[发明专利]一种室外游泳状态监测手环及游泳状态异常监测方法

权利要求书

1.一种游泳状态异常监测方法，包括室外游泳状态监测手环，其特征在于，包括如下步骤：

一、将有好友关系的多位游泳用户以及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环的标识符存放于服务器的存储模块中；

二、用户在设置学习时长后，按下室外游泳状态监测手环中的一次学习按钮(11)，进入学习模式，室外游泳状态监测手环的传感器模块(3)中的三轴加速度传感器和陀螺仪将不断采集该用户的运动时序数据，并通过室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)和外围通信设备将运动时序数据发送至服务器，服务器将接收到的数据存储至存储模块；具体过程如下：

用户通过室外游泳状态监测手环中的显示模块(5)中的设置按键和输入按键确定学习时长，设置完成后按下学习按钮(11)开启学习模式；

室外游泳状态监测手环中的传感器模块(3)以Δt秒为采样时间间隔不断采集该用户的运动数据，每一组数据均包括该用户运动时x、y和z三个方向的加速度数据信息；数据采集过程中，调用室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)并通过外围通信设备将数据发送至服务器；通信控制模块(2)以S秒为间隔，将传感器模块(3)在S秒内的S/Δt组数据打包，并通过外围通信设备发送至服务器并存储至存储模块；其中S为Δt的整数倍；当学习时长达到游泳者所设置的时长时，室外游泳状态监测手环自动退出学习模式；若用户提前完成学习，则可通过连续按下两次学习按钮(11)退出学习模式；

室外游泳状态监测手环采集到的一组数据可表示为a_t＝(a_xt,a_yt,a_zt)；其中a_t表示在时刻t某种泳姿的加速度，a_xt、a_yt、a_zt分别表示在t时刻某种泳姿的三轴加速度传感器在x、y、z三个方向上的输出值；

表示学习过程中采集到用户运动的数据序列，可表示为：

其中n为自然数；

当用户在学习阶段中通过向外拉开室外游泳状态监测手环上的手柄模块(10)，发出主动求救信号时，则认为用户此时处于异常状态，通信控制模块(2)记录时间信息t_u并将该时间信息t_u通过外围通信设备发送至服务器的存储模块；

三、服务器的分析模块对用户学习阶段中的所采集的数据利用Matlab软件中的数据拟合工具箱cftool进行拟合，并得到时间t与加速度a的拟合曲线，之后再对该拟合曲线进行分析，具体分析过程如下：

(1)、对学习阶段所获取的数据进行分析，得到拟合曲线中的极小值点，将两两相邻极小值点之间的数据形成数据序列，采用层次聚类法对所形成的数据序列进行聚类，具体过程如下：

(1-1)首先将每一个数据序列看成一个类，共可得到K个类，利用公式(1)计算每两个类之间的距离；

式(1)中，C_v、C_w代表两个类，|C_v|、|C_w|分别表示类C_v和C_w内数据序列的个数，D(C_v,C_w)为类C_v和C_w之间的距离，分别是类C_v和C_w内的某个数据序列，为与之间的DTW距离；

(1-2)寻找距离最近的两个类，判断终止条件(4)是否成立，若成立，则不合并这两个类并终止合并，转至5)；否则，合并这两个类；

对于任意一个类C_j(j＝1,2,L,K)，其类内聚合度G(C_j)为：

其中L_Cjp、L_Cjq为类C_j内的两个数据序列，|C_j|为类C_j内数据序列的个数；

设C_z∪C_h为类C_z和C_h合并后的类，取类C_z和C_h类内聚合度之和的平均值来衡量这两个类合并之后所生成的合并类的类内聚合度，记为μ(C_z,C_h)

引入参数λ(0≤λ≤1)，终止条件定义为:

(1-3)重新计算每两个类之间的距离；

(1-4)重复(1-2)和(1-3)；

(1-5)经过对数据序列进行层次聚类后，最终可得到k(0＜k≤K)个类，计算每一个类的类内数据序列的平均序列，并将此平均序列作为该类的中心序列，即类中心；

(2)、判断在学习阶段是否收到用户发出的主动求救信号，如果在所述学习阶段内收到主动求救信号，则服务器确定时间信息t_u及其对应的加速度值a_u所形成的点(t_u，a_u)，并在拟合曲线中确定其对应位置，同时获取与该点相邻的两个极小值点，截取这两个极小值点间的数据并将该数据序列标记为异常序列；针对所得到的k个类，依次判断其是否包含该异常序列，若包含，则将其标记为异常类，否则，不标记；

(3)、在学习阶段所形成的数据序列聚类后，类的标记方法如下：计算步骤1所得到的未被标记的每个类内部所包含的数据序列个数的平均值和最小值，对所求得的平均值和最小值再求最终平均值并将所述最终平均值作为之后类别判定的阈值；对未被标记的类依次判断其所包含的数据序列的个数是否小于阈值，若小于，则将其标记为未知类；否则，将其标记为正常类；

