、Q调制数据进行解码得到数字编码,提取该数字编码的时间标识码,该时间 标识码作为复位信号,对第1个基站的高精度计时时钟进行复位,并等待通8定位信息码的 到来;另一方面,第1个基站将接收到的I、Q调制数据转发至第2个基站,第2个基站接收到I、 Q调制数据后,完成与第1个基站相同的工作一计时、转发,以此类推,直到最后一个基站接 收到I、Q调制数据,然后对该I、Q调制数据进行解码得到数字编码,提取该数字编码的时间 标识码,该时间标识码作为复位信号,对第最后一个基站的高精度计时时钟进行复位,此 时,所有基站的高精度计时时钟均在等待UWB定位信息码的到来。位置已知的UWB定位标签 发出的定位信息码,各个基站接收到UWB定位信息码后,记下各个基站各自的高精度计时时 钟此时的时钟数,该时钟数指的是从基站提取到时间标识码到基站接收到UWB定位信息码 这段时间,由于UWB定位标签到各个基站的距离是己知的,也就是说,UWB定位信息码从发出 到到达各个基站的时间是已知的,根据各个基站之间的计时时钟时间差、基站坐标以及UWB 定位标签的位置坐标,采用TDOA定位算法,计算出各个基站相对的时间延时值,由于两个基 站之间存在网线延时以及解码延时等,各个基站的时钟计数起始点(定位时间)是不一样 的,计算出各个基站之间相对的时间延时值后,将延时值对应加入到各个基站的定位时间 中,使各个基站能够在同一时间点开始接收定位信息码,基站实现同步接收。
[0022]以三个基站为例,假设第一个、第二个、第三个基站的计数时钟在接收到UWB定位 信息码时分别是1\11、1\12、1\13,冊3定位信息码从发送开始到到达各个基站的时间分别为 TD1、TD2、TD3,第一个基站与第二个基站之间的延时为tl,第二个基站与第三个基站的延时 为t2,第三个基站等待UWB定位信息码发送的时间为TW,于是有,TJ1= tl+t2+TW+TDl,TJ2= t2+TW+TD2, TJ3= TW+TD3,由于三个基站的位置坐标以及UWB定位标签的位置坐标均是已 知的,因此,通过TDOA算法,即可得到UWB定位信息码到达任意两个基站的时间差,g卩TD1-TD2、TD1-TD3、TD2-TD3 均可得到,由于 TJ1、TJ2、TJ3 均是已知,通过 TJ1-TJ2= U+TD1-TD2, 即可算出tl,即第一基站与第二基站之间的延时,同理可计算出任意两个基站之间的延时。 [0023]本发明的各个基站采用的是级联的方式,各个基站依次完成同步信号的接收、转 发(最后一个基站不用转发同步信号),采用上述方法,可以精确地得到任意两个基站之间 的时间延时值,具体到本发明中,只需要得到每个基站分别与最后一个基站之间的时间延 时值,然后将各自时间延时值加入到对应的基站即可,从而确保各个基站定位时间的一致, 也就是在同一时刻开始接收UWB定位信号。
[0024]完成各个基站的同步之后,可以实现对进入游泳池区域的所有UWB定位标签发出 的UWB定位信号的同步接收,并通过TDOA定位算法,得到任意UWB定位标签的具体坐标位置, 即是前面所说的通过中心控制器解算得到的UWB定位标签的实时位置,且精度极高,从而可 形成游泳者的游泳轨迹以及游泳速度信息。游泳训练采用本发明之后,可以获得十分精准 的游泳轨迹以及任意时间区间或者距离内的游泳速度、游泳方向信息,为游泳训练提供较 为真实、准确的数据参考,有利于发现和改善训练中的不足,提高训练效果并获得更佳的成 绩。
[0025]在本实施例中,穿戴设备优选为泳帽,并UWB定位标签设置于泳帽上。当泳帽浸没 在水下时,即UWB定位标签浸没在水下,UWB定位标签作为无线电发生装置,浸没在水中时是 不能发送出信号的,因为水对电磁波的衰减非常大,为保证UWB定位标签发送的定位信号为 基站所接收,将UWB定位标签固定在泳帽中较为合适,游泳运动中,无论哪种泳姿,头部均会 周期性探出水面,从而保证信号传送。
