CN107320092A - 一种室外游泳状态监测手环及游泳状态异常监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于沙滩、湖泊等室外游泳场所异常监测领域，具体涉及一种室外游泳状态监测手环及游泳状态异常监测方法。所述室外游泳状态监测手环包括通信控制模块、定位模块、显示模块、传感器模块、射频模块、盛液模块、手柄模块、振动马达模块和/或扬声器模块以及向上述模块供电的电源。此外为了异常检测和精确的水下定位，还包括外围通信设备、外围定位设备、环境监测设备、服务器和供电设备在内的外围设备。传感器模块中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集游泳者的运动时序数据，并通过通信控制模块和外围通信设备将该数据和时间发送至服务器，服务器对接收到的信息利用本发明中的时序聚类方法，实现对游泳者游泳状态的实时监测和精准水下定位。

Description

一种室外游泳状态监测手环及游泳状态异常监测方法
技术领域
本发明属于沙滩、湖泊等室外游泳场所游泳过程中的异常监测领域，具体涉及一种室外游泳状态监测手环及游泳状态异常监测方法。
背景技术
游泳是强身健体、锻炼意志、休闲娱乐、促进身心健康、老少咸宜的体育运动之一，受到人们的广泛欢迎。随着游泳爱好者对游泳环境的要求不断提高，许多沙滩、湖泊、江河等室外优良水域相继被开发，成为人们追捧的旅游或休闲资源。
然而，沙滩、湖泊、江河等室外水域属于户外环境，范围较广，人员、水域环境复杂。与传统的室内游泳场馆相比，游泳者若发生溺水、抽筋、被水草缠绕或者其他紧急情况，不易被第一时间发现，错过最佳救援时机。因此，需要一套装置和方法可及时发现游泳者异常状态，因而如何确定游泳者是否异常以及所处位置是非常关键的问题。
而传统的异常监测方法主要通过游泳者发出主动求救信号或者由传感器监测游泳者生理指标的方法予以判别，但是这些方法中有些求救按钮无法避免误碰、误按的问题，有些求救信号报警形式(比如声音、闪光灯)在嘈杂复杂的环境中很难引起人们的注意，有些用户的各项生理指标存在较大的差异导致判别结果准确度较低。上述游泳状态异常监测的方法在实际应用中都存在一些问题，而如何能从游泳者实时的游泳动作中分析其所处状态引起了人们的关注。专利CN 106251584 A通过采集用户的运动数据并采用时序聚类算法，来判断用户所处状态。然而，该专利需要用户预先输入泳姿的个数且在学习阶段中需要切换各种泳姿，操作较繁琐，也未对用户在学习阶段中可能会发生异常事件的情况和聚类结果中的噪音进行处理。同时服务器如果出现误判状况，即用户的运动行为是正常的却将其判断为异常状态而发出报警信号，然而该专利并未对此种误报警状况给予有效的解决措施。由此可见，这些方法并不能很好地适用于沙滩等广阔的室外水域环境游泳状态的异常监测。
发明内容
为解决上述现有技术对游泳者室外水域游泳状态的异常监测的问题，本发明提供一种室外游泳状态监测手环。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案为：
一种室外游泳状态监测手环，包括呈环状的腕带，所述腕带上设有通信控制模块、传感器模块、定位模块、显示模块、振动马达模块和/或扬声器模块以及向上述模块供电的电源，所述的通信控制模块包括微型控制器和通信水声换能器，其中微型控制器用于控制室外游泳状态监测手环各模块间的交互及信息传送，通信水声换能器用于与外围通信设备中的通信水声换能器的通信，实现电信号与水声信号之间的相互转换；所述的传感器模块包括三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器，其中心率传感器和血压传感器位于腕带的内侧以便紧贴游泳者的手腕内侧，三轴加速度传感器、陀螺仪、水压传感器均内置于腕带内部，水压传感器用于感知水中压力，根据水压传感器给出的压力值计算得到游泳者当前的入水深度；所述的定位模块由定位水声换能器和计时器组成，定位水声换能器与室外游泳场所外围定位设备的定位水声应答器匹配使用并向定位水声应答器周期性地发送声信号，计时器用于记录该定位水声换能器每次发送和接收声信号的时间并通过通信控制模块利用外围通信设备发送至服务器；定位模块和显示模块位于腕带外侧；振动马达模块和/或扬声器模块以及电源均内置于腕带内部；所述传感器模块与通信控制模块相连接，三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器采集的信息通过通信控制模块发送至服务器，服务器接收信息并进行存储，当水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，通信控制模块向定位模块中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器开始发出声信号，并与待机值守的外围定位设备的定位水声应答器进行通信；所述显示模块、振动马达模块和/或扬声器模块都通过通信控制模块并利用外围通信设备接收服务器的信息。
本发明所述室外游泳状态监测手环，其特征是在所述腕带外侧上设有一个盛液模块和手柄模块；所述盛液模块包括一个一端开口的盛液管；所述手柄模块包括一个通过转动扣合在盛液管上并与盛液管之间实现密封的手柄；手柄的前端延伸出盛液管设有开口的一端，手柄的前端下方设有与盛液管开口相配的封液阀用于实现盛液管的密封；手柄的末端转动设在盛液管不设开口的一端上；盛液管内部设有与通信控制模块通信的内置气压传感器；内置气压传感器由电源供电；盛液管内部装有有色液体，盛液管管壁上还设有用于加入空气且其上设有盖子的增压口；所述手柄通过向腕带外侧转动以实现有色液体的释放。
本发明所述显示模块包括触摸屏和语音通信模块，在触摸屏上设置触摸按键，触摸按键包括设置按键、输入按键和语音按键，用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了预管理用户的ID号和预管理用户与该用户所允许的最远距离，则室外游泳状态监测手环中的通信控制模块会将该用户所输入的ID号信息和最远距离信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器会对该用户的预管理用户的地理位置进行实时监测，若发现预管理用户所处的位置与该用户所处位置间的距离超出了所设置的最远距离，则服务器立即向该用户室外游泳状态监测手环中的通信控制模块发送报警信号，通信控制模块收到该信息后，立即向振动马达模块和/或扬声器模块发送信号，振动马达模块收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块收到信号后会自动播放“您管理的xxx用户超出了您所设置的运动范围”信息，以引起用户的注意，从而实现了对某一用户运动范围的管理；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其心率值范围、血压值范围的阈值信息和预设时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块向传感器模块发送指令以启动心率传感器和血压传感器采集心率和血压信息并将该信息通过通信控制模块传送给服务器，服务器对接收到的生理信息进行存储并分析，如果采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间超过预设的时长，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块发送报警信号，通信控制模块收到该报警信号信息后，立即向振动马达模块和/或扬声器模块发送信号，振动马达模块收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果采集的心率和血压信息都在所输入的心率值、血压值阈值范围内或采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间但未超过预设的时长，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其入水深度的阈值信息和预设时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块向传感器模块发送指令以启动水压传感器采集水压信息并将该信息通过通信控制模块传送给服务器，服务器对接收到的水压信息进行存储并分析，如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过预定阈值且时长大于预设时长，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块发送报警信号，通信控制模块收到该报警信号后，立即向振动马达模块和/或扬声器模块发送信号，振动马达模块收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过预定阈值的时长不大于预设时长或者游泳者当前的入水深度未超过预定阈值，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了学习时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块；所述语音通信模块用于好友之间进行语音交流。
优选地，所述一种室外游泳状态监测手环中，预管理用户与该用户所允许的最远距离优选为50米，心率传感器和血压传感器采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的预设时长优选为10秒，入水深度预定阈值优选为2米，水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过预定阈值的预设时长优选为30秒，用户预设学习时长优选为10分钟。
