一种具有溺水检测功能的UWB手环的制作方法

本实用新型属于穿戴式智能检测设备制造技术领域，具体涉及一种具有溺水检测功能的UWB手环。

背景技术：
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游泳作为一项可以减肥，增加身体抵抗力，调节心肺功能的全身运动，近些年被越来越多的人所接受与喜欢。游泳场馆游泳是一个比较常见的场合，在游泳的同时，安全是一个不可忽视的问题。目前现有的泳池主要预防手段是依靠救生员的巡视以及游泳者自身的呼喊，但是由于游泳池里人多声音很嘈杂，并且并不是所有的人溺水时都会大声喊叫或者剧烈挣扎，所以单凭救生员是不够的，容易错过最佳的救援时间。这些传统的防护手段，往往无法及时发现溺水等意外情况的发生，无法实现泳池安全的有效预防，目前我国在泳池方面的安全措施并没有到位。总体看来，传统方法的局限性主要体现在这些方面：一是防护范围小，可靠性不高：由于依靠救生员巡视实现防护，实际有效作用区域受限于救生员的数量和救生员观察的范围；当溺水者沉入水中或溺水者没有及时发出报警信号，救生员不能及时发现，就错过了最好的营救时机；二是运营成本高：为了提高安全性，必须增加救生员的数量和巡逻密度，必然带来了泳池运营成本的增加。而采用常见的游泳圈、游泳板等尺寸较大的安全装备能够一定限度保护游泳者的安全，但是会限制游泳者的发挥，而且存在着携带不便需要手动为其充气，无法主动发出报警等不便。极大的限制了游泳者对其使用。因此，设计一种具有溺水检测功能的UWB手环，能够智能检测溺水，并能够实时预警，使用效果好。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于克服现有技术上存在的缺点与不足，寻求提供一种具有溺水检测功能的UWB手环，基于UWB的室内定位具有高精度的特性，该UWB手环将UWB模块和水深测量模块集成于一个设备内，能够实现实时显示室内游泳池中人员位置信息，实现实时测量显示佩戴人员位置信息的目的。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的一种具有溺水检测功能的UWB手环，通过如下技术方案来实现：负责软件运行和消息处理的MCU与UWB定位标签之间用SPI接口进行信息传输，UWB定位标签用以进行包括定位数据包的发送与接收，UWB定位标签和UWB基站之间的时间同步处理，UWB定位标签与UWB基站之间通过无线宽带的方式通讯连接，用以将位置数据传输至UWB基站，再由基站经路由器传输至终端服务器；MCU与压力传感器之间通过I²C接口两线串行通讯，压力传感器用以测定水压数据变动的频率f，并能够将水深压力变化信号转化为可输出的电信号，并将该电信号传输至MCU进行数据处理，再通过UWB定位标签发送给UWB基站，UWB基站通过wifi 或以太网转发至服务器；MCU还通过UART串口通讯的方式与蓝牙连接，蓝牙与UWB基站通信连接，当佩戴者在水下处于非溺水状态时，蓝牙用以在水中实时向UWB基站传输MCU获得的水深数据，蓝牙与U WB基站通信连接，用以将水深数据通过蓝牙传输至UWB基站，UWB 基站通过WIFI或TCP/IP协议与路由器连接，路由器与终端服务器通信连接，UWB基站通过路由器将水深数据传输至服务器进行数据解析；MCU的内部设置有用以为MCU提供晶振信号的时钟模块、用以为 MCU提供电源的电源模块和用以MCU进行程序调试时使用的JTAG接口；MCU通过其引脚还连接有LED报警模块，即LED闪频，通过定时器中断控制其闪频，用以进行位置数据显示的数据显示模块采用LC D液晶显示屏结构，并通过I/O口与MCU并行连接；MCU、蓝牙、UW B定位标签和压力传感器均封装于具有三防功能的手环内，同时数据显示模块设置于手环的表盘位置处，以便于使用和查看。

进一步的，本实用新型中MCU内预先设定水深报警阈值h、潜水时间报警阈值t和水压变动的频率f1。

进一步的，本实用新型中压力传感器的优选设置位如下，在佩戴手环时，压力传感器位于手环的前侧面或者后侧面，以便于准确测量水压。

进一步的，本实用新型LED报警模块的优选设置位置如下，在佩戴手环时，LED报警模块位于手环的上侧面，以便于在LED闪烁报警时能够及时发现。

本实用新型与现有技术相比，取得的有益效果如下：

1、数据传输速度快，UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。

2、多径分辨能力强，UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。

3、隐蔽性好，因为UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。

4、定位精确，冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，精度最高可达2厘米，一般精度在15厘米内。而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。

5、抗干扰能力强，UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说， UWB抗干扰处理增益在50dB以上。

6、低功耗，UWB无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环 (PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。由于UWB信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。

