基于AI和5G的智能動力救生浮板設(shè)計

宋超田，解一博

（湖南科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘潭，411201）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活水平不斷提高，游泳市場蓬勃生機(jī)，游泳逐漸成為21世紀(jì)最受人們喜愛的運(yùn)動項目之一，但是許多游泳場館在商業(yè)性、贏利性利益驅(qū)動下，致使有的游泳場館經(jīng)常人滿為患，進(jìn)而造成許多安全問題的發(fā)生。經(jīng)營者運(yùn)用多鐘經(jīng)營手段來創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，然而無論在何種經(jīng)營方式下都應(yīng)考慮到是否有悖于安全問題的開展。根據(jù)蘇南地區(qū)2003-2008年70例游泳事故的分析和統(tǒng)計報告可知：其中溺水事故有35例占50%，在游泳事故中占比最高，故出于對游泳者的安全問題考慮上，首先要解決的就是防止溺水現(xiàn)象的發(fā)生。

1 背景技術(shù)

從歷年數(shù)據(jù)來看，游泳人群呈持續(xù)增長態(tài)勢，但隨著游泳安全事故的頻繁發(fā)生，人們游泳安全意識也在逐漸提高，對創(chuàng)新實用型安全產(chǎn)品的需求日益增長。市場上現(xiàn)存的類似產(chǎn)品價格昂貴，功能單一，且市場上現(xiàn)有產(chǎn)品并不兼顧實用性和娛樂性。因此，有必要提供一種新的浮板手環(huán)一體化的可穿戴智能游泳設(shè)備來解決以上存在的問題。

以定位和緊急救生為例。緊急求救裝置可以通過手動操作按鍵或者當(dāng)手環(huán)檢測到異常時自動啟動。當(dāng)啟動急救模式時，手環(huán)會通過藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到移動設(shè)備上，移動設(shè)備收到消息后，將會把求救信息，位置信息，生理信息發(fā)送到最近的另一個用戶設(shè)備上，同時通過5G模塊將數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器上面，為后續(xù)救生提供安全保障。工作原理如圖1所示。

圖1 項目工作原理圖

2 硬件設(shè)計

本項目的硬件設(shè)計包括浮板和手環(huán)兩部分。硬件模塊設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 硬件模塊設(shè)計圖

2.1 手環(huán)部分

手環(huán)內(nèi)置MCU控制模塊，姿態(tài)傳感器，顯示屏，無線通信模塊，震動模塊。

①顯示屏、姿態(tài)傳感器以及無線通信模塊與MCU控制模塊相連接，通過無線通信模塊與可穿戴浮板相連接；

②震動模塊和傳感器模塊提供通知和測量的功能，顯示屏和觸摸屏提供人機(jī)交互功能，無線模塊及藍(lán)牙模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，增加設(shè)備的可操作性；

③手環(huán)通過內(nèi)置姿態(tài)傳感器測量用戶游泳姿勢和游泳距離數(shù)據(jù)；

④手環(huán)所采用材料為熱塑性彈性體制作，連接緊密，在水中確保使用者使用時系統(tǒng)正常啟動，手環(huán)佩戴處彈性材料，確保使用者在游泳時手環(huán)佩戴感覺舒適。

2.2 浮板部分

可穿戴浮板包括鋰電池、電池管理模塊、MCU控制模塊、定位模塊、姿態(tài)傳感器、5G模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、無刷電機(jī)、氣囊彈出口、氣瓶、掛繩孔、抓握孔、速度控制器、電池倉、防水倉以及浮力棒接口。

①掛繩孔、抓握孔、速度控制器、電池倉、鋰電池、防水倉、電機(jī)驅(qū)動模塊，無刷電機(jī)，浮力棒接口，氣囊彈出口，氣囊，氣瓶按浮板前進(jìn)方向從前往后依次設(shè)置；