本发明所述的室外游泳状态监测手环，其特征是所述通信控制模块上还配有位于腕带外侧的学习按钮和查看按钮，当游泳人员已经通过显示模块中的设置按键和输入按键设置学习时长后，按一次学习按钮即可开启学习模式，学习按钮将学习信号通过通信控制模块发送至服务器，服务器通过通信控制模块向传感器模块发送指令以启动三轴加速度传感器、心率传感器和血压传感器采集相应的运动信息和生理信息，并将该运动信息和生理信息通过通信控制模块传送给服务器，并将其存储于存储模块；当游泳人员连续按两次学习按钮时即可启动退出学习模式，学习按钮将退出信号通过通信控制模块发送至服务器，服务器通过对学习模式时间段内所储存的运动信息进行分析，利用时序聚类方法对数据序列进行聚类得到用户的运动规律并存入服务器的存储模块中；当游泳人员按一次查看按钮，通信控制模块向服务器发送信号，服务器收到信号后，从存储模块中获取用户当前的心率、血压信息、游泳距离、卡路里消耗和泳姿打分信息并将该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块，通信控制模块收到信息后再将该信息传送到显示模块，从而实现对用户当前生理信息和运动情况的显示；连续按两次查看按钮，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取预管理用户目前所在位置信息并对该信息打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块，通信控制模块收到该信息后再将该信息发送至显示模块，从而实现对预管理用户位置信息的实时查看；连续按三次查看按钮，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取当前室外水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息并对该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块，通信控制模块收到该信息后再将该信息发送至显示模块，从而实现了对水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息的显示，同时室外游泳状态监测手环中的通信控制模块向盛液模块发送信号，盛液模块会对盛液管中的液体量及气压信息进行打包并发送给通信控制模块，通信控制模块收到该信息后再次发送给显示模块，从而实现对盛液管的液体量和压强信息的显示；当室外游泳状态监测手环接收到来自服务器的报警信号后，游泳人员可在规定时间内同时按下学习按钮和查看按钮，室外游泳状态监测手环的通信控制模块立即向振动马达模块和/或扬声器模块发送关闭信号，振动马达模块停止振动，扬声器模块停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的时间发送至服务器的存储模块予以存储。
优选地，所述室外游泳状态监测手环中，当室外游泳状态监测手环接收到来自服务器的报警信号后，游泳者可在规定时间内同时按下学习按钮和查看按钮关闭报警信号，该规定时间优选为5秒。
本发明还包括射频模块，所述射频模块也设置在腕带上，用于与通信控制模块相连并通过电信号与通信控制模块进行通信。
本发明还包括外围设备，所述外围设备包括外围通信设备、外围定位设备、环境监测设备、供电设备和服务器；所述外围通信设备包括通信水声换能器和有线传输媒介，以实现室外游泳状态监测手环和服务器之间的通信，若室外游泳状态监测手环向服务器发送信息时，首先数据信息即电信号通过通信控制模块中的通信水声换能器将电信号转换为声信号,并将该声信号发送至外围通信设备中的通信水声换能器，最后外围通信设备中的通信水声换能器接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号并通过有线传输媒介将电信号发送至服务器；若服务器向室外游泳状态监测手环发送信息时，首先服务器将数据信息即电信号通过外围通信设备中的有线传输媒介发送至外围通信设备中的通信水声换能器，之后外围通信设备中的通信水声换能器将电信号转换为声信号，并将该声信号发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块，最后通信控制模块中的通信水声换能器接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号；所述外围定位设备包括多个定位水声应答器，多个定位水声应答器与室外游泳状态监测手环定位模块中的定位水声换能器匹配使用，并接收室外游泳状态监测手环定位模块中的定位水声换能器发送的声信号，室外水域的多个定位水声应答器的其中一个固定于室外水域的中心桩上，其余的定位水声应答器固定在中心桩周围的辅助桩上，中心桩与辅助桩形成基阵且所有定位水声应答器与水平面的距离相同；所述环境监测设备包括风速风向设备、水温设备、PH值设备和盐碱度设备，环境监测设备将监测到的数据通过有线传输媒介周期性地发送至服务器，服务器将所接收的数据存储至存储模块；当室外水域某一指标出现异常时，服务器将报警信号发送至室外游泳状态监测手环中的通信控制模块，通信控制模块收到该信号后，立即向振动马达模块和/或扬声器模块发送信号，振动马达模块收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块收到信号后会自动播放语音信息，以引起用户的注意；所述供电设备包括太阳能电板和电压输电线，供电设备中的太阳能电板固定于室外水域的中心桩的顶端，电压输电线铺设于室外水域底部并与中心桩的电路相连通，该供电设备采用太阳能和传统电力相结合的供电方式为环境监测设备供电。
一种游泳状态异常监测方法，采用本发明所述的室外游泳状态监测手环，具体步骤如下：
一、将有好友关系的多位游泳用户以及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环的标识符存放于服务器的存储模块中；
二、用户在设置学习时长后，按下一次学习按钮，进入学习模式，室外游泳状态监测手环的传感器模块中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集该用户的运动时序数据，并通过通信控制模块和外围通信设备将运动时序数据发送至服务器，服务器将接收到的数据存储至存储模块；具体过程如下：
用户通过显示模块中的设置按键和输入按键确定学习时长，设置完成后按下学习按钮开启学习模式；
传感器模块以Δt秒为采样时间间隔不断采集该用户的运动数据，每一组数据均包括该用户运动时x、y和z三个方向的加速度数据信息；数据采集过程中，调用通信控制模块并通过外围通信设备将数据发送至服务器；通信控制模块以S秒为间隔，将传感器模块在S秒内的S/Δt组数据打包，并通过外围通信设备发送至服务器并存储至存储模块；其中S为Δt的整数倍；当学习时长达到游泳者所设置的时长时，室外游泳状态监测手环自动退出学习模式；若用户提前完成学习，则可通过连续按下两次学习按钮退出学习模式；
优选地，所述室外游泳状态监测手环中，传感器模块采样时间Δt优选为0.2秒，通信控制模块打包数据并发送至服务器的间隔S优选为2秒。
室外游泳状态监测手环采集到的一组数据可表示为at＝(axt,ayt,azt)；其中at表示在时刻t某种泳姿的加速度，axt、ayt、azt分别表示在t时刻某种泳姿的三轴加速度传感器在x、y、z三个方向上的输出值；
表示学习过程中采集到用户运动的数据序列，可表示为：
其中n为自然数；
如果用户在学习阶段中的某段时间内发生异常事件，那么该时间段内的数据对之后判断用户是否处于异常状态是非常宝贵的信息，因此，当用户在学习阶段中通过向外拉开室外游泳状态监测手环上的手柄模块，发出主动求救信号时，则认为用户此时处于异常状态，通信控制模块记录此时刻tu并将该时间信息tu通过外围通信设备发送至服务器的存储模块；
三、服务器的分析模块对用户学习阶段中的所采集的数据利用Matlab软件中的数据拟合工具箱cftool进行拟合，并得到时间t与加速度a的拟合曲线，之后再对该拟合曲线进行分析，具体分析过程如下：
1、对学习阶段所获取的数据进行分析，得到拟合曲线中的极小值点，将两两相邻极小值点之间的数据形成数据序列，采用层次聚类法对所形成的数据序列进行聚类，具体过程如下：
(1)首先将每一个数据序列看成一个类，共可得到K个类，利用公式(1)计算每两个类之间的距离；
式(1)中，Cv、Cw代表两个类，|Cv|、|Cw|分别表示类Cv和Cw内数据序列的个数，D(Cv,Cw)为类Cv和Cw之间的距离，分别是类Cv和Cw内的某个数据序列，为与之间的DTW距离；
(2)寻找距离最近的两个类，判断终止条件(4)是否成立，若成立，则不合并这两个类并终止合并，转至(5)；否则，合并这两个类；
对于任意一个类Cj(j＝1,2,…,K)，其类内聚合度G(Cj)为：
其中LCjp、LCjq为类Cj内的两个数据序列，|Cj|为类Cj内数据序列的个数；
设Cz∪Ch为类Cz和Ch合并后的类，取类Cz和Ch类内聚合度之和的平均值来衡量这两个类合并之后所生成的合并类的类内聚合度，记为μ(Cz,Ch)
引入参数λ(0≤λ≤1)，终止条件定义为:
(3)重新计算每两个类之间的距离；
(4)重复(2)和(3)；
(5)经过对数据序列进行层次聚类后，最终可得到k(0＜k≤K)个类，计算每一个类的类内数据序列的平均序列，并将此平均序列作为该类的中心序列，即类中心；
2、判断在学习阶段是否收到用户发出的主动求救信号，如果在该时段内收到主动求救信号，则服务器确定主动求救时刻tu及其对应的加速度值au所形成的点(tu，au)，并在拟合曲线中确定其对应位置，同时获取与该点相邻的两个极小值点，截取这两个极小值点间的数据并将该数据序列标记为异常序列；针对所得到的k个类，依次判断其是否包含该异常序列，若包含，则将其标记为异常类，否则，不标记；
3、在学习阶段所形成的数据序列聚类后，当未被标记的类中某些类的数据序列个数远大于其他类的数据序列个数，即数据序列非平衡现象；造成这种现象的原因有两方面，一是这些数据序列是用户正常运动数据所形成，但是由于用户设置的学习时间较短或数据传输出现了异常等原因导致服务器所获得的该类运动数据较少，二是这些数据序列是用户非正常运动形成的，而这些非正常运动可能导致用户的异常状态，同时这些非正常运动发生的频率远低于正常运动，因而准确识别该类运动数据对于用户运动状态的判断有重要影响；由于无法判断含有较少数据序列的类的数据序列是由用户正常还是非正常运动数据形成的，因此先将这些类标记为未知类，之后通过分析异常监测阶段用户的运动数据来判定这些未知类内部的数据序列是否由非正常运动数据形成的；类的标记方法如下：计算步骤1所得到的未被标记的每个类内部所包含的数据序列个数的平均值和最小值，对所求得的平均值和最小值再求平均并将该值作为之后类别判定的阈值；对未被标记的类依次判断其所包含的数据序列的个数是否小于阈值，若小于，则将其标记为未知类；否则，将其标记为正常类；
4、服务器将所有的类中心序列作为该用户游泳泳姿的标准模式并将其存入存储模块；
四、若学习时间达到用户预先设置的时长，室外游泳状态监测手环将自动退出学习模式，若学习时间未达到用户预先设置的时长，用户可通过连续按下两次学习按钮退出学习模式，提前完成学习；此后室外游泳状态监测手环将进入异常监测阶段，室外游泳状态监测手环中的传感器模块的三轴加速度传感器和陀螺仪将继续采集用户的运动时序数据，并周期性地通过通信控制模块利用外围通信设备发送至服务器；服务器将接收到的时序数据保存至存储模块并由分析模块对其进行分析；具体分析过程如下：计算在步骤三中所得到的每个类的中心序列的时间周期Ti(i＝1,2,…,k)即中心序列中最后一个数据与第一个数据的时间差；如果所得到的k个类的中心序列周期Ti不相同，那么采用滑动窗口技术，设置多个滑动窗口，滑动窗口的个数等于类的个数，第i个滑动窗口的长度等于Ti；将每个窗口放在时间序列的起始位置，此时每个窗口对应序列上长度为Ti的一段子序列，然后每个窗口后移，再以序列的第二个点为起始点，形成另一个长度为Ti的子序列；依此类推，对用户在时间周期S内的数据进行分析，每个窗口一共可以得到个长度为Ti的子序列，计算每个子序列与第i个类的中心序列的STS距离，共可得到个STS距离，并将其中最小的STS距离作为该时间序列与第i个类的相似性度量；依此类推，可以得到该时间序列与步骤三中所形成的k个类的相似性度量，并将该时间序列归入相似性度量中最小值所对应的类中；若所归入的类为异常类，则认为该用户处于异常状态，否则，认为该用户处于正常状态；
