基于AI和5G的智能動(dòng)力救生浮板設(shè)計(jì)

宋超田，解一博

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

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活水平不斷提高，游泳市場(chǎng)蓬勃生機(jī)，游泳逐漸成為21世紀(jì)最受人們喜愛(ài)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，但是許多游泳場(chǎng)館在商業(yè)性、贏利性利益驅(qū)動(dòng)下，致使有的游泳場(chǎng)館經(jīng)常人滿為患，進(jìn)而造成許多安全問(wèn)題的發(fā)生。經(jīng)營(yíng)者運(yùn)用多鐘經(jīng)營(yíng)手段來(lái)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，然而無(wú)論在何種經(jīng)營(yíng)方式下都應(yīng)考慮到是否有悖于安全問(wèn)題的開(kāi)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(jì)報(bào)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(duì)游泳者的安全問(wèn)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(lái)看，游泳人群呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但隨著游泳安全事故的頻繁發(fā)生，人們游泳安全意識(shí)也在逐漸提高，對(duì)創(chuàng)新實(shí)用型安全產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)。市場(chǎng)上現(xiàn)存的類(lèi)似產(chǎn)品價(jià)格昂貴，功能單一，且市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品并不兼顧實(shí)用性和娛樂(lè)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(lái)解決以上存在的問(wèn)題。

以定位和緊急救生為例。緊急求救裝置可以通過(guò)手動(dòng)操作按鍵或者當(dāng)手環(huán)檢測(cè)到異常時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)急救模式時(shí)，手環(huán)會(huì)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到移動(dòng)設(shè)備上，移動(dòng)設(shè)備收到消息后，將會(huì)把求救信息，位置信息，生理信息發(fā)送到最近的另一個(gè)用戶(hù)設(shè)備上，同時(shí)通過(guò)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(xiàng)目工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

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

圖2 硬件模塊設(shè)計(jì)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(wú)線通信模塊，震動(dòng)模塊。

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

②震動(dòng)模塊和傳感器模塊提供通知和測(cè)量的功能，顯示屏和觸摸屏提供人機(jī)交互功能，無(wú)線模塊及藍(lán)牙模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽黾釉O(shè)備的可操作性；

③手環(huán)通過(guò)內(nèi)置姿態(tài)傳感器測(cè)量用戶(hù)游泳姿勢(shì)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(shí)系統(tǒng)正常啟動(dòng)，手環(huán)佩戴處彈性材料，確保使用者在游泳時(shí)手環(huán)佩戴感覺(jué)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(dòng)模塊、無(wú)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(cāng)、防水倉(cāng)以及浮力棒接口。

①掛繩孔、抓握孔、速度控制器、電池倉(cāng)、鋰電池、防水倉(cāng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)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(dòng)模塊，無(wú)刷電機(jī)，氣囊，氣瓶，鋰電池，速度控制器連接，通過(guò)MCU控制模塊控制可穿戴浮板的各項(xiàng)功能,實(shí)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(gè)系統(tǒng)提供電力且可以重復(fù)充電使用，用戶(hù)可以使用手環(huán)app打開(kāi)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(shí)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(dòng)設(shè)備端的app上，顯示游泳者的位置。

⑥無(wú)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(guò)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(guò)碳素鋼，并且兼具防腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分根據(jù)項(xiàng)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(gè)子系統(tǒng)。軟件模塊設(shè)計(jì)圖如圖3所示,主要有以下四項(xiàng)特色功能.

