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1、 AI和5G智能动力救生浮板设计研究摘要：游泳作为一项对身心健康极其有益处的体育运动，受到广大人民群众的喜爱，从历年数据来看，游泳人群呈持续增长态势。但游泳安全事故的频繁发生，使人们游泳安全意识逐渐提高，对创新实用型安全产品的需求日益增长。基于这样的背景下，文章设计出一款基于AI和5G的智能动力救生浮板，设备由手环和可穿戴浮板两部分组成，两者之间使用无线通信技术实时传输数据。手环可以测量用户心率、体温、游泳姿势以及游泳距离。可穿戴浮板含有定位功能和救生功能，在检测到异常时，将会发送位置信息到移动设备，同时打开气囊与无刷电机，增大可穿戴浮板的浮力与动力，帮助用户化险为夷。关键词：游泳安全；物联网
2、；电机驱动；可穿戴式设备；5G技术随着社会经济的发展，居民生活水平不断提高，游泳市场蓬勃生机，游泳逐渐成为21世纪最受人们喜爱的运动项目之一，但是许多游泳场馆在商业性、赢利性利益驱动下，致使有的游泳场馆经常人满为患，进而造成许多安全问题的发生。经营者运用多钟经营手段来创造经济效益，然而无论在何种经营方式下都应考虑到是否有悖于安全问题的开展。根据苏南地区2003-2008年70例游泳事故的分析和统计报告可知：其中溺水事故有35例占50%，在游泳事故中占比最高，故出于对游泳者的安全问题考虑上，首先要解决的就是防止溺水现象的发生。1背景技术从历年数据来看，游泳人群呈持续增长态势，但随着游泳安全事故的
3、频繁发生，人们游泳安全意识也在逐渐提高，对创新实用型安全产品的需求日益增长。市场上现存的类似产品价格昂贵，功能单一，且市场上现有产品并不兼顾实用性和娱乐性。因此，有必要提供一种新的浮板手环一体化的可穿戴智能游泳设备来解决以上存在的问题。图1项目工作原理图以定位和紧急救生为例。紧急求救装置可以通过手动操作按键或者当手环检测到异常时自动启动。当启动急救模式时，手环会通过蓝牙模块发送数据到移动设备上，移动设备收到消息后，将会把求救信息，位置信息，生理信息发送到最近的另一个用户设备上，同时通过5G模块将数据同步到服务器上面，为后续救生提供安全保障。工作原理如图1所示。2硬件设计本项目的硬件设计包括浮板
4、和手环两部分。硬件模块设计图如图2所示。2.1手环部分手环内置MCU控制模块，姿态传感器，显示屏，无线通信模块，震动模块。显示屏、姿态传感器以及无线通信模块与MCU控制模块相连接，通过无线通信模块与可穿戴浮板相连接；震动模块和传感器模块提供通知和测量的功能，显示屏和触摸屏提供人机交互功能，无线模块及蓝牙模块可以实现数据传输等功能，增加设备的可操作性；手环通过内置姿态传感器测量用户游泳姿势和游泳距离数据；手环所采用材料为热塑性弹性体制作，连接紧密，在水中确保使用者使用时系统正常启动，手环佩戴处弹性材料，确保使用者在游泳时手环佩戴感觉舒适。2.2浮板部分可穿戴浮板包括锂电池、电池管理模块、MCU控
5、制模块、定位模块、姿态传感器、5G模块、电机驱动模块、无刷电机、气囊弹出口、气瓶、挂绳孔、抓握孔、速度控制器、电池仓、防水仓以及浮力棒接口。挂绳孔、抓握孔、速度控制器、电池仓、锂电池、防水仓、电机驱动模块，无刷电机，浮力棒接口，气囊弹出口，气囊，气瓶按浮板前进方向从前往后依次设置；MCU控制模块与定位模块，姿态传感器，5G模块，电机驱动模块，无刷电机，气囊，气瓶，锂电池，速度控制器连接，通过MCU控制模块控制可穿戴浮板的各项功能,实现可穿戴浮板的智能化，更方便使用者操作；锂电池为整个系统提供电力且可以重复充电使用，用户可以使用手环app打开气囊，增大浮力，救出溺水者，极大地增强了产品的安全性；
6、5G模块实现可穿戴浮板，手环，智能终端之间的通信功能；定位模块将位置信息传递到移动设备端的app上，显示游泳者的位置。无线通讯模块，可以是蓝牙适配器，也可以是WIFI适配器，用于与智能终端连接，允许使用者通过智能终端控制水中推进器、气囊、姿态传感器、定位模块的工作状态，显示推进器的档位和气囊的状态以及姿态传感器的数据，还显示设备所在位置的GPS信息。可穿戴浮板使用新型玻璃纤维增强塑料制作，提高美观度，且新型玻璃纤维增强塑料强度超过碳素钢，并且兼具防腐蚀的优点。3软件设计软件部分根据项目功能进行模块化编程，分为浮板软件、手环软件、手机app、服务器软件四个子系统。软件模块设计图如图3所示,主要有
