一种防溺水穿戴式设备控制系统的制作方法

本实用新型涉及智能穿戴设备领域，特别是一种基于高精度定位的防溺水穿戴式设备控制系统。

背景技术：

儿童溺水是儿童意外死亡的第一大原因，已经成为一个严重的社会问题。目前防溺水穿戴式设备主要集中溺水时的自我救援，例如溺水状态检测、溺水救生设备施放等。然而儿童溺水救援窗口时间很短，自我施救能力较弱，溺水后监测作用较小，救生设施释放成功率较低。

将儿童穿戴式设备用于学生位置跟踪近年来已经是一个比较常见的技术，但是将位置跟踪数据用于防溺水行为监测仍然非常少见。例如2014年，已出现穿戴式设备、手机移动端、云服务器三方联系的模式，申请号[201410271647.8]使用mean架构实现该模式，主要是穿戴式设备将经纬度发送到服务器，服务器提供该位置的街景图片并合成轨迹路线，在手机移动端app内显示，此专利也提出了适用于小孩上学放学情景的低功耗数据采集方案。同年，申请号为[201420269756.1]的专利使用北斗芯片型号bd-1722实现位置定位功能，该专利是在关键词「穿戴北斗定位」下按照时间排序，最早将北斗应用于可穿戴式设备的专利。同年，申请号为[201510967417.x]的专利将一整套的视频监控系统加入到定位系统中，服务器不仅给手机移动端返回地图以及动态位置坐标，还将穿戴式设备的佩戴者所在位置的视频发送到手机，固定摄像头等监控部分完成拍摄以及传送视频的功能。

然而，上述现有技术可能出现这样的情况，同一时间服务器需要处理大量的数据，比如大量佩戴者传送来的定位及传感数据，这要求服务器提供高并发能力，现有相关救助方法在服务器并发能力方面有待提高。在降低可穿戴式设备使用功耗方面，已经有一些方法，但是这些方法通常仅适用于使用此设备的专用场景，比如某可佩带式设备用于学生上学以及放学路径上，其低功耗方法可能是，在上课时间段内减少定位数据上传频率，其他时间段内增加数据上传频率，因此对于防止儿童溺水这一场景，缺少可行的低功耗方法。再者，将儿童穿戴式设备用于防溺水的主要问题在于，即使监测到学生野外下水游泳这个行为，也无法改变学生可能下水溺亡这个事实。因此，本实用新型的防溺水穿戴式设备与方法主要瞄准儿童在溺水前的主动干预，在溺水发生之前对儿童野外下水行为进行提前预警。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种安全性高，功耗低的防溺水穿戴式设备控制系统。

本实用新型的技术方案是：一种防溺水穿戴式设备控制系统，包括主控模块、协处理器、惯性测量单元、服务器和设备终端；所述惯性测量单元连接协处理器的输入端，所述协处理器的输出端连接主控模块；所述主控模块的通信天线接口连接通信天线；主控模块的卫星天线接口连接卫星天线；所述主控模块通过所述通信天线与服务器连接；所述服务器与设备终端之间通信连接。

进一步，还包括语音输入/输出模块，所述主控模块的输入端连接语音输入模块，主控模块的输出端连接语音输出模块。

进一步，还包括人机交互模块，所述人机交互模块与主控模块连接。

进一步，所述主控模块采用主流手机芯片。

进一步，所述主流手机芯片为高通或者mtk手机芯片，支持gps定位和北斗导航定位。

进一步，所述人机交互模块为触摸屏，所述触摸屏设于穿戴式设备上。

进一步，所述协处理器为低功耗mcu芯片。

进一步，所述穿戴式设备为手表、手环或校徽形态，采用锂电池供电。

进一步，所述语音输入模块为麦克风；所述语音输出模块为扬声器。

进一步，所述主控模块还通过通信天线经基站与服务器连接。

本实用新型的有益效果：

(1)控制系统的硬件部分通过设置协处理器和惯性测量单元，能够将主控模块接收的卫星导航数据与惯性测量数据相结合进行定位转换，大大降低系统功耗；

(2)主控模块还与基站建立连接，从而将基站定位、惯性导航定位与卫星导航定位相结合，在当佩戴者的穿戴式设备处于初定位阶段时，穿戴式设备每隔一定时间与服务器建立一次连接，服务器能够支持千万级的穿戴式设备处于粗定位阶段；当佩戴者的穿戴式设备处于精确定位阶段时，穿戴式设备将与服务器建立实时连接，服务器能够支持十万级的穿戴式设备处于精确定位阶段，大大降低系统功耗；

