基于無(wú)線傳感技術(shù)的跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王小輝，李圣普

（平頂山學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，平頂山467002）

基于無(wú)線傳感技術(shù)的跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王小輝，李圣普

（平頂山學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，平頂山467002）

跑步是最常見(jiàn)的體育競(jìng)技項(xiàng)目，現(xiàn)有跑步運(yùn)動(dòng)員中訓(xùn)練設(shè)計(jì)的電子輔助系統(tǒng)很少，一般使用有線傳輸數(shù)據(jù)，僅能顯示時(shí)間信息而未將資料數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。用Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，整合Megawin單片機(jī)（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，不僅具有訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)任意分段距離組合的精確計(jì)時(shí)功能，而且還有訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)資料分析與管？功能，可協(xié)助教練或個(gè)人在訓(xùn)練后分析訓(xùn)練情況及如何提高成績(jī)。

輔助訓(xùn)練；遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)

1 引 言

國(guó)內(nèi)外每年都舉辦各種運(yùn)動(dòng)賽事，而賽跑項(xiàng)目是每一個(gè)田徑運(yùn)動(dòng)會(huì)上不可缺少的競(jìng)技項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員為了比賽時(shí)有好成績(jī)，平日無(wú)不積極訓(xùn)練，充分運(yùn)用高科技的輔助系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練有很大幫助，然而專為跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練設(shè)計(jì)的電子輔助系統(tǒng)并不多見(jiàn)。現(xiàn)今市場(chǎng)中可找到一些產(chǎn)品［1］，大都使用有線傳輸且其系統(tǒng)線路復(fù)雜，也僅能顯示時(shí)間信息而未將資料數(shù)據(jù)做管理［2］。

做為一種距離短、傳輸率低、架構(gòu)簡(jiǎn)單以及低功率的無(wú)線通訊技術(shù)，Zigbee被廣范應(yīng)用于智慧型住宅、醫(yī)療照護(hù)及工廠自動(dòng)化等，并已發(fā)揮很好的功能效果［3－4］。對(duì)比現(xiàn)有跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能與系統(tǒng)架構(gòu)，文中以Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，并新增后端數(shù)據(jù)資料管理功能，整合Zigbee無(wú)線收發(fā)技術(shù)、Megawin單片機(jī)（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)新型跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，以改進(jìn)現(xiàn)有訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的總體思路是：應(yīng)用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣播的功能，將起跑信號(hào)以無(wú)線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)，達(dá)到精確計(jì)時(shí)的功能，應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運(yùn)動(dòng)員的任意距離組合的分段記時(shí)。遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)則以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸數(shù)據(jù)到后端資料管理系統(tǒng)，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)有助于分析影響跑步訓(xùn)練效果中的各種因素，例如運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、頻率與持續(xù)時(shí)間等，協(xié)助使用者了解個(gè)人練習(xí)與訓(xùn)練狀況［5－9］。

系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)子系統(tǒng)：①架設(shè)于起跑線處負(fù)責(zé)啟動(dòng)計(jì)時(shí)的起跑端子系統(tǒng)；②架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處負(fù)責(zé)分段計(jì)時(shí)的遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)；③后端資料管理與分析系統(tǒng)。跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的訓(xùn)練場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1 訓(xùn)練場(chǎng)布置

各子系統(tǒng)功能分述如下：

（1）起跑端子系統(tǒng)：架設(shè)于起跑線處，以感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號(hào)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器并同時(shí)以Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣播的功能，將起跑訊號(hào)以無(wú)線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)，并具有計(jì)時(shí)顯示功能。

（2）遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：可以架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處，并于此處跑道左右兩側(cè)架設(shè)紅外線感應(yīng)裝置。具備無(wú)線接收自起跑端子系統(tǒng)送來(lái)的起跑訊號(hào)，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)與顯示功能，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)計(jì)時(shí)間并同時(shí)回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)。當(dāng)用于長(zhǎng)距離跑步訓(xùn)練時(shí)，可以儲(chǔ)存多組時(shí)間資料并可隨時(shí)選擇讀取這些資料。

（3）后端數(shù)據(jù)資料管理：接收各個(gè)遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料，并具備儲(chǔ)存、整理與分析的功能，協(xié)助使用者了解個(gè)人訓(xùn)練狀況。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)前述系統(tǒng)規(guī)劃建構(gòu)跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，依各子系統(tǒng)的功能，硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

（1）起跑端子系統(tǒng)：采用Megawin MCU（MPC82G516）為控制晶片，控制Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊、控制與選取電子起跑架以及語(yǔ)音感測(cè)IC。其中語(yǔ)音感測(cè)IC可以感測(cè)起跑鳴槍的槍聲，電子起跑架也可以提供起跑信號(hào)。