五、若服务器判断出用户可能处于异常状态时，立即通过外围通信设备向用户所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块发送信号，通信控制模块接收到信号后启动振动马达模块和/或扬声器模块，振动马达模块收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动,扬声器模块收到信号后会播放语音提示信息，振动马达模块和/或扬声器模块发出报警信号后，若服务器在规定时间内未收到来自用户所佩戴室外游泳状态监测手环的关闭报警信号，则立即通过外围通信设备向该用户好友及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块发送报警信号和该用户的位置信息，通信控制模块接收到报警信号和用户的位置信息后启动振动马达模块和/或扬声器模块以及显示模块，振动马达模块和/或扬声器模块发出报警信号，显示模块将用户的位置信息显示给用户好友及救生员；若用户在规定时间内通过同时按下学习按钮和查看按钮关闭所佩戴室外游泳状态监测手环的报警信号，则室外游泳状态监测手环的通信控制模块收到关闭信号后向振动马达模块和/或扬声器模块发送关闭信号，振动马达模块停止振动，扬声器模块停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的动作及对应的时间发送至服务器的存储模块予以存储；
优选地，所述室外游泳状态监测手环中，当室外游泳状态监测手环接收到来自服务器的报警信号后，游泳者可在规定时间内同时按下学习按钮和查看按钮关闭报警信号，该规定时间优选为5秒。
若振动马达模块和/或扬声器模块所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个未知类相似而触发，则再次分析该未知类并做相应的转化，其过程如下：若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮和查看按钮关闭了报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中，并将该未知类的数据序列个数加1，同时再次判断该未知类的数据序列个数是否大于类判别阈值，若大于类判别阈值，则将该未知类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该未知类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中并将该未知类转化为异常类；
若振动马达模块和/或扬声器模块所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个异常类相似而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮和查看按钮关闭了报警信号，则该异常类中数据保持不变，并将该异常类的误判次数加1，同时再次判断该异常类的误判次数是否大于误判次数阈值，若大于该阈值，则将该异常类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该异常类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该异常类；
优选地，所述游泳状态异常监测方法中，异常类的误判次数阈值优选为3，即用户的正常状态误判为异常状态的可允许的最大次数为3次。
若振动马达模块和/或扬声器模块所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的生理指标异常而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮和查看按钮关闭了报警信号，则服务器会重新设置该用户的生理指标正常值的范围，具体更新方法如下：用户的当前心率值或血压值不在预先设置的范围内，若该值小于对应心率或血压范围最小值，则将该值设置为心率或血压的最小值，若该值大于对应心率或血压范围的最大值，则将该值设置为心率或血压的最大值，同时该用户存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围予以更新；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围保持不变。
所述通信控制模块包括通信水声换能器和微型控制器，负责协调室外游泳状态监测手环各个模块间的工作、室外游泳状态监测手环与服务器之间的数据和信号传输以及对信号的处理。通信控制模块将计时器采集到的时间信息以一定频率通过通信水声换能器发送至服务器，并在接收到来自服务器的报警信号后，负责对此信号作出一系列的响应。所述室外游泳状态监测手环中，通信控制模块的信号输入端包括定位模块、显示模块、传感器模块、盛液模块、手柄模块、射频模块和外围通信设备，信号输出端包括振动马达模块、扬声器模块、显示模块和外围通信设备。
振动马达模块和扬声器模块作为通信控制模块的信号输出端，用于实现报警功能。室外游泳状态监测手环的通信控制模块在接收到来自服务器的报警信号后，立即调用振动马达模块振动室外游泳状态监测手环以引起用户好友及救生员的关注。振动室外游泳状态监测手环的同时会调用扬声器模块播放预先录制好的音频文件，如“您管理的xxx用户超出了您所设置的运动范围”，以引起用户的重视。
本专利中拥有好友关系的用户不仅可以通过显示模块中的语音按键进行语音通话，而且可以通过设置按键和输入按键对某位好友的活动范围进行实时监控，特别是当该好友为儿童时可有效预防儿童丢失事件的发生。本专利中用户可通过其室外游泳状态监测手环上显示模块的设置按键和输入按键，输入其预管理的用户室外游泳状态监测手环的ID号和允许被管理用户与其的最远距离，来实现类似电子围栏的功能。若某时刻被管理用户所处的位置不在管理用户对其所设置的区域内，则管理用户的室外游泳状态监测手环会立即发生振动并发出报警信号，同时进行语音播报，如“您管理的xxx用户超出了您所设置的运动范围”等，以引起用户的注意。
所述室外游泳状态监测手环由电池供电且具有防水功能。用户佩戴室外游泳状态监测手环并进入室外游泳水域后，服务器会实时更新用户所处的位置，并显示在监控终端。通过监控终端，室外水域管理员可以了解到目前水域内的人员数量、分布情况、拥挤情况等，方便对室外水域的管理和维护。室外水域管理员可通过监控终端了解到室外水域的风速风向、气温、PH值和盐碱度值的指标信息，并根据这些指标信息确定对室外水域的开放。
同时可以为室外游泳状态监测手环添加射频模块。在室外水域进行游泳时，为保护私人物品的安全，需要随身携带物品存放至储物柜。因此，为方便用户的使用，可在室外游泳状态监测手环上添加射频解锁功能，利用射频技术实现近距离对储物柜的解锁，从而将室外游泳状态监测手环与储物柜钥匙进行有机结合。
本发明所述的室外游泳状态监测手环包括游泳状态异常监测和水下定位两种方法，采用并行的工作方式实现用户游泳状态的异常监测和水下定位，具体过程如下：室外游泳状态监测手环的传感器模块中的水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，通信控制模块向定位模块中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器不断地向室外游泳场所的待机值守的定位水声应答器发送声信号，各定位水声应答器收到声信号后向室外游泳状态监测手环的定位水声换能器发出相应的应答信号，室外游泳状态监测手环中定位模块的计时器记录定位水声换能器每次发送和接收声信号的时刻，同时传感器模块中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集该用户的运动时序数据，并通过通信控制模块和外围通信设备将运动时序数据和时间信息发送至服务器，服务器对所收到的数据利用本实施例所述的游泳状态异常监测方法，实现对游泳人员游泳状态的实时监测和水下定位。
附图说明
图1是本发明所述室外游泳状态监测手环整体外观结构示意图；
图2是本发明所述室外游泳状态监测手环表面的结构示意图；
图3是本发明所述室外游泳状态监测手环中间的结构示意图；
图4是本发明所述室外游泳状态监测手环底部的结构示意图；
图5是本发明所述室外游泳状态监测手环的手柄模块闭合状态下的结构示意图；
图6是本发明所述室外游泳状态监测手环的手柄模块打开状态下的结构示意图；
图7是本发明所述外围设备示意图；
图8是本发明所述室外游泳状态监测手环模块图；
图9是本发明所述室外游泳状态监测手环的异常监测方法的流程图；
图10是本发明所述室外游泳状态监测手环触发报警条件示意图；
图11是本发明所述室外游泳状态监测手环的定位方法流程图。
具体实施方式
如图1至11所示，一种室外游泳状态监测手环，包括呈环状的腕带1，所述腕带1上设有通信控制模块2、传感器模块3、定位模块4、显示模块5、振动马达模块6和/或扬声器模块7以及向上述模块供电的电源8，所述的通信控制模块2包括微型控制器和通信水声换能器，其中微型控制器用于控制室外游泳状态监测手环各模块间的交互及信息传送，通信水声换能器用于与外围通信设备中的通信水声换能器21的通信，实现电信号与水声信号之间的相互转换；所述的传感器模块3包括三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器，其中心率传感器和血压传感器位于腕带1的内侧以便紧贴游泳者的手腕内侧，三轴加速度传感器、陀螺仪、水压传感器均内置于腕带1内部，水压传感器用于感知水中压力，根据水压传感器给出的压力值计算得到游泳者当前的入水深度；所述的定位模块4由定位水声换能器和计时器组成，定位水声换能器与室外游泳场所外围定位设备的定位水声应答器23匹配使用并向定位水声应答器23周期性地发送声信号，计时器用于记录该定位水声换能器每次发送和接收声信号的时间并通过通信控制模块2利用外围通信设备发送至服务器；定位模块4和显示模块5位于腕带1外侧；振动马达模块6和/或扬声器模块7以及电源8均内置于腕带1内部；所述传感器模块3与通信控制模块2相连接，三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器采集的信息通过通信控制模块2发送至服务器，服务器接收信息并进行存储，当水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，通信控制模块2向定位模块4中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器开始发出声信号，并与待机值守的外围定位设备的定位水声应答器23进行通信；所述显示模块5、振动马达模块6和/或扬声器模块7都通过通信控制模块2并利用外围通信设备接收服务器的信息。