(3)通过语音输入/输出模块，服务器能够对佩戴者进行预警提示；

(4)由于穿戴式设备供电能有限，穿戴式设备根据要求，在相应模式下对传感器原始数据进行采集、缓存和传输到服务器以后，由服务器对多种传感器数据进行在线融合，基站定位数据、卫星导航数据、惯性导航数据等传感器分别具有不同的功耗、精度和噪声模型，服务器根据其不同的噪声模型进行数据融合从而得出佩戴者实际位置的精确评估；

(5)通过主控模块、服务器和设备终端之间的通信，能够完成佩戴者在溺水前的主动干预，在溺水发生之前对佩戴者野外下水行为进行提前预警，大大提高安全性。

附图说明

图1是本实用新型实施例控制系统的电路结构框图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示：一种防溺水穿戴式设备控制系统，主要包括主控模块、协处理器、惯性测量单元、服务器和设备终端；所述惯性测量单元连接协处理器的输入端，所述协处理器的输出端连接主控模块；所述主控模块的通信天线接口连接通信天线；主控模块的卫星天线接口连接卫星天线；所述主控模块通过所述通信天线与服务器连接；所述服务器与设备终端之间通信连接。

本实施例中，主控模块用于与服务器通信，将惯性导航数据、卫星导航数据、基站定位数据发送给服务器，以及接收服务器发送来的指令。协处理器，用于储存惯性导航数据，并将惯性导航数据发送给主控模块。人机交互模块，用于人机互动。语音输入/输出模块，用于输入/输出语音；惯性测量单元(imu)，用于采集佩戴者的惯性导航数据。服务器，用于根据穿戴式设备上传的位置数据和标注的危险水域边界数据，计算佩戴者位置到危险水域的距离d，获得溺水风险函数，根据溺水风险函数判断佩戴者溺水的风险等级，进行预警分级，向主控模块发送主动干预指令；用于存储相关联系人信息；用于接收主控模块发送的相关数据信息，并定时对数据进行替换或修正，以及向主控模块发送定位模式切换指令；还用于当获取到佩戴者面临潜在溺水风险时，发送指令给设备终端，通知佩戴者的相关联系人。设备终端，用于与服务器进行通信，接收服务器发送的指令和信息，以及通过app存储相关联系人信息以及水域附近其他救援用户信息，包括但不限于水域附近的热心志愿者、水域管理员电话信息。

本实施例中，主控模块优选采用高通或者mtk等主流手机芯片，负责执行卫星定位、人机交互和网络通信。这种手机芯片本身集成有卫星定位核，例如现有的手机芯片，支持gps定位和北斗导航定位等。因此，无需额外设置定位芯片，使电路简化，减小电路板体积。主控模块的通信天线接口连接通信天线，主控模块的卫星天线接口连接卫星天线(即gnss天线)。主控模块的输入/输出端连接触摸屏，实现人机交互，如打电话、发信息等。主控模块的输入端连接语音输入模块(如麦克风)，主控模块的输出端连接语音输出模块(如扬声器)。主控模块还连接协处理器，协处理器为低功耗的mcu，用于采集imu(惯性测量单元)的数据并缓存在协处理器中。

其中，卫星天线为能够接收卫星信号的天线，在实际应用中，卫星天线可以包括：gnss(全球卫星导航系统)天线。gnss天线能够实现对卫星信号的搜索及跟踪，并且接收卫星所发送的卫星信号。对应不同的卫星系统，卫星天线可以根据需要，选择出与所使用的卫星系统相适应的天线类型。本实施例优选gps和北斗卫星相结合的定位系统。

imu与卫星天线相结合使用，imu提供的是一个相对的定位信息，它的作用是测量相对于起点物体所运动的路线，所以它并不能提供佩戴者所在的具体位置信息，因此，它与定位模块相结合使用，当在某些定位信号微弱的地方时，imu就可以发挥它的作用，可以让服务器继续获得绝对位置的信息，不至于定位不到佩戴者的位置。

通信天线为用于接收各类无线传输的信号或信息的天线，如gprs、lte等，例如，本实施例采用gprs天线，从而能够准确的接受或发送gprs信号。主控模块通过通信天线向服务器发送佩戴者的定位信息，并通过通信天线接收服务器发送来的警示信息和/或呼叫信息。服务器与设备终端进行通信，设备终端可以是手机、电脑等，通过下载相应的app软件，实现与服务器的通信。

本实施例中，穿戴式设备同手机模式相同，其定位方式包括卫星定位和基于移动运营网的基站定位，其中，基站定位是利用基站对穿戴式设备的距离的测算距离来确定穿戴式设备位置的。

可以说，本实施例采用高通或者mtk等主流手机芯片组方案，融合gnss(全球卫星导航系统)和数据/语音通信系统(例如gprs、lte等)，从而显著降低整个设备的成本。