7、其主体结构简单，设计构思巧妙，使用安全方便，使用效果好，定位准确，预警及时，能够有效保护使用者的安全。应用环境友好，市场前景广阔。

附图说明：

图1为本实用新型涉及的手环数据传输流程示意图。

图2为本实用新型涉及的部件连接关系示意框图。

图3为本实用新型涉及的工作过程示意图。

图示：MCU(微控制单元)1、BLE4.2(蓝牙)2、UWB(Ultra Wideband) 定位标签3、压力传感器4、UWB基站5、服务器6、时钟模块7、电源模块8、JTAG接口9。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种具有溺水检测功能的UWB手环，通过如下技术方案来实现：负责软件运行和消息处理的MCU1(微控制单元) 与UWB(Ultra Wideband)定位标签3之间用SPI接口进行信息传输， UWB定位标签3用以进行包括定位数据包的发送与接收，UWB定位标签3和UWB基站5之间的时间同步处理，UWB定位标签3与UWB基站 5之间通过无线宽带的方式通讯连接，用以将位置数据传输至UWB基站5，再由基站经路由器传输至终端服务器；MCU1与压力传感器4 之间通过I²C接口两线(时钟和数据)串行通讯，压力传感器4用以测定水压数据变动的频率f，并能够将水深压力变化信号转化为可输出的电信号，并将该电信号传输至MCU1进行数据处理，再通过U WB定位标签3发送给UWB基站5，UWB基站5通过wifi或以太网转发至服务器6；MCU1还通过UART串口通讯的方式与蓝牙2连接，蓝牙2与UWB基站5通信连接，当佩戴者在水下处于非溺水状态时，蓝牙2用以在水中实时向UWB基站5传输MCU1获得的水深数据，蓝牙2与UWB基站5通信连接，用以将水深数据通过蓝牙2传输至UW B基站5，UWB基站5通过WIFI或TCP/IP协议与路由器连接，路由器与终端服务器通信连接，UWB基站5通过路由器将水深数据传输至服务器6进行数据解析；MCU1的内部设置有用以为MCU1提供晶振信号的时钟模块7、用以为MCU1提供电源的电源模块8和用以MCU1进行程序调试时使用的JTAG接口9；MCU1通过其引脚还连接有LED报警模块，即LED闪频，通过定时器中断控制其闪频，用以进行位置数据显示的数据显示模块采用LCD液晶显示屏结构，并通过I/O口与MCU1并行连接；MCU1、BLE4.2(蓝牙)2、UWB定位标签3和压力传感器4均封装于具有三防功能的手环内，同时数据显示模块设置于手环的表盘位置处，以便于使用和查看。

进一步的，本实施例中MCU1内预先设定水深报警阈值h、潜水时间报警阈值t和水压变动的频率f1。

进一步的，本实施例中压力传感器4的优选设置位如下，在佩戴手环时，压力传感器4位于手环的前侧面或者后侧面，以便于准确测量水压。

进一步的，本实施例中LED报警模块的优选设置位置如下，在佩戴手环时，LED报警模块位于手环的上侧面，以便于在LED闪烁报警时能够及时发现。

本实施例的具体使用方式通过以下技术方案实现：

(1)将水深压力测量模块和UWB定位标签集成于具有三防功能的手环内；

(2)定位标签通过UWB模块和蓝牙模块分别将位置测量信息和水深测量数据传输给UWB基站；

(3)如果收到UWB发送的定位信息，则UWB基站解算标签和基站之间的距离d，由wifi发送至路由器，然后通过路由器转发至服务器进行位置解算。如果UWB基站收到水深数据，则直接通过wifi 发送至路由器，再通过路由器转发至终端服务器；

(4)服务器对水深数据和解算后得到的位置数据进行存储和显示；

(5)若发生溺水预警情况，MCU会开启定时器中断来控制LED 闪频报警。

(6)方案流程如图1所示。

如图3所示，本方案为UWB手环加入了LED报警模块，水深压力信号传向压力传感器转化为电信号，调用频率计算程序和单片机时钟的时间数据从而判断频率f是否符合预警条件2，若符合，则直接调用LED报警模块让LED闪频；若不符合，则进一步判断是否在危险的水深中保持时间过长，即预警条件1。目前本方案根据实际情况设置了两个预警条件，如下：

预警条件1：游泳者下潜到水面以下深度超过预设阈值时手环开始计时，持续时间内水深始终大于预设值，水深和时间均超过系统程序参数预设值时，手环上的LED灯会闪频。

预警条件2：水深数值在预设变化范围内变动频率过快或者按一定频率规律变化(溺水者手臂伸开向下压水或者儿童手臂前伸，这时手臂动作频率并不大)时，手环上的LED灯闪频报警。

MCU与UWB定位标签之间用SPI接口，对于压力传感器用I²C接口两线(时钟和数据)串行通讯，对蓝牙BLE4.2无线传输模块用UART 串口通讯，同时如表1所示，MCU内部还有时钟模块、电源模块和 JTAG接口。由压力传感器和BLE4.2模块来共同作用于水深数据的测量和传输，由UWB模块来实现人员位置的定位和位置信号的传输。