②MCU控制模塊與定位模塊，姿態(tài)傳感器，5G模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，無刷電機(jī)，氣囊，氣瓶，鋰電池，速度控制器連接，通過MCU控制模塊控制可穿戴浮板的各項功能,實現(xiàn)可穿戴浮板的智能化，更方便使用者操作；

③鋰電池為整個系統(tǒng)提供電力且可以重復(fù)充電使用，用戶可以使用手環(huán)app打開氣囊，增大浮力，救出溺水者，極大地增強(qiáng)了產(chǎn)品的安全性；

④5G模塊實現(xiàn)可穿戴浮板，手環(huán)，智能終端之間的通信功能；

⑤定位模塊將位置信息傳遞到移動設(shè)備端的app上，顯示游泳者的位置。

⑥無線通訊模塊，可以是藍(lán)牙適配器，也可以是WIFI適配器，用于與智能終端連接，允許使用者通過智能終端控制水中推進(jìn)器、氣囊、姿態(tài)傳感器、定位模塊的工作狀態(tài)，顯示推進(jìn)器的檔位和氣囊的狀態(tài)以及姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，還顯示設(shè)備所在位置的GPS信息。

⑦可穿戴浮板使用新型玻璃纖維增強(qiáng)塑料制作，提高美觀度，且新型玻璃纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)度超過碳素鋼，并且兼具防腐蝕的優(yōu)點。

3 軟件設(shè)計

軟件部分根據(jù)項目功能進(jìn)行模塊化編程，分為浮板軟件、手環(huán)軟件、手機(jī)app、服務(wù)器軟件四個子系統(tǒng)。軟件模塊設(shè)計圖如圖3所示,主要有以下四項特色功能.

圖3 軟件模塊設(shè)計圖

①一鍵救生功能：采用可充電輕型鋰電池，兩臺水下推進(jìn)器。當(dāng)用戶游泳姿態(tài)突然改變或通過手環(huán)APP點擊一鍵救生功能時，浮板將會增大浮力提供輔助動力以及向周圍人求救等。也允許用戶使用水下推進(jìn)器推動自己前進(jìn)，從而獲得更好的體驗。

②輔助求救功能：當(dāng)設(shè)備檢測到用戶生理數(shù)據(jù)異常時，將通過無線設(shè)備把信號傳送到浮板上，浮板收到信號后會打開電機(jī)的控制開關(guān)，并彈出氣囊，為用戶提供更高的浮力和推力，助用戶脫離險境。

③數(shù)據(jù)監(jiān)測功能：采用防水智能手環(huán)，實時監(jiān)測12項專業(yè)游泳數(shù)據(jù)。配備一鍵求救軟件，保證用戶實時安全。搭載6軸高精度傳感器，識別更復(fù)雜的游泳運(yùn)動。手環(huán)可以記錄日常生活中的鍛煉實時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機(jī)、平板等同步，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。也可以通過數(shù)據(jù)調(diào)整你的游泳方式。計算配速（制定更高效的配速策略）消耗卡路里（根據(jù)數(shù)字調(diào)整目標(biāo)）Swolf過高（注意提升游泳效率）SWOLF越少越好，單位長度的用時秒數(shù)+劃水次數(shù)Swolf=單趟用時（秒）+單趟劃水次數(shù)劃水速率過低（注意提升游泳速度）。

④親子游泳功能：用戶還可以綁定親屬關(guān)系用于實時區(qū)域檢測，例如家長帶孩子去海邊游泳，家長可以開啟這項功能。當(dāng)設(shè)備在安全區(qū)域范圍之外，設(shè)備會發(fā)出警示提醒家長離孩子太遠(yuǎn)。

