本发明公开了一种基于智能可穿戴设备的士兵管理展示系统及其工作方法，属于无线通信技术及计算机领域。
背景技术：
当前，部队战士管理大都沿用一些传统的以人管理为主的方式方法，例如人工记录、定期汇报、谈话、沟通等来了解战士的日常情况，这不仅具有很强的主观性，而且效率不高，在一定程度上容易遭遇管理效益的瓶颈问题，比如难以及时发现战士的心理问题、难以掌握小远散直、重要岗位、单独执行任务人员的轨迹或位置信息等。
另一方面，随着“物联网”概念的提出以及“智能穿戴”技术的快速发展，基于智能可穿戴设备的智能应用备受关注。目前在军用领域对智能可穿戴设备的研究主要致力于提高士兵的战场作战能力，研究对象主要包括夜视仪隐形眼镜、智能头盔、威胁检测仪、机械臂和助力服等，用于全方位提升士兵的战场感知能力和综合防护能力，而较少见到在非一线战场的日常活动管理中的应用研究。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种数字化、智能化、人性化的士兵管理展示系统，能够基于可穿戴的采集装置实时采集士兵的睡眠、运动、位置等信息并进行分析，为部队管理决策者提供决策分析，提高部队士兵的管理与训练效率。
本发明的另一目的在于提供一种士兵管理展示系统的工作方法。
技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种基于智能可穿戴设备的士兵管理展示系统，包括采集装置、传输装置和管理平台，采集装置和管理平台都与传输装置无线连接，采集装置佩戴在士兵身上，用于实时采集士兵的活动数据，并通过传输装置将活动数据传输至管理平台，管理平台根据建立的分析模型对接收的士兵活动数据进行分析，并展示分析结果。
采集装置包括采集模块、数据预处理模块、数据分割模块、感知代理模块和第一通信模块和本地控制模块，采集模块、数据预处理模块、数据分割模块、感知代理模块和第一通信模块依次相连，本地控制模块与感知代理模块相连。采集模块从当前佩戴者身上采集活动数据，并传送至数据预处理模块中，数据预处理模块对原始数据进行预处理之后再送至数据分割模块对数据进行进一步分割，感知代理模块中维护需要上传或清除的数据规则，第一通信模块负责将符合上传条件的数据发送到传输装置。采集的原始活动数据包括睡眠数据、运动数据、心率数据、定位数据，数据预处理主要包括非常规数据的过滤、缺失数据的插值、高频噪声的移除以及感知数据的归一化和同步。本地控制模块负责直接与管理平台上的中间件交互，帮助中间件配置运行参数。
传输装置通过射频方式和蓝牙方式与采集装置连接，通过wifi方式与管理平台连接，射频方式传输士兵的个人基本信息，蓝牙方式传输采集的士兵活动数据，这些数据通过wifi方式发送至管理平台。具体地，传输装置主要由rfid标签、天线、rfid阅读器、wifi模块、第二通信模块和无线ap组成，rfid标签绑定在采集装置上，用于唯一地标识一台采集装置，rfid标签内设有一定存储空间的用户区，用来存放士兵的基本信息，基本信息包括姓名、性别、身高、体重等。天线和rfid阅读器、第二通信模块设置在部队营区固定的位置。无线ap作为无线设备的网关，提供internet无线接入功能。rfid标签、天线和rfid阅读器构成一个rfid系统，用于获取士兵基本信息并经由wifi模块通过无线ap传送至管理平台。第二通信模块与采集装置中的第一通信模块进行无线连接，第一通信模块将采集装置所采集的活动数据发送至第二通信模块，第二通信模块通过无线ap将活动数据传送至管理平台。优选地，第二通信模块为蓝牙适配器，第一通信模块为采集装置中配置的蓝牙模块。
一种士兵管理展示系统的工作方法，包括以下步骤：采集装置采集士兵的活动数据，并通过传输装置将活动数据传输至管理平台；管理平台根据分析模型对接收的活动数据进行分析，并展示分析结果。