本实施例的穿戴式设备主要是手表、手环和校徽等形态，采用锂电池供电。因此，穿戴式设备的传感器和通信系统应当尽量处于低功耗状态，从而延长穿戴式设备的待机时间。

为了降低设备功耗，本实施例的穿戴式设备每隔10～15分钟苏醒一次并将低功耗协处理器所采集的惯性导航数据上送至后台的服务器。根据佩戴者行为和位置的连续性，穿戴式设备所采集的佩戴者的运动数据(即卫星导航数据)无需快速实时上送，从而有效节省穿戴式设备的功耗。在低功耗定位阶段，后台服务器通过移动运营商提供的基站定位数据对穿戴式设备进行初步定位，并采用每10～15分钟批量上送的惯性导航数据对基站定位数据进行修正。当发现学生靠近危险水域时，服务器向穿戴式设备发送模式切换指令，穿戴式设备立即切换到高精度定位状态，保持穿戴式设备与后台服务器的实时连接并以秒为单位实时上传自身的惯性导航数据和卫星导航数据，由服务器进行航迹推演并修正卫星导航数据。

本实用新型一种防溺水穿戴式设备控制方法，包括以下步骤：

s101：对危险水域进行标注与管理。

具体地，危险水域数据是整个系统运行的基础数据，所有危险水域的边界用一个有序点的集合p＝{p1,p2,p3,p4,p5,...,pn}表示。对于危险水域的标注(即有序点的集合p)，其来源可以为官方数据，也可以为家长、教员或管理员等的标注，通常家长对危险水域的标注和管理仅对当前用户有效，教员对危险水域的标注和管理对该学校的用户生效。

得到危险水域边界数据后，计算危险水域边界的平均值

服务器通过穿戴式设备上传的位置数据p得到佩戴者位置的精确评估p`，计算线段pc-p`分别与p1-p2,......pn-1-pn线段是否相交，具体通过以下公式获得：

式中，zi表示线段pc-p`是否与p1-p2,......pn-1-pn线段相交，若相交，则zi＝1，若不相交，则zi＝0。

如果相交则分别计算p`与这些线段的垂直距离。如果相交数为偶数，则风险因子d等于所有垂直距离中最小值。如果没有相交，或者相交数为奇数，则风险因子d等于-1。具体通过以下公式获得：

相交数

用di表示p`到线段pipi-1的垂直距离；

本实施例中，通过相交数是奇偶数来计算风险因子d，是根据奇偶规则获得，具体为：平面内的任何一点p，引出一条射线，且不经过多边形的顶点，如果射线与多边形的交点的个数为奇数，则点p在多边形的内部，如果交点个数为偶数，则点p在多边形的外部。本实例中危险水域由有序数集p＝{p1,p2,p3,p4,p5,...,pn}表示，p1-p2,......pn-1-pn则是组成n边形(危险水域)的线段，pc是固定的一点，而p`相当于奇偶规则里面的p，而射线就是由p`引向pc，如果当前位置的线段与多边形相交点数个数为奇数，那么p`就在多边形内部，即佩戴者已经处于水中。而d＝-1是该危险因子的简化表示，即表示一种情况，这种情况说明佩戴者已经处于溺水状态；若相交数为偶数，那说明佩戴者暂时安全，距离水域边界越远，d越大，越安全。

本实施例中，服务器根据佩戴者当前所处位置的预警级别，对定位数据源(即位置数据p)进行决策。由于不同的数据源类型不仅精度、误差概率分布不同，而且其功率也不同。因此，并不是所有数据源数据都时时刻刻从穿戴式设备传输到服务器。具体传输哪些数据源的数据，取决于当前的风险评估。风险越大，数据源越多。例如：最低风险时，仅采集和发送基站定位数据；中等风险时，采集基站定位数据和惯性导航数据；最高风险时，采集所有数据源。当决策发生变化时，通过数据长连接、短信激活等方式实时快速推送到穿戴式设备上。穿戴式设备在接收到切换请求后，在1秒以内完成数据源的切换并开启/关闭定位系统。

由于穿戴式设备供电能有限，应该尽量减少复杂的计算任务。穿戴式设备根据要求，在相应模式下对传感器原始数据进行采集、缓存和传输到服务器以后，由服务器对多种传感器数据进行在线融合。基站定位数据、卫星导航数据、惯性导航数据等传感器分别具有不同的功耗、精度和噪声模型，服务器根据其不同的噪声模型进行数据融合从而得出佩戴者实际位置的精确评估p`。

由于不同位置的基站定位数据、卫星导航数据和惯性导航数据具有不同的误差分布，采用多贝叶斯估计法进行不同数据源的数据融合，即将每个数据源所上送的数据作为一个贝叶斯估计，然后将各个源的关联概率分布合成一个联合后验的概率分布函数，通过使用联合分布函数的似然函数为最小，从而得到多源信息的最终融合值p`。