7、以下四项特色功能.一键救生功能：采用可充电轻型锂电池，两台水下推进器。当用户游泳姿态突然改变或通过手环APP点击一键救生功能时，浮板将会增大浮力提供辅助动力以及向周围人求救等。也允许用户使用水下推进器推动自己前进，从而获得更好的体验。辅助求救功能：当设备检测到用户生理数据异常时，将通过无线设备把信号传送到浮板上，浮板收到信号后会打开电机的控制开关，并弹出气囊，为用户提供更高的浮力和推力，助用户脱离险境。数据监测功能：采用防水智能手环，实时监测12项专业游泳数据。配备一键求救软件，保证用户实时安全。搭载6轴高精度传感器，识别更复杂的游泳运动。手环可以记录日常生活中的锻炼实时数据，并将这些数据与手
8、机、平板等同步，起到通过数据指导健康生活的作用。也可以通过数据调整你的游泳方式。计算配速（制定更高效的配速策略）消耗卡路里（根据数字调整目标）Swolf过高（注意提升游泳效率）SWOLF越少越好，单位长度的用时秒数+划水次数Swolf=单趟用时（秒）+单趟划水次数划水速率过低（注意提升游泳速度）。亲子游泳功能：用户还可以绑定亲属关系用于实时区域检测，例如家长带孩子去海边游泳，家长可以开启这项功能。当设备在安全区域范围之外，设备会发出警示提醒家长离孩子太远。4外形设计本项目为一种浮板手环一体化的可穿戴智能游泳设备，包括手环500和可穿戴浮板600，可穿戴浮板600使用新型玻璃纤维增强塑料制作，提
9、高美观度，且新型玻璃纤维增强塑料强度甚至超过碳素钢，并且兼具防水能力强的优点，可穿戴浮板600通过挂绳孔601处牵的绳子与使用者相连接，所述可穿戴浮板600设有浮力棒接口606，可通过此接口处的卡扣由用户自定义是否携带外挂式浮力棒。所述可穿戴浮板600包括MCU控制模块203，定位模块205，5G模块204，无刷电机300，气囊弹出口605以及气瓶400，挂绳孔601，抓握孔602，速度控制器208，电池仓603，防水仓604，浮力棒接口606。速度控制器208用于控制无刷电机300的转动，无刷电机300所使用电机功率大于250W，已经超过带动人体所需的电机功率。其中挂绳孔601，抓握孔602
10、，无刷电机300，电池仓603，锂电池100，防水仓604，无刷电机300，浮力棒接口606，气囊弹出口605，气囊700，气瓶400按从上往下依次设置。其中MCU控制模块203与定位模块205，5G模块204，无刷电机300，气囊700，气瓶400，锂电池100，速度控制器208连接，通过MCU控制模块203控制可穿戴浮板600的各项功能,实现可穿戴浮板600的智能化，更方便使用者操作。锂电池100为整个系统提供电力且可以重复充电使用，气囊700在危险情况下可瞬间弹出增大浮力，救出溺水者，极大地增强了产品的安全可靠性；5G模块204与无线通信模块207实现可穿戴浮板600，手环500，智能终
11、端之间的通信功能；定位模块205显示当前游泳者的位置。4.1控制结构设计图4为智能浮板的控制结构设计图，其中100为锂电池，200为主控板，201为电池管理，202为电机驱动模块，203为MCU控制模块，204为5G模块，205为定位模块，206为气囊控制模块，207为无线通信模块，208为速度控制器，300为无刷电机，400为气瓶，500为手环，501为MCU，502为姿态传感器，503为无线通信模块，504为显示屏。4.2浮板外壳设计图5为浮板外壳设计图，其中600为浮板外壳，601为挂绳孔，602为抓握孔，603电池仓，604为防水仓，605为气囊弹出口，606为浮力棒接口。实际使用时，
12、为减少游泳者带动可穿戴浮板600前进时的阻力时，可穿戴浮板600是被设计成流线型，并且重量也尽可能小，在游泳者使用可穿戴浮板600带动游泳时，使用流线型的可穿戴浮板600，也会减少水对可穿戴浮板600前进的阻力。防止游泳者由于可穿戴浮板600的阻力太大反而感觉游泳时体验感差。5结语随着社会的高速发展，人们从物质满足的向往逐渐转移为精神满足的向往，游泳作为一项能够提高心肺功能、健美塑性的运动逐渐成为居民最热爱的运动之一,而游泳存在的安全隐患又是一个不可忽视的问题，因此文章设计出基于AI和5G的智能动力救生浮板。该项目结合游泳运动者的行为与安全、互联网的发展态势，将AI和5G网络等技术应用其中，制定出了一套完整、可靠的游泳设备，增加了电机驱动一改传统游泳的单一乏味的缺点，在浮板中安装了气囊以应对突发情况的发生，力求使每一位用户的安全得到极大的保障。参考文献1刘顺传,刘红存.苏南地区游泳场馆游泳安全现状及其深化措施研究J.大众科技,2009(11):4.2何江红,桑辉,常仲源.基于用户画像的游泳运动参与者行为分析及应用J.福建体育科技,2019,38(5):4.3丛高翔,马天洋,罗明轩,等.基于STM32和物联网技术的智能游泳卫士J.电脑知识与技术:学术版,2021.4郑凯.基于物联网的可穿戴式游泳姿态测量系统设计与数据分析J.测试技术学报,2019,33(2):7.