本实施例所述室外游泳状态监测手环还包括腕带1外侧上设有一个盛液模块9和手柄模块10；所述盛液模块9包括一个一端开口的盛液管91；所述手柄模块10包括一个通过转动扣合在盛液管91上并与盛液管91之间实现密封的手柄101；手柄101的前端延伸出盛液管91设有开口的一端，手柄101的前端下方设有与盛液管91开口相配的封液阀102用于实现盛液管91的密封；手柄101的末端转动设在盛液管91不设开口的一端上；盛液管91内部设有与通信控制模块2通信的内置气压传感器；内置气压传感器由电源8供电；盛液管91内部装有有色液体，盛液管91管壁上还设有用于加入空气且其上设有盖子的增压口92；所述手柄101通过向腕带1外侧转动以实现有色液体的释放。
本实施例所述显示模块5包括触摸屏和语音通信模块，在触摸屏上设置触摸按键，触摸按键包括设置按键、输入按键和语音按键，用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了预管理用户的ID号和预管理用户与该用户所允许的最远距离50米，则室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2会将该用户所输入的ID号信息和最远距离信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器会对该用户的预管理用户的地理位置进行实时监测，若发现预管理用户所处的位置与该用户所处位置间的距离超出了所设置的最远距离50米，则服务器立即向该用户室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2发送报警信号，通信控制模块2收到该信息后，立即向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送信号，振动马达模块6收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块7收到信号后会自动播放“您管理的xxx用户超出了您所设置的运动范围”信息，以引起用户的注意，从而实现了对某一用户运动范围的管理；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其心率值范围、血压值范围的阈值信息和预设时长10秒，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块2向传感器模块3发送指令以启动心率传感器和血压传感器采集心率和血压信息并将该信息通过通信控制模块2传送给服务器，服务器对接收到的生理信息进行存储并分析，如果采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间超过10秒，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2发送报警信号，通信控制模块2收到该报警信号信息后，立即向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送信号，振动马达模块6收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块7收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果采集的心率和血压信息都在所输入的心率值、血压值阈值范围内或采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间但未超过10秒，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其入水深度的阈值信息2米和预设时长30秒，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块2向传感器模块3发送指令以启动水压传感器采集水压信息并将该信息通过通信控制模块2传送给服务器，服务器对接收到的水压信息进行存储并分析，如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过2米且时长大于30秒，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2发送报警信号，通信控制模块2收到该报警信号后，立即向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送信号，振动马达模块6收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块7收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过2米的时长不大于30秒或者游泳者当前的入水深度未超过2米，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了学习时长10分钟，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块；所述语音通信模块用于好友之间进行语音交流。
本实施例所述通信控制模块2上还配有位于腕带1外侧的学习按钮11和查看按钮12，当游泳人员已经通过显示模块5中的设置按键和输入按键设置学习时长10分钟后，按一次学习按钮11即可开启学习模式，学习按钮11将学习信号通过通信控制模块2发送至服务器，服务器通过通信控制模块2向传感器模块3发送指令以启动三轴加速度传感器、心率传感器和血压传感器采集相应的运动信息和生理信息，并将该运动信息和生理信息通过通信控制模块2传送给服务器，并将其存储于存储模块；当游泳人员连续按两次学习按钮11时即可启动退出学习模式，学习按钮11将退出信号通过通信控制模块2发送至服务器，服务器通过对学习模式时间段内所储存的运动信息进行分析，利用时序聚类方法对数据序列进行聚类得到用户的运动规律并存入服务器的存储模块中；当游泳人员按一次查看按钮12，通信控制模块2向服务器发送信号，服务器收到信号后，从存储模块中获取用户当前的心率、血压信息、游泳距离、卡路里消耗和泳姿打分信息并将该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块2，通信控制模块2收到信息后再将该信息传送到显示模块5，从而实现对用户当前生理信息和运动情况的显示；连续按两次查看按钮12，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取预管理用户目前所在位置信息并对该信息打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块2，通信控制模块2收到该信息后再将该信息发送至显示模块4，从而实现对预管理用户位置信息的实时查看；连续按三次查看按钮12，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取当前室外水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息并对该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块2，通信控制模块2收到该信息后再将该信息发送至显示模块4，从而实现了对水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息的显示，同时室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2向盛液模块9发送信号，盛液模块9会对盛液管91中的液体量及气压信息进行打包并发送给通信控制模块2，通信控制模块2收到该信息后再次发送给显示模块5，从而实现对盛液管91的液体量和压强信息的显示；当室外游泳状态监测手环接收到来自服务器的报警信号后，游泳人员可在5秒内同时按下学习按钮11和查看按钮12，室外游泳状态监测手环的通信控制模块2立即向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送关闭信号，振动马达模块6停止振动，扬声器模块7停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的时间发送至服务器的存储模块予以存储。
本实施例还包括射频模块13，所述射频模块13也设置在腕带1上用于与通信控制模块2相连并通过电信号与通信控制模块2进行通信。
本发明还包括外围设备，所述外围设备包括外围通信设备、外围定位设备、环境监测设备、供电设备和服务器；所述外围通信设备包括通信水声换能器21和有线传输媒介22，以实现室外游泳状态监测手环和服务器之间的通信，若室外游泳状态监测手环向服务器发送信息时，首先数据信息即电信号通过通信控制模块2中的通信水声换能器将电信号转换为声信号,并将该声信号发送至外围通信设备中的通信水声换能器21，最后外围通信设备中的通信水声换能器21接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号并通过有线传输媒介22将电信号发送至服务器；若服务器向室外游泳状态监测手环发送信息时，首先服务器将数据信息即电信号通过外围通信设备中的有线传输媒介22发送至外围通信设备中的通信水声换能器21，之后外围通信设备中的通信水声换能器21将电信号转换为声信号，并将该声信号发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块2，最后通信控制模块2中的通信水声换能器接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号；所述外围定位设备包括多个定位水声应答器23，多个定位水声应答器23与室外游泳状态监测手环定位模块4中的定位水声换能器匹配使用，并接收室外游泳状态监测手环定位模块4中的定位水声换能器发送的声信号，室外水域的多个定位水声应答器23的其中一个固定于室外水域的中心桩24上，其余的定位水声应答器23固定在中心桩24周围的辅助桩25上，中心桩24与辅助桩25形成基阵且所有定位水声应答器23与水平面的距离相同；所述环境监测设备包括风速风向设备26、水温设备27、PH值设备28和盐碱度设备29，环境监测设备将监测到的数据通过有线传输媒介22周期性地发送至服务器，服务器将所接收的数据存储至存储模块；当室外水域某一指标出现异常时，服务器将报警信号发送至室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2，通信控制模块2收到该信号后，立即向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送信号，振动马达模块6收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块7收到信号后会自动播放语音信息，以引起用户的注意；所述供电设备包括太阳能电板30和电压输电线31，供电设备中的太阳能电板30固定于室外水域的中心桩24的顶端，电压输电线31铺设于室外水域底部并与中心桩24的电路相连通，该供电设备采用太阳能和传统电力相结合的供电方式为环境监测设备供电。