管理平台运行管理应用程序，将接收到的信息进行集成、处理、分析与应用，包括分析人员的睡眠质量、运动量、位置信息等，为用户提供捷化、智能化、人性化的服务。管理平台提供的分析功能包括：分析战士的睡眠习惯和睡眠质量，判断战士是否存在睡眠问题，并依此判断是否作为重点关注人员；分析战士的运动数据，帮助战士制定科学的训练计划，实现因人施训；获取战士的位置信息，实现局部范围内人员定位，并绘制战士的活动轨迹，判断战士是否按既定路线遂行任务。
有益效果：本发明将可穿戴的采集装置绑定rfid标签，并基于射频识别技术和无线传输技术，采集部队战士人员的睡眠、运动和位置信息，通过蓝牙适配器和rfid阅读器将采集的数据信息传输到管理平台上，供士兵管理应用软件分析。该系统主要用于辅助管理士兵，管理人员通过管理平台可以实时了解士兵各项情况，为部队管理士兵带来更高效的管理和训练，使管理变得更智能、便捷与科学。具体有以下优点：
(1)系统部署简单：只需在营区特定的位置放置蓝牙适配器和rfid阅读器，战士佩戴带有rfid标签的采集装置即可。
(2)高度智能：系统能够实现人员的睡眠和运动信息的自动识别；能够根据战士的睡眠质量判断其近期的心理状态，给出合理的心理指导建议；能够根据战士的运动量和卡路里消耗判断其训练质量，并制定科学的训练计划；能够绘制战士的活动轨迹，实现局部区域的人员定位，判定战士遂行任务的路线是否合规。
(3)方便快捷：部队管理人员可以随时随地通过网络查看战士的各种信息，了解战士的状态，在发现人员异常的情况下系统将给出预警。
(4)人性化：具有实际使用价值，并提供良好的交互界面，终端用户可以轻松地获得需要的服务。可分析个人的睡眠质量，并发现异常；可分析个人的运动情况，制定科学的训练计划；可提供基本的定位功能，绘制士兵的活动轨迹和所在位置，可检查士兵是否按既定轨迹遂行任务。
附图说明
图1为本发明的士兵管理展示系统的结构示意图；
图2为图1中采集装置的结构示意图；
图3为图1中传输装置的结构示意图；
图4为本发明的士兵管理展示系统工作流程图；
图5为采集装置和管理平台对数据的处理流程图；
图6为根据本发明实施例的士兵管理展示系统细化工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明的士兵管理展示系统的结构示意图，在一个实施例中，士兵管理展示系统包括采集装置10、传输装置20和管理平台30，采集装置10和管理平台30都与传输装置20连接，采集装置10佩戴在士兵身上，用于实时采集士兵的活动数据，并通过传输装置20将活动数据传输至管理平台30，管理平台30根据建立的分析模型对接收的士兵活动数据进行分析，并展示分析结果。
参照图2，本发明的采集装置10包括采集模块11、数据预处理模块12、数据分割模块13、感知代理模块14、第一通信模块15和本地控制模块16，采集模块11、数据预处理模块12、数据分割模块13、感知代理模块14、第一通信模块15依次相连，本地控制模块16与感知代理模块14相连。采集模块11包括各类传感器，用于从当前佩戴者身上采集原始指标数据(以下也称为活动数据)，包括个人的睡眠、运动、心率、定位等数据，并传送至数据预处理模块12中。通常原始数据存在噪声、运动伪影和感知错误等问题，因此需要对这些数据进行预处理，数据预处理模块12主要完成以下任务：(a)过滤掉非常规数据，过滤采用基于阈值的方法来消除异常的感知数据。(b)插值缺失的感知数据，通常采用统计方法来插入缺失的数据点。(c)移除高频噪声，为了从传感器数据中去除高频噪声，应用常见的低通/高通滤波工具。以及(d)感知数据的归一化和同步。当收集众多数据后，为了消除各种数据指标不同量纲的影响，需要对各种数据进行归一化和同步化处理。