圖3 軟件模塊設(shè)計(jì)圖

①一鍵救生功能：采用可充電輕型鋰電池，兩臺(tái)水下推進(jìn)器。當(dāng)用戶(hù)游泳姿態(tài)突然改變或通過(guò)手環(huán)APP點(diǎn)擊一鍵救生功能時(shí)，浮板將會(huì)增大浮力提供輔助動(dòng)力以及向周?chē)饲缶鹊取Ｒ苍试S用戶(hù)使用水下推進(jìn)器推動(dòng)自己前進(jìn)，從而獲得更好的體驗(yàn)。

②輔助求救功能：當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到用戶(hù)生理數(shù)據(jù)異常時(shí)，將通過(guò)無(wú)線設(shè)備把信號(hào)傳送到浮板上，浮板收到信號(hào)后會(huì)打開(kāi)電機(jī)的控制開(kāi)關(guān)，并彈出氣囊，為用戶(hù)提供更高的浮力和推力，助用戶(hù)脫離險(xiǎn)境。

③數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：采用防水智能手環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)12項(xiàng)專(zhuān)業(yè)游泳數(shù)據(jù)。配備一鍵求救軟件，保證用戶(hù)實(shí)時(shí)安全。搭載6軸高精度傳感器，識(shí)別更復(fù)雜的游泳運(yùn)動(dòng)。手環(huán)可以記錄日常生活中的鍛煉實(shí)時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。也可以通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)整你的游泳方式。計(jì)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(guò)高（注意提升游泳效率）SWOLF越少越好，單位長(zhǎng)度的用時(shí)秒數(shù)+劃水次數(shù)Swolf=單趟用時(shí)（秒）+單趟劃水次數(shù)劃水速率過(guò)低（注意提升游泳速度）。

④親子游泳功能：用戶(hù)還可以綁定親屬關(guān)系用于實(shí)時(shí)區(qū)域檢測(cè)，例如家長(zhǎng)帶孩子去海邊游泳，家長(zhǎng)可以開(kāi)啟這項(xiàng)功能。當(dāng)設(shè)備在安全區(qū)域范圍之外，設(shè)備會(huì)發(fā)出警示提醒家長(zhǎng)離孩子太遠(yuǎn)。

4 外形設(shè)計(jì)

本項(xiàng)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(guò)碳素鋼，并且兼具防水能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可穿戴浮板600通過(guò)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(guò)此接口處的卡扣由用戶(hù)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(wú)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(cāng)603，防水倉(cāng)604，浮力棒接口606。速度控制器208用于控制無(wú)刷電機(jī)300的轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)刷電機(jī)300所使用電機(jī)功率大于250W，已經(jīng)超過(guò)帶動(dòng)人體所需的電機(jī)功率。其中掛繩孔601，抓握孔602，無(wú)刷電機(jī)300，電池倉(cāng)603，鋰電池100，防水倉(cāng)604，無(wú)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(wú)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(guò)MCU控制模塊203控制可穿戴浮板600的各項(xiàng)功能,實(shí)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(gè)系統(tǒng)提供電力且可以重復(fù)充電使用，氣囊700在危險(xiǎn)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(wú)線通信模塊207實(shí)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(jì)

圖4為智能浮板的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(wú)線通信模塊，208為速度控制器，300為無(wú)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(wú)線通信模塊，504為顯示屏。

圖4 浮板控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4.2 浮板外殼設(shè)計(jì)

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

圖5 浮板外殼設(shè)計(jì)圖

實(shí)際使用時(shí)，為減少游泳者帶動(dòng)可穿戴浮板600前進(jìn)時(shí)的阻力時(shí)，可穿戴浮板600是被設(shè)計(jì)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(dòng)游泳時(shí)，使用流線型的可穿戴浮板600，也會(huì)減少水對(duì)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(jué)游泳時(shí)體驗(yàn)感差。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)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(xiàng)能夠提高心肺功能、健美塑性的運(yùn)動(dòng)逐漸成為居民最熱愛(ài)的運(yùn)動(dòng)之一,而游泳存在的安全隱患又是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，因此文章設(shè)計(jì)出基于AI和5G的智能動(dòng)力救生浮板。該項(xiàng)目結(jié)合游泳運(yùn)動(dòng)者的行為與安全、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(dòng)一改傳統(tǒng)游泳的單一乏味的缺點(diǎn)，在浮板中安裝了氣囊以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的發(fā)生，力求使每一位用戶(hù)的安全得到極大的保障。