[0026]在本实施例中,为了增加辅助判断措施,本发明可增加手环和/或脚环,手环、脚环 分别佩戴在人体的手腕、脚踝处,手环和/或脚环上集成有若干用于采集人体生理数据的传 感器,比如传感器心率计、加速度计、温度计以及陀螺仪等,但传感器并不局限于这几种,还 可以包括其他可以采集人体生理数据的传感器,各个传感器与UWB定位标签实现通信,优选 的,采用蓝牙配对的方式进行连接,各个传感器将分别采集到的心率、体温、划水频率等人 体生理数据传送至UWB定位标签,并通过UWB定位标签,将人体生理数据传送至中心控制器 进行数据记录、分析,从而辅助判断游泳者是否处于溺水状态以及判断游泳者当前的运动 状态。具体地:当某一UWB定位标签浸没于水下后,UWB定位信号消失,此时各个基站接收不 到该UWB定位标签发出的定位信号,当持续到一定的时间后,这里的持续时间可根据具体判 断时机设置,一般可设置为5〜10s,仍无法接收到该UWB定位标签发出的定位信号,则可判断 该游泳者处于溺水状态,此时,UWB定位标签上的报警闪光灯进行闪烁报警,同时,中心控制 器发出报警信号进行报警;另外,可借助手环和/或脚环采集到的人体生理数据进行进一步 的辅助判断,比如突然之间的心率加快、手和/或脚的划水频率加快、体温异常降低等等,均 可作为溺水状态的辅助判断,从而有效提高溺水状态的识别精度,防止漏判、错判,提高游 泳池的安全性。
[0027] 本实施例基于上述智慧游泳运动系统,可采用下面的方法来实现防溺监控和数据 采集,具体包括以下步骤: 步骤1:将各个基站依次设置在游泳池周边,并使各个基站与中心控制器之间实现有线 或无线通信连接; 步骤2:游泳者戴上设置有UWB定位标签的穿戴设备,并戴上手环和/或脚环后,进入游 泳池进行活动; 步骤3:游泳者身上的UWB定位标签不间断地向各个基站发送定位数据,各个基站将接 收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的实时位置,另外,手 环和/或脚环上的传感器将采集到的人体生理数据传送至UWB定位标签,再由UWB定位标签 传送至中心控制器,中心控制器实时地获取游泳者的位置、速度、心率、体温、划水频率等信 息; 步骤4:当穿戴设备浸入水面以下后,UWB定位标签与各个基站失去通信,当持续到一定 的时间后,这里的持续时间可根据具体判断时机设置,一般可设置为5〜10s,仍无法接收到 该UWB定位标签发出的定位信号,此时可判断游泳者处于溺水状态,并由中心控制器发出警 报信号,由于定位精度很高,可根据该游泳者最后出现的定位位置快速找到溺水者并施救。 [0028]另外,本发明在判定游泳者是否溺水时,还会结合手环和/或脚环采集到的异常人 体生理数据,这里的异常人体生理数据包括加速度计和陀螺仪采集到的异常数据,以及心 率计采集到的异常心率数据,还可以是异常的体温数据,即是相对于正常的心率、手和/脚 划水速度、人体温度,游泳者的这几项人体生理数据突然有个明显的变化,手环和/或脚环 集成加速度计和陀螺仪之后,当人体处于挣扎状态(溺水状态)时,加速度计和陀螺伩采集 的数据会明显变化,因此,借助速度计和陀螺仪,可较为精准地对溺水进行判断。
[0029]另外,溺水状态的判断还包括:当UWB定位信号未消失且手脚上没有运动,且超过 一定的时间时,同样视同溺水状态,同时,结合划水频率的变化情况,可从逻辑上作出判断, 当划水频率很高时,可判断为人体挣扎中,处于溺水状态,从而也可避免出现溺水漏判的情 况发生。
[0030] 本发明通过上述系统及方法,一方面能够有效地对游泳者处于溺水状态进行及 时、精准的判断,并对溺水者的位置实现高精度定位,能够在第一时间锁定溺水者的精确位 置,为营救溺水者提供较佳的条件;另一方面,本发明可实时显示和记录游泳者十分精准的 游泳轨迹以及任意时间区间或者距离内的游泳速度、游泳方向等信息,同时还可通过手环 和/或脚环采集到的游泳者的心率、体温、划水频率等数据,并实时传送至后台管理、运动训 练分析软件,为游泳训练提供较为真实、准确的数据参考,有利于发现和改善训练中的不 足,提高训练效果并获得更佳的成绩。具体地,本发明获得的基于实时高精度定位的游泳数 据,对于业余和专业游泳运动训练均有极大的意义,一来可以规划游泳训练,监测运动员体 能、技能等数据,针对性改进;二来可以导入科学合理的训练计划和方案,增强训练的科学 性和趣味性,更好地因材施教,而且还能防止盲目性大运动量带来的伤害。