对感知数据进行预处理之后，往往并不是所有的数据都对收集特征和活动识别有帮助，因此数据分割模块13对数据进行进一步分割，数据分割的主要作用是识别预处理的时间序列数据的活动区域和非活动区域。识别活动区域和非活动区域的方法是使用固定尺寸的时间窗口，然后将窗口滑过感知数据，以查看其显示高于特定阈值的高活动性，从而确定活动区域。然后对于活动区域，数据分割模块13将数据转发到上层组件，而对于非活动区域，它仅发送非活动区域的开始和结束的元数据。感知代理模块14中维护需要上传和清除的数据规则，第一通信模块15负责将符合上传条件的数据发送到传输装置20。本地控制模块16负责直接与管理平台30上的中间件交互，包括帮助中间件配置运行参数等。
传输装置20一端连接采集装置10，另一端连接管理平台30，在本发明中两端的连接都通过无线通信的方式进行连接。无线传输的距离与传输连接的稳定性，直接影响到整个系统的效率高低。在一个实施例中，传输装置20通过射频方式和蓝牙方式与采集装置10连接，通过wifi方式与管理平台30连接，射频方式传输士兵的个人基本信息，蓝牙方式传输采集的士兵活动数据，这些数据通过wifi方式发送至管理平台。射频方式采用rfid系统实现，一个典型的rfid系统包括标签、天线和阅读器，其主要工作原理如下：rfid阅读器主动向标签询问标识信息或发出读写信息；天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号；标签是由耦合元件、芯片及微型天线组成的，每个标签内部存有唯一的电子编码，当标签进入rfid阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码。
图3示出了根据本发明实施例的传输装置20的结构示意图，如图所示，传输装置20主要由rfid标签21、天线22、rfid阅读器23、wifi模块24、无线ap25和第二通信模块26组成，第二通信模块26与采集装置10中的第一通信模块15进行无线通信，接收采集的活动数据，第二通信模块26接收到活动数据后再发送至无线ap25。在实施例中，第二通信模块26和第一通信模块15以蓝牙方式通信，第二通信模块26为蓝牙适配器，第一通信模块15为采集装置10中配置的蓝牙模块。rfid标签21、天线22和rfid阅读器23构成一个rfid系统。rfid标签21绑定在采集装置10上，用于唯一地标识一台采集装置，由于采集装置佩戴在士兵身上，亦即唯一地标识了每个士兵。rfid标签中存储士兵的基本信息，包括姓名、性别、身高、体重等。天线22和rfid阅读器23设置在部队营区固定的位置(主要包括食堂门口、营房门口、营房各楼层的走廊以及训练场出入口)，同时这些位置也放置蓝牙适配器。rfid系统采集到的标识信息通过无线wifi模块24发送至无线ap25。无线ap25作为无线设备的网关，提供internet无线接入功能。当佩戴着绑定了rfid标签的采集装置10的士兵经过设有rfid阅读器的特定位置附近时(最大距离可达5～6米)，rfid阅读器23通过天线22发送出一定频率的射频信号，当rfid标签21进入磁场时产生感应电流从而获得能量，向rfid阅读器23发射内部存储的标识信息(即士兵基本信息)，rfid阅读器23再通过天线22接收并识别发回的信息，最后rfid阅读器23再经由wifi模块24通过无线ap25将识别结果发送给管理平台30。