本发明通过通信控制模块2、传感器模块3中的三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器、定位模块4、显示模块5、振动马达模块6和/或扬声器模块7以及向上述模块供电的电源8、盛液模块9、手柄模块10以及外围设备中的外围通信设备，实现对游泳人员游泳状态的实时监测。
一种游泳状态异常监测方法，采用本实施例所述的室外游泳状态监测手环，具体步骤如下：
一、将有好友关系的多位游泳用户以及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环的标识符存放于服务器的存储模块中；
二、用户在设置学习时长10分钟后，按下一次学习按钮11，进入学习模式，室外游泳状态监测手环的传感器模块3中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集该用户的运动时序数据，并通过通信控制模块2和外围通信设备将运动时序数据发送至服务器，服务器将接收到的数据存储至存储模块；具体过程如下：
用户通过显示模块5中的设置按键和输入按键确定学习时长10分钟，设置完成后按下学习按钮11开启学习模式；
举例而言，传感器模块3以0.2秒为采样时间间隔不断采集该用户的运动数据，每一组数据均包括该用户运动时x、y和z三个方向的加速度数据信息；数据采集过程中，调用通信控制模块2并通过外围通信设备将数据发送至服务器；通信控制模块2以2秒为间隔，将传感器模块3在2秒内的10组数据打包，并通过外围通信设备发送至服务器并存储至存储模块；当学习时长达到游泳者10分钟时，室外游泳状态监测手环自动退出学习模式；若用户提前完成学习，则可通过连续按下两次学习按钮11退出学习模式；
室外游泳状态监测手环采集到的一组数据可表示为at＝(axt,ayt,azt)；其中at表示在时刻t某种泳姿的加速度，axt、ayt、azt分别表示在t时刻某种泳姿的三轴加速度传感器在x、y、z三个方向上的输出值；
表示学习过程中采集到用户运动的数据序列，可表示为：
其中n为自然数；
如果用户在学习阶段中的某段时间内发生异常事件，那么该时间段内的数据对之后判断用户是否处于异常状态是非常宝贵的信息，因此，当用户在学习阶段中通过向外拉开室外游泳状态监测手环上的手柄模块10，发出主动求救信号时，则认为用户此时处于异常状态，通信控制模块2记录此时刻tu并将该时间信息tu通过外围通信设备发送至服务器的存储模块；
三、服务器的分析模块对用户学习阶段中的所采集的数据利用Matlab软件中的数据拟合工具箱cftool进行拟合，并得到时间t与加速度a的拟合曲线，之后再对该拟合曲线进行分析，具体分析过程如下：
1、对学习阶段所获取的数据进行分析，得到拟合曲线中的极小值点，将两两相邻极小值点之间的数据形成数据序列，采用层次聚类法对所形成的数据序列进行聚类，具体过程如下：
(1)首先将每一个数据序列看成一个类，共可得到K个类，利用公式(1)计算每两个类之间的距离；
式(1)中，Cv、Cw代表两个类，|Cv|、|Cw|分别表示类Cv和Cw内数据序列的个数，D(Cv,Cw)为类Cv和Cw之间的距离，分别是类Cv和Cw内的某个数据序列，为与之间的DTW距离；
(2)寻找距离最近的两个类，判断终止条件(4)是否成立，若成立，则不合并这两个类并终止合并，转至(5)；否则，合并这两个类；
对于任意一个类Cj(j＝1,2,…,K)，其类内聚合度G(Cj)为：
其中LCjp、LCjq为类Cj内的两个数据序列，|Cj|为类Cj内数据序列的个数；
设Cz∪Ch为类Cz和Ch合并后的类，取类Cz和Ch类内聚合度之和的平均值来衡量这两个类合并之后所生成的合并类的类内聚合度，记为μ(Cz,Ch)
引入参数λ(0≤λ≤1)，终止条件定义为:
(3)重新计算每两个类之间的距离；
(4)重复(2)和(3)；
(5)经过对数据序列进行层次聚类后，最终可得到k(0＜k≤K)个类，计算每一个类的类内数据序列的平均序列，并将此平均序列作为该类的中心序列，即类中心；
2、判断在学习阶段是否收到用户发出的主动求救信号，如果在该时段内收到主动求救信号，则服务器确定主动求救时刻tu及其对应的加速度值au所形成的点(tu，au)，并在拟合曲线中确定其对应位置，同时获取与该点相邻的两个极小值点，截取这两个极小值点间的数据并将该数据序列标记为异常序列；针对所得到的k个类，依次判断其是否包含该异常序列，若包含，则将其标记为异常类，否则，不标记；
3、在学习阶段所形成的数据序列聚类后，当未被标记的类中某些类的数据序列个数远大于其他类的数据序列个数，即数据序列非平衡现象；造成这种现象的原因有两方面，一是这些数据序列是用户正常运动数据所形成，但是由于用户设置的学习时间较短或数据传输出现了异常等原因导致服务器所获得的该类运动数据较少，二是这些数据序列是用户非正常运动形成的，而这些非正常运动可能导致用户的异常状态，而这些非正常运动发生的频率远低于正常运动，因而准确识别该类运动数据对于用户运动状态的判断有重要影响；由于无法判断含有较少数据序列的类的数据序列是由用户正常还是非正常运动数据形成的，因此先将这些类标记为未知类，之后通过分析异常监测阶段用户的运动数据来判定这些未知类内部的数据序列是否由非正常运动数据形成的；类的标记方法如下：计算步骤1所得到的未被标记的每个类内部所包含的数据序列个数的平均值和最小值，对所求得的平均值和最小值再求平均并将该值作为之后类别判定的阈值；对未被标记的类依次判断其所包含的数据序列的个数是否小于阈值，若小于，则将其标记为未知类；否则，将其标记为正常类；
4、服务器将所有的类中心序列作为该用户游泳泳姿的标准模式并将其存入存储模块。
四、若学习时间达到用户预先设置的时长10分钟，室外游泳状态监测手环将自动退出学习模式，若学习时间未达到用户预先设置的时长10分钟，用户可通过连续按下两次学习按钮11退出学习模式，提前完成学习；此后室外游泳状态监测手环将进入异常监测阶段，室外游泳状态监测手环中的传感器模块3的三轴加速度传感器和陀螺仪将继续采集用户的运动时序数据，并周期性地通过通信控制模块2利用外围通信设备发送至服务器；服务器将接收到的时序数据保存至存储模块并由分析模块对其进行分析；具体分析过程如下：计算在步骤三中所得到的每个类的中心序列的时间周期Ti(i＝1,2,…,k)即中心序列中最后一个数据与第一个数据的时间差；如果所得到的k个类的中心序列周期Ti不相同，那么采用滑动窗口技术，设置多个滑动窗口，滑动窗口的个数等于类的个数，第i个滑动窗口的长度等于Ti；将每个窗口放在时间序列的起始位置，此时每个窗口对应序列上长度为Ti的一段子序列，然后每个窗口后移，再以序列的第二个点为起始点，形成另一个长度为Ti的子序列；依此类推，对用户在时间周期S内的数据进行分析，每个窗口一共可以得到个长度为Ti的子序列，计算每个子序列与第i个类的中心序列的STS距离，共可得到个STS距离，并将其中最小的STS距离作为该时间序列与第i个类的相似性度量；依此类推，可以得到该时间序列与步骤三中所形成的k个类的相似性度量，并将该时间序列归入相似性度量中最小值所对应的类中；若所归入的类为异常类，则认为该用户处于异常状态，否则，认为该用户处于正常状态；
五、若服务器判断出用户可能处于异常状态时，立即通过外围通信设备向用户所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2发送信号，通信控制模块2接收到信号后启动振动马达模块6和/或扬声器模块7，振动马达模块6收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块7收到信号后会播放语音提示信息，振动马达模块6和/或扬声器模块7发出报警信号后，若服务器在5秒内未收到来自用户所佩戴室外游泳状态监测手环的关闭报警信号，则立即通过外围通信设备向该用户好友及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2发送报警信号和该用户的位置信息，通信控制模块2接收到报警信号和用户的位置信息后启动振动马达模块6和/或扬声器模块7以及显示模块5，振动马达模块6和/或扬声器模块7发出报警信号，显示模块5将用户的位置信息显示给用户好友及救生员；若用户在5秒内通过同时按下学习按钮11和查看按钮12关闭所佩戴室外游泳状态监测手环的报警信号，则室外游泳状态监测手环的通信控制模块2收到关闭信号后向振动马达模块6和/或扬声器模块7发送关闭信号，振动马达模块6停止振动，扬声器模块7停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的动作及对应的时间发送至服务器的存储模块予以存储；
若振动马达模块6和/或扬声器模块7所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个未知类相似而触发，则再次分析该未知类并做相应的转化，其过程如下：若用户在5秒内通过同时按下学习按钮11和查看按钮12关闭了报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中，并将该未知类的数据序列个数加1，同时再次判断该未知类的数据序列个数是否大于类判别阈值，若大于类判别阈值，则将该未知类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该未知类；若用户在5秒内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中并将该未知类转化为异常类；
若振动马达模块6和/或扬声器模块7所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个异常类相似而触发，若用户在5秒内通过同时按下学习按钮11和查看按钮12关闭了报警信号，则该异常类中数据保持不变，并将该异常类的误判次数加1，同时再次判断该异常类的误判次数是否大于误判次数阈值3，若大于3，则将该异常类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该异常类；若用户在5秒内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该异常类；
若振动马达模块6和/或扬声器模块7所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的生理指标异常而触发，若用户在5秒内通过同时按下学习按钮11和查看按钮12关闭了报警信号，则服务器会重新设置该用户的生理指标正常值的范围，具体更新方法如下：用户的当前心率值或血压值不在预先设置的范围内，若该值小于对应心率或血压范围最小值，则将该值设置为心率或血压的最小值，若该值大于对应心率或血压范围的最大值，则将该值设置为心率或血压的最大值，同时该用户存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围予以更新；若用户在5秒内未关闭该报警信号，存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围保持不变。