確認(rèn)起跑信號(hào)以Zigbee同步傳送到各子系統(tǒng)，同時(shí)亦需計(jì)時(shí)與顯示。子系統(tǒng)硬體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 起跑端子系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：采用Megawin MCU（MPC82G516）整合紅外線感測(cè)器與Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊。MCU控制Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊接收來(lái)自起跑端子系統(tǒng)的起跑信號(hào)，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，本子系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)時(shí)間并同時(shí)回傳該資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)，子系統(tǒng)硬體架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）后端數(shù)據(jù)資料管理：包括后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)與Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊，其中Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊接收來(lái)自遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)的計(jì)時(shí)信號(hào)，并以筆記型電腦架設(shè)后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)，撰寫Labview及MySQL資料庫(kù)等軟體，完成人機(jī)操作界面以及資料分析處理功能。服務(wù)器管理端架構(gòu)如圖4所示。

圖4 后端數(shù)據(jù)資料管理架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整合前述硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的硬件電路，配合硬件與功能需求撰寫程序。依各子系統(tǒng)的功能，其程序設(shè)計(jì)如下：

起跑端子系統(tǒng)：先偵測(cè)起跑信號(hào)（感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號(hào)），當(dāng)接收到起跑信號(hào)時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器，并控制Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊以廣播方式傳送起跑信號(hào)到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)。程序關(guān)鍵代碼如下：

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：程序主要先判斷是否接收到起跑端子系統(tǒng)的起跑信號(hào)，當(dāng)接收到起跑信號(hào)時(shí)同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)時(shí)間并同時(shí)回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)；系統(tǒng)可以儲(chǔ)存多組時(shí)間資料并可隨時(shí)選擇讀取這些資料。程序關(guān)鍵代碼如下：

后端數(shù)據(jù)資料管理：程序判斷是否接收到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)的計(jì)時(shí)信號(hào)，以LabView軟件做資料整理與分析；分析的數(shù)據(jù)存入MySQL資料庫(kù)。軟件流程如圖5所示。

圖5 后端數(shù)據(jù)管理流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

整合第二部分的硬件設(shè)計(jì)及第三部分軟件設(shè)計(jì)完成跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)原型，包括起跑端、遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)以及后端資料管理與分析等三個(gè)子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)使用時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)計(jì)時(shí)歸零，并等待Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊接收起跑訊號(hào)后開(kāi)始計(jì)數(shù)；可使用按鍵控制選擇Reset及讀取3筆前次通過(guò)該點(diǎn)的碼表數(shù)據(jù)（每按一次按鍵顯示一筆數(shù)值，第4次為返回碼表即時(shí)顯示模式）。

系統(tǒng)原型制做與測(cè)試中，碰到Zigbee無(wú)線收發(fā)受到雜訊與WiFi信號(hào)的干擾非常嚴(yán)重，在此采用Shorted將外在雜訊透過(guò)鐵片接地方式降低雜訊干擾，并設(shè)計(jì)窄頻天線（天線的設(shè)計(jì)不在這里探討）改善接收訊號(hào)效果，減少無(wú)線傳輸時(shí)發(fā)生資料遺失的機(jī)率。

系統(tǒng)原型進(jìn)行以下功能測(cè)試，以驗(yàn)證成品具有所規(guī)劃的功能并正常運(yùn)作。

紅外線遮罩測(cè)試：當(dāng)紅外線產(chǎn)生遮罩時(shí)則點(diǎn)亮LED燈號(hào)；

資料回傳測(cè)試：進(jìn)行遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳到后端資料數(shù)據(jù)管理的傳輸測(cè)試；

后端管理平臺(tái)：后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)中可輸入跑者姓名、日期、總距離、各端距離。接收起跑端起跑信號(hào)同步開(kāi)啟計(jì)時(shí)，平臺(tái)上具備整理與分析各個(gè)遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料與顯示，并可依當(dāng)日測(cè)試狀況決定是否儲(chǔ)存到MySQL資料庫(kù)，同時(shí)具備分析平均速度與短距離的順時(shí)速度等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

以循序漸進(jìn)的方式設(shè)計(jì)與整合Zigbee無(wú)線傳輸模塊、Megawin控制單晶片（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序撰寫和系統(tǒng)測(cè)試，完成跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)。可以應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運(yùn)動(dòng)員的任意距離組合的分段記時(shí)，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，幫助用戶了解個(gè)人詳細(xì)訓(xùn)練狀況。

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Research on Running Training Aided System Based on WSN

Wang Xiaohui，Li Shengpu
（College of Computer Science and Technology，Pingdingshan University，Pingdingshan 467002，China）

Race is the popular sport competition，but for the runners training，there are few electronic aided system.The present system usually uses cable to transmit data and the circuit of equipment is very complex，and only can display the time and not do the data management.Integrating Zigbee wireless transmission technology，Megawin microcontroller，infrared sensor and voice sensing element，the paper explains he design and implementation of running training aided system.The system not only has precise timing function of any segment distance combination in the playground，but also has data analysis and management function after training，which can help coach or runner analyze training state and improvement of the performance.

Auxiliary training；Remotemonitoring；Data acquisition；Zigbee；WSN；Node

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.022

TP391

B

1002－2279（2015）06－0082－03

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210225）；平頂山學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（20120016）

王小輝（1980－），女，河南省滑縣人，碩士研究生，講師，主研方向：人工智能及應(yīng)用。

2015－02－13