管理平台30通过与传输装置20连接获得感知数据，并对数据进行存储、分析与处理。主要包括存储器，用于存储经由无线网络接收到数据以及本地处理结果；处理器，用于将士兵基本信息和活动数据建立对应关系，并根据建立的分析模型对士兵的个人情况进行分析；显示器，提供人机交互界面。管理平台30还包括感知中间件，主要负责采集装置的发现，以及维护和设备的连接，同时让注册的应用程序知道感知设备是否可用。管理平台30需要同时连接多个数据采集装置10，为避免连接冲突，中间件通过识别采集装置的mac地址来解决连接的冲突问题。管理平台30对士兵个人情况的分析借助于应用软件实现，功能应用软件用于辅助管理士兵，包括分析战士的睡眠习惯和睡眠质量，如果出现异常，将提醒管理者重点关注；分析战士的运动数据，如训练量与心率的关系等，帮助制定科学的训练计划；分析战士的位置信息，实现局部范围内人员定位，绘制战士的活动轨迹，检查战士是否按既定路线遂行任务。
图4示出了本发明的士兵管理展示系统工作流程图。在一个实施例中，士兵管理展示系统的工作方法包括：步骤s100、采集装置采集士兵的活动数据，并通过传输装置将活动数据传输至管理平台；步骤s200、管理平台根据分析模型对接收的活动数据进行分析，并展示分析结果。睡眠模型根据采集的夜间睡眠时间、深度睡眠时间、进入睡眠时间来计算个人的最优睡眠数值，再根据每人每天的睡眠数值与最优数值的比值作为睡眠质量评分。运动模型主要是建立运动矩阵，x坐标为小时，y坐标是该时间段的卡路里消耗或者跑步里程。随后对运动矩阵进行分析，计算其特征值，再根据特征值计算纹理特征，最后根据纹理特征值来判断不同运动类型。定位模型采用rssi计算法，根据三个阅读器计算三个不同的rssi(receivedsignalstrengthindicator)值，并经过ma过滤算法处理得到数值。在计算区域位置时，采用经典的knn(k-nearestneighbor)算法。应用程序是最终的功能应用的体现，每一种功能模式对应着一种分析模型(采用不同的处理规则或分析算法)。这种设计模式使得应用程序更具可扩展性，而不受功能添加或减少的限制。
参照图5，在数据的实际处理流程中，数据收集之后首先进行预处理，预处理之后再进行分割，分割后发送至管理平台进行分析，管理平台上设有多个应用程序，每个应用程序对应一种功能模式，每种功能模式对应着一种分析模型(采用不同的处理规则或分析算法)。采集装置与管理平台之间的交互通过各自的感知功能块实现，采集装置中由感知代理模块通过本地控制模块维护由管理平台的感知中间件设置的“规则”集合。“规则”基本上是一些语法表达，它表示在什么条件下要发送到管理平台的传感器数据以及要清除的内容。本发明中“规则”基本上是简单的条件(例如，与阈值比较)，其计算开销小。这种基于“规则”的方案可以有效地减少所需的感知数据，降低系统开销。
图6为根据本发明实施例的士兵管理展示系统细化工作流程示意图。采集装置10为智能腕带，战士佩戴有贴有rfid标签的智能腕带，战士在经过放置蓝牙适配器和阅读器的地点时，蓝牙适配器与腕带相连，读取腕带感知的数据(睡眠、心率、位置等数据)，并传输至管理平台；阅读器利用wifi模块通过无线ap将数据标签信息(包括人名、性别、身高、体重等)传输给管理平台。管理平台的应用程序获取数据之后，可以分析人员的睡眠、运动、定位等信息。主要包括：(1)评估战士的睡眠质量，绘制睡眠质量随时间变化的趋势变化。找出睡眠质量异常之人，如果一名战士超过一周内睡眠质量持续异常，则提醒管理人员将其作为重点人关注，提早介入。(2)评估战士的训练质量和卡里路消耗，并将训练量和心率数据进行关联，依此制定因人施训的训练计划和训练量。(4)根据时间和位置绘制战士的活动轨迹，并计算和显示当前所处的区域。此外，管理平台的应用软件还包含历史记录模块与历史趋势模块，前者主要以列表的形式记录战士最近的数据记录，同时列出预测值、日变化率的评估条。历史趋势主要包括睡眠趋势和运动趋势。该模块也具有数据的管理功能，可以对某条记录进行相应的操作。最后，系统还提供用户的注册和设置功能，可以修改个人的基本信息和查看个人的数据结果。用户还可以通过设置模块完成对分析的周期选择、预警方式的选择等。