(4)、服务器将所有的类中心序列作为该用户游泳泳姿的标准模式并将其存入存储模块；

四、若学习时间达到用户预先设置的时长，室外游泳状态监测手环将自动退出学习模式，若学习时间未达到用户预先设置的时长，用户可通过连续按下两次室外游泳状态监测手环中的学习按钮(11)退出学习模式，提前完成学习；此后室外游泳状态监测手环将进入异常监测阶段，室外游泳状态监测手环中的传感器模块(3)的三轴加速度传感器和陀螺仪将继续采集用户的运动时序数据，并周期性地通过室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)利用外围通信设备发送至服务器；服务器将接收到的时序数据保存至存储模块并由分析模块对其进行分析；具体分析过程如下：计算在步骤三中所得到的每个类的中心序列的时间周期T_i(i＝1,2,L,k)即中心序列中最后一个数据与第一个数据的时间差；如果所得到的k个类的中心序列周期T_i不相同，那么采用滑动窗口技术，设置多个滑动窗口，滑动窗口的个数等于类的个数，第i个滑动窗口的长度等于T_i；将每个窗口放在时间序列的起始位置，此时每个窗口对应序列上长度为T_i的一段子序列，然后每个窗口后移，再以序列的第二个点为起始点，形成另一个长度为T_i的子序列；依此类推，对用户在时间周期S内的数据进行分析，每个窗口一共可以得到个长度为T_i的子序列，计算每个子序列与第i个类的中心序列的STS距离，共可得到个STS距离，并将其中最小的STS距离作为该时间序列与第i个类的相似性度量；依此类推，可以得到该时间序列与步骤三中所形成的k个类的相似性度量，并将该时间序列归入相似性度量中最小值所对应的类中；若所归入的类为异常类，则认为该用户处于异常状态，否则，认为该用户处于正常状态；

五、若服务器判断出用户可能处于异常状态时，立即通过外围通信设备向用户所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送信号，通信控制模块(2)接收到信号后启动室外游泳状态监测手环中的振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)，振动马达模块(6)收到信号后会使室外游泳状态监测手环发生振动,扬声器模块(7)收到信号后会播放语音提示信息，振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发出报警信号后，若服务器在规定时间内未收到来自用户所佩戴室外游泳状态监测手环的关闭报警信号，则立即通过外围通信设备向该用户好友及救生员所佩戴的室外游泳状态监测手环中的通信控制模块(2)发送报警信号和该用户的位置信息，通信控制模块(2)接收到报警信号和用户的位置信息后启动振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)以及显示模块(5)，振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发出报警信号，显示模块(5)将用户的位置信息显示给用户好友及救生员；若用户在规定时间内通过同时按下学习按钮(11)和室外游泳状态监测手环中的查看按钮(12)关闭所佩戴室外游泳状态监测手环的报警信号，则室外游泳状态监测手环的通信控制模块(2)收到关闭信号后向振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)发送关闭信号，振动马达模块(6)停止振动，扬声器模块(7)停止语音播放，并通过外围通信设备将用户关闭报警信号的动作及对应的时间发送至服务器的存储模块予以存储；

若室外游泳状态监测手环中的振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个未知类相似而触发，则再次分析该未知类并做相应的转化，其过程如下：若用户在规定的时间内通过同时按下室外游泳状态监测手环中的学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中，并将该未知类的数据序列个数加1，同时再次判断该未知类的数据序列个数是否大于类判别阈值，若大于类判别阈值，则将该未知类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该未知类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该未知类中并将该未知类转化为异常类；

若室外游泳状态监测手环中的振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的运动时序数据与学习阶段所得结果中的某个异常类相似而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下室外游泳状态监测手环中的学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则该异常类中数据保持不变，并将该异常类的误判次数加1，同时再次判断该异常类的误判次数是否大于误判次数阈值，若大于该阈值，则将该异常类转换为正常类，否则，不进行转化并保留该异常类；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，则将当前运动数据归入到该异常类；

若室外游泳状态监测手环中的振动马达模块(6)和/或扬声器模块(7)所发出的报警信号是由于服务器依据用户当前的生理指标异常而触发，若用户在规定的时间内通过同时按下室外游泳状态监测手环中的学习按钮(11)和查看按钮(12)关闭了报警信号，则服务器会重新设置该用户的生理指标正常值的范围，具体更新方法如下：用户的当前心率值或血压值不在预先设置的范围内，若该值小于对应心率或血压范围最小值，则将该值设置为心率或血压的最小值，若该值大于对应心率或血压范围的最大值，则将该值设置为心率或血压的最大值，同时该用户存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围予以更新；若用户在规定的时间内未关闭该报警信号，存储于服务器存储模块中的生理指标正常值的范围保持不变。