比如,同样游了 直线距离为100米的两个人,两个人花的时间、游泳轨迹带来的真实游泳距离、划水的频率 和次数、心跳次数等等均存在不同的差距,本发明能够准确及时地获知这些数据,为科学合 理的训练提供重要的参考。而目前现有的游泳管理系统并不能得到实时的高精度定位数 据,无法为游泳者的训练提供任何有效的帮助,关键性数据的缺失也使得游泳训练效果十 分有限和缓慢。另外,本发明在同一系统下,同时实现了防溺监控和运动数据采集,既增加 了游泳作为娱乐活动时的安全性,又为游泳训练提供了真实的运动数据,两者的有效结合, 让整个系统不再单一,功能性更强。
[0031]以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护 范围之内。

Claims (10)

1. 一种智慧游泳运动系统,其特征在于,包括中心控制器、设置于游泳池周边的至少三 个基站以及若干设置于穿戴设备上的冊B定位标签,中心控制器与各个基站通过有线或者 无线通信连接,各个基站之间通过有线或无线通信连接,中心控制器控制各个基站和^8定 位标签按照系统规定的运行时序和逻辑工作,冊B定位标签发出UWB定位数据并由各个基站 接收,各个基站将接收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的 实时位置。
2. 根据权利要求1所述的一种智慧游泳运动系统,其特征在于,所述有线通信连接包括 网线连接、同轴电缆连接、双绞线连接以及光纤连接。
3. 根据权利要求1所述的一种智慧游泳运动系统,其特征在于,所述穿戴设备为泳帽, UWB定位标签设置于泳帽上。
4. 根据权利要求3所述的一种智慧游泳运动系统,其特征在于,还包括手环和/或脚环, 所述手环和/或脚环上集成有若干用于采集人体生理数据的传感器,所述传感器与UWB定位 标签实现通信。
5. 根据权利要求4所述的一种智慧游泳运动系统,其特征在于,所述传感器与UWB定位 标签采用蓝牙配对的方式实现无线通信。
6. 根据权利要求4所述的一种智慧游泳运动系统,其特征在于,所述传感器包括心率 计、加速度计、温度计以及陀螺仪。
7. —种采用权利要求1〜6任一项所述的一种智慧游泳运动系统实现运动管理的方法, 其特征在于,包括以下步骤: 步骤1:将各个基站依次设置在游泳池周边,并使各个基站与中心控制器之间实现有线 或无线通信连接; 步骤2:游泳者戴上设置有UWB定位标签的泳帽,并戴上手环和/或脚环后,进入游泳池 进行活动; 步骤3:游泳者泳帽上的UWB定位标签不间断地向各个基站发送定位数据,各个基站将 接收到的定位数据发送至中心控制器,中心控制器解算出UWB定位标签的实时位置,另外, 手环和/或脚环上的传感器将采集到的人体生理数据传送至UWB定位标签,再由UWB定位标 签传送至中心控制器,中心控制器实时地获取游泳者的位置、速度、心率、体温、划水频率等 伯息; 步骤4:当游泳者的泳帽浸入水面以下后,UWB定位标签与各个基站失去通信,当失去通 信持续一定时间后,判定游泳者此时处于溺水状态,并由中心控制器发出警报信号;同时, UWB定位标签上的报警闪光灯进行闪烁报警。
8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,当所述的手环和/或脚环采集到的人体生 理数据出现异常时,判定游泳者此时处于溺水状态,并由中心控制器发出警报信号;同时, UWB定位标签上的报警闪光灯进行闪烁报警。
9. 根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述的手环和/或脚环采集到的异常人体 生理数据包括加速度计、陀螺仪以及心率计采集到的异常数据。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,溺水状态的判断还包括:当UWB定位信号 未消失且手脚上没有运动,且超过一定的时间时,同样视同溺水状态。
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