由于本发明中涉及的室外游泳状态监测手环实现异常监测功能，如果监测到异常状态后可以将游泳者所处的位置同时反馈给救生员及用户的好友，有利于进一步提高求救效率。因而水下定位也是需要关注的问题。
本发明考虑到无线网络定位技术需要在定位区域设置较多的无线节点，成本较高，同时无线信号在水中会严重衰减、传输距离有限，且无线信号在淡水、海水中导电率差异较大，而水声信号抗干扰能力较强、不易受到周围环境的影响，所以本专利采用水声定位系统。水声定位系统主要有超短基线、短基线和长基线三种方式。考虑到实际室外游泳场所大致面积、游泳者游泳的入水深度不大以及水下定位的成本和灵活性，本专利采用了超短基线定位方式，无需设置大量的锚节点，只需在水底固定3个定位水声应答器，在游泳手环中设置定位水声换能器和计时器，即可实现对用户较高精度的定位，同时也降低了水下精准定位的成本。同时，本专利采用双向时间测距法，通过测量水声信号在用户与定位水声应答器间传播所需的时间，计算用户与每个定位水声应答器间的距离，更进一步地降低外界因素的干扰，提高测距精度。
本发明通过通信控制模块2、定位模块4、显示模块5、传感器模块3中的心率传感器、血压传感器和水压传感器、振动马达模块6和/或扬声器模块7以及向上述模块供电的电源8以及外围设备中的外围通信设备和外围定位设备，实现对游泳人员的水下定位。
一种游泳人员水下定位方法，采用本实施例所述的室外游泳状态监测手环，具体步骤如下：
一、室外游泳状态监测手环中通信控制模块2不断将定位模块4中计时器所采集到的时间信息通过外围通信设备中发送至服务器，具体过程如下：
当室外游泳状态监测手环中的传感器模块3的水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，传感器模块3与通信控制模块2相连接，通信控制模块2向定位模块4中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器不断地向室外游泳场所的待机值守的定位水声应答器23发送声信号，各定位水声应答器23收到声信号后向室外游泳状态监测手环的定位水声换能器发出相应的应答信号，室外游泳状态监测手环中定位模块4的计时器记录定位水声换能器每次发送和接收声信号的时刻，通信控制模块2将时间信息通过外围通信设备发送至服务器；
其中，为了有效区分多个游泳者，不同游泳者所佩戴的室外游泳状态监测手环中的定位水声换能器所发出声信号的频率是不同的，同时也仅接收相同频率的应答信号。该标示频率可由室外游泳状态监测手环生产厂商在出厂时予以设置，也可以由室外水域管理员以管理员权限通过显示模块5预先为每个室外游泳状态监测手环设定。该标示频率存储于室外游泳状态监测手环的通信控制模块2和服务器的存储模块。同时，为了判断室外游泳状态监测手环接收到的应答信号来自于哪一个定位水声应答器23，目前已有一些研究工作对水声应答器进行设计以解决上述问题，可参见其他研究者的工作，例如2012年北京化工大学陈君的学位论文《超短基线水声定位系统应答器设计》。室外游泳状态监测手环中的通信控制模块2向服务器发送的信息具体包括：定位水声应答器编号、发送标示频率声信号的时刻以及接收到来自该定位水声应答器23的标示频率声信号的时刻。
二、服务器接收到来自外围通信设备的时间信息后存储至存储模块，并向服务器的分析模块发送指令，之后分析模块采用最小二乘法求得游泳者的水下位置坐标；
具体过程如下：设共有3个定位水声应答器23，第i个定位水声应答器23的坐标为(xi，yi，zi)，其中i＝1,2,3，某个用户的坐标为(x，y，z)，则该用户与第i个定位水声应答器23的距离Ri＝v(tir-tis)/2，其中v为声信号在水中传播速度，tis、tir分别为该用户所佩戴室外游泳状态监测手环中的定位水声换能器向第i个定位水声应答器23发送及接收声信号的时刻，此外，游泳者与每个定位水声应答器23的距离也可通过游泳者和定位水声应答器23的坐标计算它们之间的距离，为此可以得到3个非线性方程组：
通过消去该非线性方程组的二次项系数，得到线性观测方程：
AX＝B (6)
公式(6)中：
构造一个估计量使性能指标：
达到最小；由于给定的初值可能会存在较大的偏差，可以利用泰勒级数展开方式对二次方程进行线性化，对最小二乘求解算法进行迭代逼近；
对公式(11)在(x0，y0，z0)点进行泰勒级数展开，令：
则
将公式(13)代入公式(5)中，可得：
取初始值(x0，y0，z0)为各定位水声应答器23所围成区域的外心，采用最小二乘法解方程组(14)后，判断条件(15)是否成立；
满足条件(15)，则(x0，y0，z0)即为当前游泳者的坐标；若未满足条件(15)，则以(x0，y0，z0)为起点，x0、y0、z0分别增加步长±h/2、±k/2、±l/2，从而可得到8个新的坐标点，将新的坐标点代入公式(14)并得到相应的h、k、l值；若同时存在多个点满足条件(15)，则代入公式(10)选取使性能指标值最小的坐标点，即为游泳者当前位置坐标(x，y，z)；若8个坐标点中不存在满足条件(15)的点，则选取使得公式(10)中性能指标值最小的点作为起点，并以该点的h、k、l值得到新的步长，迭代更新直至得到游泳者当前位置坐标(x，y，z)；
三、位置坐标由服务器的分析模块计算得出后，存储至服务器的存储模块。

Claims (8)

1.一种室外游泳状态监测手环，包括呈环状的腕带(1)，所述腕带(1)上设有通信控制模块(2)、传感器模块(3)、定位模块(4)、显示模块(5)、振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)以及向上述模块供电的电源(8)，所述的通信控制模块(2)包括微型控制器和通信水声换能器，其中微型控制器用于控制室外游泳状态监测手环各模块间的交互及信息传送，通信水声换能器用于与外围通信设备中的通信水声换能器(21)的通信，实现电信号与水声信号之间的相互转换；所述的传感器模块(3)包括三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器，其中心率传感器和血压传感器位于腕带(1)的内侧以便紧贴游泳者的手腕内侧，三轴加速度传感器、陀螺仪、水压传感器均内置于腕带(1)内部，水压传感器用于感知水中压力，根据水压传感器给出的压力值计算得到游泳者当前的入水深度；所述的定位模块(4)由定位水声换能器和计时器组成，定位水声换能器与室外游泳场所外围定位设备的定位水声应答器(23)匹配使用并向定位水声应答器(23)周期性地发送声信号，计时器用于记录该定位水声换能器每次发送和接收声信号的时间并通过通信控制模块(2)利用外围通信设备发送至服务器；定位模块(4)和显示模块(5)位于腕带(1)外侧；振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)以及电源(8)均内置于腕带(1)内部；所述传感器模块(3)与通信控制模块(2)相连接，三轴加速度传感器、陀螺仪、心率传感器、血压传感器和水压传感器采集的信息通过通信控制模块(2)发送至服务器，服务器接收信息并进行存储，当水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，通信控制模块(2)向定位模块(4)中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器开始发出声信号，并与待机值守的外围定位设备的定位水声应答器(23)进行通信；所述显示模块(5)、振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)都通过通信控制模块(2)并利用外围通信设备接收服务器的信息。
2.根据权利要求1所述的一种室外游泳状态监测手环，其特征是在所述腕带(1)外侧上设有一个盛液模块(9)和手柄模块(10)；所述盛液模块(9)包括一个一端开口的盛液管(91)；所述手柄模块(10)包括一个通过转动扣合在盛液管(91)上并与盛液管(91)之间实现密封的手柄(101)；手柄(101)的前端延伸出盛液管(91)设有开口的一端，手柄(101)的前端下方设有与盛液管(91)开口相配的封液阀(102)用于实现盛液管(91)的密封；手柄(101)的末端转动设在盛液管(91)不设开口的一端上；盛液管(91)内部设有与通信控制模块(2)通信的内置气压传感器；内置气压传感器由电源(8)供电；盛液管(91)内部装有有色液体，盛液管(91)管壁上还设有用于加入空气且其上设有盖子的增压口(92)；所述手柄(101)通过向腕带(1)外侧转动以实现有色液体的释放。
3.根据权利要求1所述的一种室外游泳状态监测手环，其特征是所述显示模块(5)包括触摸屏和语音通信模块，在触摸屏上设置触摸按键，触摸按键包括设置按键、输入按键和语音按键，用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了预管理用户的ID号和预管理用户与该用户所允许的最远距离，则室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)会将该用户所输入的ID号信息和最远距离信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器会对该用户的预管理用户的地理位置进行实时监测，若发现预管理用户所处的位置与该用户所处位置间的距离超出了所设置的最远距离，则服务器立即向该用户室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送报警信号，通信控制模块(2)收到该信息后，立即向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送信号，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块(7)收到信号后会自动播放“您管理的xxx用户超出了您所设置的运动范围”信息，以引起用户的注意，从而实现了对某一用户运动范围的管理；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其心率值范围、血压值范围的阈值信息和预设时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块(2)向传感器模块(3)发送指令以启动心率传感器和血压传感器采集心率和血压信息并将该信息通过通信控制模块(2)传送给服务器，服务器对接收到的生理信息进行存储并分析，如果采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间超过预设的时长，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送报警信号，通信控制模块(2)收到该报警信号信息后，立即向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送信号，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块(7)收