4 外形設(shè)計

本項目為一種浮板手環(huán)一體化的可穿戴智能游泳設(shè)備，包括手環(huán)500和可穿戴浮板600，可穿戴浮板600使用新型玻璃纖維增強(qiáng)塑料制作，提高美觀度，且新型玻璃纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)度甚至超過碳素鋼，并且兼具防水能力強(qiáng)的優(yōu)點，可穿戴浮板600通過掛繩孔601處牽的繩子與使用者相連接，所述可穿戴浮板600設(shè)有浮力棒接口606，可通過此接口處的卡扣由用戶自定義是否攜帶外掛式浮力棒。所述可穿戴浮板600包括MCU控制模塊203，定位模塊205，5G模塊204，無刷電機(jī)300，氣囊彈出口605以及氣瓶400，掛繩孔601，抓握孔602，速度控制器208，電池倉603，防水倉604，浮力棒接口606。速度控制器208用于控制無刷電機(jī)300的轉(zhuǎn)動，無刷電機(jī)300所使用電機(jī)功率大于250W，已經(jīng)超過帶動人體所需的電機(jī)功率。其中掛繩孔601，抓握孔602，無刷電機(jī)300，電池倉603，鋰電池100，防水倉604，無刷電機(jī)300，浮力棒接口606，氣囊彈出口605，氣囊700，氣瓶400按從上往下依次設(shè)置。其中MCU控制模塊203與定位模塊205，5G模塊204，無刷電機(jī)300，氣囊700，氣瓶400，鋰電池100，速度控制器208連接，通過MCU控制模塊203控制可穿戴浮板600的各項功能,實現(xiàn)可穿戴浮板600的智能化，更方便使用者操作。鋰電池100為整個系統(tǒng)提供電力且可以重復(fù)充電使用，氣囊700在危險情況下可瞬間彈出增大浮力，救出溺水者，極大地增強(qiáng)了產(chǎn)品的安全可靠性；5G模塊204與無線通信模塊207實現(xiàn)可穿戴浮板600，手環(huán)500，智能終端之間的通信功能；定位模塊205顯示當(dāng)前游泳者的位置。

4.1 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4為智能浮板的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，其中100為鋰電池，200為主控板，201為電池管理，202為電機(jī)驅(qū)動模塊，203為MCU控制模塊，204為5G模塊，205為定位模塊，206為氣囊控制模塊，207為無線通信模塊，208為速度控制器，300為無刷電機(jī)，400為氣瓶，500為手環(huán)，501為MCU，502為姿態(tài)傳感器，503為無線通信模塊，504為顯示屏。

圖4 浮板控制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4.2 浮板外殼設(shè)計

圖5為浮板外殼設(shè)計圖，其中600為浮板外殼，601為掛繩孔，602為抓握孔，603電池倉，604為防水倉，605為氣囊彈出口，606為浮力棒接口。

圖5 浮板外殼設(shè)計圖

實際使用時，為減少游泳者帶動可穿戴浮板600前進(jìn)時的阻力時，可穿戴浮板600是被設(shè)計成流線型，并且重量也盡可能小，在游泳者使用可穿戴浮板600帶動游泳時，使用流線型的可穿戴浮板600，也會減少水對可穿戴浮板600前進(jìn)的阻力。防止游泳者由于可穿戴浮板600的阻力太大反而感覺游泳時體驗感差。

5 結(jié)語

隨著社會的高速發(fā)展，人們從物質(zhì)滿足的向往逐漸轉(zhuǎn)移為精神滿足的向往，游泳作為一項能夠提高心肺功能、健美塑性的運(yùn)動逐漸成為居民最熱愛的運(yùn)動之一,而游泳存在的安全隱患又是一個不可忽視的問題，因此文章設(shè)計出基于AI和5G的智能動力救生浮板。該項目結(jié)合游泳運(yùn)動者的行為與安全、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢，將AI和5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用其中，制定出了一套完整、可靠的游泳設(shè)備，增加了電機(jī)驅(qū)動一改傳統(tǒng)游泳的單一乏味的缺點，在浮板中安裝了氣囊以應(yīng)對突發(fā)情況的發(fā)生，力求使每一位用戶的安全得到極大的保障。