由于危险水域是动态变化的，例如有些水域在枯水季节并不危险，而有些水域会随着人类活动而增加或者消亡，因此，危险水域需要进行动态的标注和管理。危险水域的标注方法通过ugc(用户生产内容)与pgc(专业生产内容)相结合的方式进行管理，即通过用户(如学生家长、老师等)与专家(如官方、管理员等)相结合提供标注数据。系统初始化阶段，系统管理员会导入重点水域的基础数据，该数据来源于政府水利设施等测绘部门，服务器提供接口接入数据。

s102：对水域进行动态测绘。

具体地，由于汛期水域宽度和深度信息变化较为剧烈。特别是雨季水量变化较大，早上和中午的水位和河道宽度都会有较大变化，因而需要能够对水域的实时宽度和深度进行动态测绘。系统对重要的危险水域进行动态测绘和跟踪，通过自主无人机技术结合北斗rtk定位技术。无人机每次飞行采集有序点集合p’，替换掉服务器的该水域的有序点集合p。

s103：根据距离d计算潜在的溺水风险。

具体地，本实施例主要通过儿童穿戴式设备提供的高精度定位信息，通过算法分析其潜在的溺水风险。其中，溺水风险函数定义为r＝f(d，s，w，h，t)，式中，d为佩戴者位置到危险水域的距离，本实施例前述的风险因子d是根据“当前佩戴者所处位置”来评估其溺水风险，则d即为前述的风险因子d。s为所处季节，w为天气状态，h为湿度，t为温度，该溺水风险函数由深度置信神经网络(dbn)拟合而来，根据不同的风险阈值触发不同的人为干预等级，也即自动化的人力资源众包，从而降低佩戴者下水的概率。

s104：根据溺水风险函数判断佩戴者溺水的风险等级，进行预警分级，并采取主动干预机制。

具体地，当发现佩戴者靠近危险水域就需要对该危险行为进行预警并主动干预，否则所有测量、跟踪和信息传输活动就失去了意义。当佩戴者(如学生)接近危险水域时，服务器向学生端发出ⅲ级警示，临水时向其家长同时发出ii级警戒，入水时向安全员发送i级警报。

由于学生穿戴定位手表、手环和校徽等智能设备，通过定位信息进行自主智能识别，设备在预警区域会自动语音或震动提示。例如：当服务器端识别到佩戴者靠近危险水域时，通过语音或震动的方式提示佩戴者注意安全、远离危险区域。当服务器端识别到佩戴者正在临近危险水域时，服务器发出ⅱ级(黄色)预警，且服务器端以实时电话的方式接通学生监护人，告知监护人学生所面临的潜在风险并提醒监护人以语音、电话的方式劝离学生；当服务器端识别到佩戴者可能入水时，发出ⅰ级(红色)预警，短信再次推送给监护人。另外，家长可通过手机端app将救援请求推送给附近群众、志愿安全员、救生员或应急管理部门，请求人工救援。家长端/后台管理端/安全员端会通过自动收到到智能预警信息，实现联动救援，提高应急救援能力。例如：监护人可以呼叫系统中附近的热心志愿者或自主无人机前往人工劝离并监护该学生。监护人通过移动端app呼叫附近热心群众前往劝离并监护时，后台以语音电话的方式实时接通附近两位热心群众，并将学生的基本信息推送到相应的热心志愿者的app上。平台在接通家长或者志愿者电话时采用语音智能交互技术告知家长情况并语音回答家长和志愿者问题。特别对于志愿者实时通话而言，平台能够识别接通状态和志愿者答复情况，如果当前通话的志愿者不能前往事发位置，平台应该继续寻找下一个匹配的志愿者。

本实用新型利用gis系统，标识河流、湖泊、池塘等危险水域，通过遥感对危险水域进行动态监测与调整，结合学生位置信息自动触发近水、临水、入水三级预警。对于危险水域的标注，其来源可以为官方数据，也可以为家长或管理员标注，家长对危险水域的标注和管理仅对当前用户有效，教员对危险水域的标注和管理对该学校的用户生效。用户在删除水域时，系统应当对删除动作进行谨慎提示，并以邮件、消息等方式快速知会系统管理员。系统管理员应该对删除动作进行人工核查，核查通过的应该同步至整个系统，相应用户将获得系统的奖励积分。系统管理员可以定期对用户标注的危险水域进行核查，核查通过的将同步到整个系统的危险水域数据当中，相应贡献的用户也将获得对应的系统积分。对于重要的危险水域，如果缺乏第三方实时水文信息，系统也可以通过实时采集接口自行从自主安装的水位传感器获得水位信息，从而进行水域宽度、深度的动态管理。