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果采集的心率和血压信息都在所输入的心率值、血压值阈值范围内或采集的心率和血压信息中其中任一项指标不在所输入的心率值、血压值的阈值范围内的时间但未超过预设的时长，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了其入水深度的阈值信息和预设时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块，之后服务器通过通信控制模块(2)向传感器模块(3)发送指令以启动水压传感器采集水压信息并将该信息通过通信控制模块(2)传送给服务器，服务器对接收到的水压信息进行存储并分析，如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过预定阈值且时长大于预设时长，则服务器立即向该用户好友室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送报警信号，通信控制模块(2)收到该报警信号后，立即向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送信号，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块(7)收到信号后会自动播放提示信息，以引起用户好友的注意；如果水压传感器所测到的用户当前的入水深度超过预定阈值的时长不大于预设时长或者游泳者当前的入水深度未超过预定阈值，则不发出任何指令；用户点击设置按键后，若又点击了输入按键并输入了学习时长，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)会将该信息发送至服务器，服务器接收到该信息后将其存储至存储模块；所述语音通信模块用于好友之间进行语音交流。
4.根据权利要求1所述的一种室外游泳状态监测手环，其特征是所述通信控制模块(2)上还配有位于腕带(1)外侧的学习按钮(11)和查看按钮(12)，当游泳人员已经通过显示模块(5)中的设置按键和输入按键设置学习时长后，按一次学习按钮(11)即可开启学习模式，学习按钮(11)将学习信号通过通信控制模块(2)发送至服务器，服务器通过通信控制模块(2)向传感器模块(3)发送指令以启动三轴加速度传感器、心率传感器和血压传感器采集相应的运动信息和生理信息，并将该运动信息和生理信息通过通信控制模块(2)传送给服务器，并将其存储于存储模块；当游泳人员连续按两次学习按钮(11)时即可启动退出学习模式，学习按钮(11)将退出信号通过通信控制模块(2)发送至服务器，服务器通过对学习模式时间段内所储存的运动信息进行分析，利用时序聚类方法对数据序列进行聚类得到用户的运动规律并存入服务器的存储模块中；当游泳人员按一次查看按钮(12)，通信控制模块(2)向服务器发送信号，服务器收到信号后，从存储模块中获取用户当前的心率、血压信息、游泳距离、卡路里消耗和泳姿打分信息并将该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)，通信控制模块(2)收到信息后再将该信息传送到显示模块(5)，从而实现对用户当前生理信息和运动情况的显示；连续按两次查看按钮(12)，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取预管理用户目前所在位置信息并对该信息打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)，通信控制模块(2)收到该信息后再将该信息发送至显示模块(4)，从而实现对预管理用户位置信息的实时查看；连续按三次查看按钮(12)，室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)向服务器发送信号，服务器收到该信号后，从存储模块中获取当前室外水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息并对该信息进行打包发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)，通信控制模块(2)收到该信息后再将该信息发送至显示模块(4)，从而实现了对水域风速风向、气温、PH值和盐碱度值信息的显示，同时室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)向盛液模块(9)发送信号，盛液模块(9)会对盛液管(91)中的液体量及气压信息进行打包并发送给通信控制模块(2)，通信控制模块(2)收到该信息后再次发送给显示模块(5)，从而实现对盛液管(91)的液体量和压强信息的显示；当室外游泳状态监测手环接收到来自服务器的报警信号后，游泳人员可在规定时间内同时按下学习按钮(11)和查看按钮(12)，室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)立即向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送关闭信号，振动马达模块(6)停止振动，扬声器模块(7)停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的时间发送至服务器的存储模块予以存储。
5.根据权利要求1所述的一种室外游泳状态监测手环，其特征是还包括射频模块(13)，所述射频模块(13)也设置在腕带(1)上用于与通信控制模块(2)相连并通过电信号与通信控制模块(2)进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种室外游泳状态监测手环，其特征是还包括外围设备，所述外围设备包括外围通信设备、外围定位设备、环境监测设备、供电设备和服务器；所述外围通信设备包括通信水声换能器(21)和有线传输媒介(22)，以实现室外游泳状态监测手环和服务器之间的通信，若室外游泳状态监测手环向服务器发送信息时，首先数据信息即电信号通过通信控制模块(2)中的通信水声换能器将电信号转换为声信号,并将该声信号发送至外围通信设备中的通信水声换能器(21)，最后外围通信设备中的通信水声换能器(21)接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号并通过有线传输媒介(22)将电信号发送至服务器；若服务器向室外游泳状态监测手环发送信息时，首先服务器将数据信息即电信号通过外围通信设备中的有线传输媒介(22)发送至外围通信设备中的通信水声换能器(21)，之后外围通信设备中的通信水声换能器(21)将电信号转换为声信号，并将该声信号发送至室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)，最后通信控制模块(2)中的通信水声换能器接收到声信号后，将声信号再次转换为电信号；所述外围定位设备包括多个定位水声应答器(23)，多个定位水声应答器(23)与室外游泳状态监测手环定位模块(4)中的定位水声换能器匹配使用，并接收室外游泳状态监测手环定位模块(4)中的定位水声换能器发送的声信号，室外水域的多个定位水声应答器(23)的其中一个固定于室外水域的中心桩(24)上，其余的定位水声应答器(23)固定在中心桩(24)周围的辅助桩(25)上，中心桩(24)与辅助桩(25)形成基阵且所有定位水声应答器(23)与水平面的距离相同；所述环境监测设备包括风速风向设备(26)、水温设备(27)、PH值设备(28)和盐碱度设备(29)，环境监测设备将监测到的数据通过有线传输媒介(22)周期性地发送至服务器，服务器将所接收的数据存储至存储模块；当室外水域某一指标出现异常时，服务器将报警信号发送至室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)，通信控制模块(2)收到该信号后，立即向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送信号，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动，扬声器模块(7)收到信号后会自动播放语音信息，以引起用户的注意；所述供电设备包括太阳能电板(30)和电压输电线(31)，供电设备中的太阳能电板(30)固定于室外水域的中心桩(24)的顶端，电压输电线(31)铺设于室外水域底部并与中心桩(24)的电路相连通，该供电设备采用太阳能和传统电力相结合的供电方式为环境监测设备供电。
7.一种游泳状态异常监测方法，采用权利要求1-6所述的室外游泳状态监测手环，其特征在于，包括如下步骤：
一、将有好友关系的多位游泳用户以及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环的标识符存放于服务器的存储模块中；
二、用户在设置学习时长后，按下一次学习按钮(11)，进入学习模式，室外游泳状态监测手环的传感器模块(3)中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集该用户的运动时序数据，并通过通信控制模块(2)和外围通信设备将运动时序数据发送至服务器，服务器将接收到的数据存储至存储模块；具体过程如下：
用户通过显示模块(5)中的设置按键和输入按键确定学习时长，设置完成后按下学习按钮(11)开启学习模式；
传感器模块(3)以Δt秒为采样时间间隔不断采集该用户的运动数据，每一组数据均包括该用户运动时x、y和z三个方向的加速度数据信息；数据采集过程中，调用通信控制模块(2)并通过外围通信设备将数据发送至服务器；通信控制模块(2)以S秒为间隔，将传感器模块(3)在S秒内的S/Δt组数据打包，并通过外围通信设备发送至服务器并存储至存储模块；其中S为Δt的整数倍；当学习时长达到游泳者所设置的时长时，室外游泳状态监测手环自动退出学习模式；若用户提前完成学习，则可通过连续按下两次学习按钮(11)退出学习模式；
室外游泳状态监测手环采集到的一组数据可表示为at＝(axt,ayt,azt)；其中at表示在时刻t某种泳姿的加速度，axt、ayt、azt分别表示在t时刻某种泳姿的三轴加速度传感器在x、y、z三个方向上的输出值；
表示学习过程中采集到用户运动的数据序列，可表示为：
其中n为自然数；
如果用户在学习阶段中的某段时间内发生异常事件，那么该时间段内的数据对之后判断用户是否处于异常状态是非常宝贵的信息，因此，当用户在学习阶段中通过向外拉开室外游泳状态监测手环上的手柄模块(10)，发出主动求救信号时，则认为用户此时处于异常状态，通信控制模块(2)记录此时刻tu并将该时间信息tu通过外围通信设备发送至服务器的存储模块；
三、服务器的分析模块对用户学习阶段中的所采集的数据利用Matlab软件中的数据拟合工具箱cftool进行拟合，并得到时间t与加速度a的拟合曲线，之后再对该拟合曲线进行分析，具体分析过程如下：
1、对学习阶段所获取的数据进行分析，得到拟合曲线中的极小值点，将两两相邻极小值点之间的数据形成数据序列，采用层次聚类法对所形成的数据序列进行聚类，具体过程如下：
(1)首先将每一个数据序列看成一个类，共可得到K个类，利用公式(1)计算每两个类之间的距离；
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> </mrow> </munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> </mrow> </munder> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>;</mo> <mi>g</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>;</mo> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mi>K</mi> <mo>;</mo> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mi>K</mi> <mo>;</mo> <mi>v</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，Cv、Cw代表两个类，|Cv|、|Cw|分别表示类Cv和Cw内数据序列的个数，D(Cv,Cw)为类Cv和Cw之间的距离，分别是类Cv和Cw内的某个数据序列，为与之间的DTW距离；
(2)寻找距离最近的两个类，判断终止条件(4)是否成立，若成立，则不合并这两个类并终止合并，转至5)；否则，合并这两个类；
对于任意一个类Cj(j＝1,2,…,K)，其类内聚合度G(Cj)为：
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </munder> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>;</mo> <mi>p</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>q</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中LCjp、LCjq为类Cj内的两个数据序列，|Cj|为类Cj内数据序列的个数；
设Cz∪Ch为类Cz和Ch合并后的类，取类Cz和Ch类内聚合度之和的平均值来衡量这两个类合并之后所生成的合并类的类内聚合度，记为μ(Cz,Ch)
<mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
引入参数λ(0≤λ≤1)，终止条件定义为:
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>&amp;cup;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;NotElement;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
(3)重新计算每两个类之间的距离；
(4)重复(2)和(3)；
(5)经过对数据序列进行层次聚类后，最终可得到k(0＜k≤K)个类，计算每一个类的类内数据序列的平均序列，并将此平均序列作为该类的中心序列，即类中心；
2、判断在学习阶段是否收到用户发出的主动求救信号，如果在该时段内收到主动求救信号，则服务器确定主动求救时刻tu及其对应的加速度值au所形成的点(tu，au)，并在拟合曲线中确定其对应位置，同时获取与该点相邻的两个极小值点，截取这两个极小值点间的数据并将该数据序列标记为异常序列；针对所得到的k个类，依次判断其是否包含该异常序列，若包含，则将其标记为异常类，否则，不标记；
3、在学习阶段所形成的数据序列聚类后，当未被标记的类中某些类的数据序列个数远大于其他类的数据序列个数，即数据序列非平衡现象；造成这种现象的原因有两方面，一是这些数据序列是用户正常运动数据所形成，但是由于用户设置的学习时间较短或数据传输出现了异常等原因导致服务器所获得的该类运动数据较少，二是这些数据序列是用户非正常运动形成的，而这些非正常运动可能导致用户的异常状态，而这些非正常运动发生的频率远低于正常运动，因而准确识别该类运动数据对于用户运动状态的判断有重要影响；由于无法判断含有较少数据序列的类的数据序列是由用户正常还是非正常运动数据形成的，因此先将这些类标记为未知类，之后通过分析异常监测阶段用户的运动数据来判定这些未知类内部的数据序列是否由非正常运动数据形成的；类的标记方法如下：计算步骤1所得到的未被标记的每个类内部所包含的数据序列个数的平均值和最小值，对所求得的平均值和最小值再求平均并将该值作为之后类别判定的阈值；对未被标记的类依次判断其所包含的数据序列的个数是否小于阈值，若小于，则将其标记为未知类；否则，将其标记为正常类；
4、服务器将所有的类中心序列作为该用户游泳泳姿的标准模式并将其存入存储模块；
四、若学习时间达到用户预先设置的时长，室外游泳状态监测手环将自动退出学习模式，若学习时间未达到用户预先设置的时长，用户可通过连续按下两次学习按钮(11)退出学习模式，提前完成学习；此后室外游泳状态监测手环将进入异常监测阶段，室外游泳状态监测手环中的传感器模块(3)的三轴加速度传感器和陀螺仪将继续采集用户的运动时序数据，并周期性地通过通信控制模块(2)利用外围通信设备发送至服务器；服务器将接收到的时序数据保存至存储模块并由分析模块对其进行分析；具体分析过程如下：计算在步骤三中所得到的每个类的中心序列的时间周期Ti(i＝1,2,…,k)即中心序列中最后一个数据与第一个数据的时间差；如果所得到的k个类的中心序列周期Ti不相同，那么采用滑动窗口技术，设置多个滑动窗口，滑动窗口的个数等于类的个数，第i个滑动窗口的长度等于Ti；将每个窗口放在时间序列的起始位置，此时每个窗口对应序列上长度为Ti的一段子序列，然后每个窗口后移，再以序列的第二个点为起始点，形成另一个长度为Ti的子序列；依此类推，对用户在时间周期S内的数据进行分析，每个窗口一共可以得到个长度为Ti的子序列，计算每个子序列与第i个类的中心序列的STS距离，共可得到个STS距离，并将其中最小的STS距离作为该时间序列与第i个类的相似性度量；依此类推，可以得到该时间序列与步骤三中所形成的k个类的相似性度量，并将该时间序列归入相似性度量中最小值所对应的类中；若所归入的类为异常类，则认为该用户处于异常状态，否则，认为该用户处于正常状态；
五、若服务器判断出用户可能处于异常状态时，立即通过外围通信设备向用户所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送信号，通信控制模块(2)接收到信号后启动振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动,扬声器模块(7)收到信号后会播放语音提示信息，振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发出报警信号后，若服务器在规定时间内未收到来自用户所佩戴室外游泳状态监测手环的关闭报警信号，则立即通过外围通信设备向该用户好友及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送报警信号和该用户的位置信息，通信控制模块(2)接收到报警信号和用户的位置信息后启动振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)以及显示模块(5)，振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发出报警信号，显示模块(5)将用户的位置信息显示给用户好友及救生员；若用户在规定时间内通过同时按下学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭所佩戴室外游泳状态监测手环的报警信号，则室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)收到关闭信号后向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送关闭信号，振动马达模块(6)停止振动，扬声器模块(7)停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的动作及对应的时间发送至服务器的存储模块予以存储；
若振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个未知类相似而触发，则再次分析该未知类并做相应的转化，其过程如下：若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中，并将该未知类的数据序列个数加1，同时再次判断该未知类的数据序列个数是否大于类判别阈值，若大于类判别阈值，则将该未知类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该未知类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中并将该未知类转化为异常类；
若振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个异常类相似而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则该异常类中数据保持不变，并将该异常类的误判次数加1，同时再次判断该异常类的误判次数是否大于误判次数阈值，若大于该阈值，则将该异常类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该异常类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该异常类；
若振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的生理指标异常而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则服务器会重新设置该用户的生理指标正常值的范围，具体更新方法如下：用户的当前心率值或血压值不在预先设置的范围内，若该值小于对应心率或血压范围最小值，则将该值设置为心率或血压的最小值，若该值大于对应心率或血压范围的最大值，则将该值设置为心率或血压的最大值，同时该用户存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围予以更新；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围保持不变。
8.根据权利要求7所述的一种游泳状态监测方法，其特征在于，游泳的异常状态包括游泳者溺水、身体抽筋和被水草缠绕。
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