智慧校園場景中智能引體向上訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)

張新風(fēng),吳一凡,郭宇歌,胡欽宇,戴德琰,郭獻(xiàn)章

(1.首都師范大學(xué) 初等教育學(xué)院，北京 100037;2.東北大學(xué)秦皇島分校 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;3.吉林大學(xué) 外國語學(xué)院，吉林 長春 130012)

互聯(lián)網(wǎng)+與人工智能將引領(lǐng)社會(huì)生活的未來，做為新技術(shù)的發(fā)源地與孵化園，大學(xué)校園生活中的新技術(shù)應(yīng)用不但能夠更好地服務(wù)于師生的日常生活，還能夠激發(fā)師生創(chuàng)新熱情和創(chuàng)新活力，為以創(chuàng)新為第一源動(dòng)力的中國特色新時(shí)期，增添一抹校園色彩.

在傳統(tǒng)的體育場地和體育設(shè)施上，安裝傳感器、單片機(jī)、發(fā)射器、接收器，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄W(xué)校的數(shù)據(jù)中心，利用專用軟件與互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理與分析，再把處理結(jié)果反饋給訓(xùn)練者，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo). 以這種模式進(jìn)行的創(chuàng)新，展現(xiàn)出師生共同的創(chuàng)新成果，如：專門針對(duì)跑步研發(fā)的督導(dǎo)系統(tǒng)，有效避免了人工點(diǎn)名帶來的時(shí)間浪費(fèi)與作弊等問題[1]；專門針對(duì)仰臥起坐研發(fā)的設(shè)備，具備自動(dòng)讀數(shù)、報(bào)數(shù)，并根據(jù)不同訓(xùn)練者的不同時(shí)段，設(shè)定不同的仰角與訓(xùn)練強(qiáng)度[2]. 同時(shí)這些設(shè)備都有通訊模塊，可以把數(shù)據(jù)傳入學(xué)校的數(shù)據(jù)處理中心，以專用軟件與互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析為支撐，對(duì)個(gè)人提供專業(yè)化、個(gè)性化的指導(dǎo)(反饋到使用者的手機(jī)APP)，也為學(xué)校的體育管理機(jī)構(gòu)提供具體、翔實(shí)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析.

本文以該系列成果中的智能引體向上器為例，說明該創(chuàng)意來源與模式形成過程.

1 使用流程與技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)

1.1 外觀造型及使用方式

智能引體向上訓(xùn)練器如圖1所示，通過安全護(hù)具將機(jī)器和人連起來，機(jī)器可提供額外牽引力. 在進(jìn)行引體向上訓(xùn)練時(shí)，通過安全護(hù)具將牽引力引導(dǎo)至人的身上，減少人引體向上時(shí)所需的力，從而使使用者更容易完成引體向上. 使用時(shí)，使用者先戴上安全護(hù)具，然后打開手機(jī)藍(lán)牙，與訓(xùn)練器進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)，打開APP開始計(jì)數(shù)按鈕，打開總開關(guān)手握單杠，開始做引體向上. 若在等待時(shí)間t1(t1在出廠時(shí)已設(shè)定好)內(nèi)，對(duì)射式光電傳感器未檢測到人的頭部，則說明訓(xùn)練者的臂力大小不夠，引體向上動(dòng)作并不能完成，此時(shí)蓄水桶的水泵開始工作，對(duì)蓄水桶進(jìn)行抽水，軟管將水送入上水桶. 上水桶中的水量逐步增加，人所需的力量逐步減少，直到人的頭部達(dá)到光電傳感器所能探測外，水泵暫停注水，稱重模塊得到重量后將壓力信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)記1次成功次數(shù)，并通過藍(lán)牙將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，第1次引體向上成功. 若需要提高該設(shè)備的穩(wěn)定性，也可后期在此設(shè)備加入滑槽等裝置，將上水桶放入滑槽，使訓(xùn)練者在訓(xùn)練過程中水桶能更加穩(wěn)定地提供配重力.

圖1 外觀及硬件設(shè)備

然而，當(dāng)訓(xùn)練者完成第1次引體向上之后，訓(xùn)練者的體力會(huì)有所下降，即隨著完成引體向上次數(shù)的增加，人的臂力F會(huì)逐漸減小，所以需要增加水桶提供的配重力T作為補(bǔ)償. 基于以上要求，有2種技術(shù)方案可供選擇.

方案A：設(shè)定t2為1次抽水周期時(shí)長，t1仍為抽水周期間的等待時(shí)長，在等待期間水泵不抽水(t1和t2出廠時(shí)已設(shè)定好). 抽水速度可由無級(jí)變速開關(guān)調(diào)節(jié). 訓(xùn)練者在繼續(xù)做第n(n≥2)個(gè)引體向上時(shí)，定義智能引體向上訓(xùn)練器有以下循環(huán)工作過程：先經(jīng)歷等待時(shí)間t1，然后水泵以流速u抽水，抽水時(shí)長為t2，t1和t2交替經(jīng)歷，如此循環(huán)下去. 在這個(gè)循環(huán)工作過程中，只要光電傳感器在任何時(shí)刻檢測到人的頭部，水泵就暫停抽水，該次引體向上循環(huán)工作過程終止，稱重模塊得到重量后將壓力信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)記1次成功次數(shù)，并通過藍(lán)牙將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，之后進(jìn)行第n+1引體向上訓(xùn)練，第n+1次訓(xùn)練仍遵循上述循環(huán)工作過程.

方案B：設(shè)定t1仍為抽水周期間的等待時(shí)長(t1在出廠時(shí)已設(shè)定好))，在等待期間水泵不抽水. 抽水速度可由無級(jí)變速開關(guān)調(diào)節(jié). 從訓(xùn)練者做第n(n≥2)個(gè)引體向上以后，在經(jīng)歷等待時(shí)間t1之后光電傳感器仍未檢測到人的頭部，則水泵開使不斷注水，當(dāng)水的流速匹配人的臂力衰減速度時(shí)，人就可以最大限度地進(jìn)行引體向上. 光電傳感器每探測到一次頭部時(shí)，說明訓(xùn)練者成功完成1次引體向上，稱重模塊測得此刻的上水桶質(zhì)量，將壓力信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)記1次成功次數(shù)，并通過藍(lán)牙將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī).

經(jīng)過對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：雖然在理論理解上方案B比方案A更簡單容易，但方案B精度較低，流速匹配訓(xùn)練者臂力的衰減速度較難實(shí)現(xiàn)，很有可能出現(xiàn)上水桶的水加入過多導(dǎo)致無法起到訓(xùn)練效果的問題，方案A這種間斷性抽水方式使用起來更為靈活，也更符合實(shí)際生活情況，為此具體討論方案A的實(shí)現(xiàn)過程.

1.2 主要硬件模塊介紹

1.2.1 單片機(jī)STC89C52RC

單片機(jī)是整個(gè)器械系統(tǒng)的核心，選STC89C52RC 型號(hào)單片機(jī)，其工作電壓為3.3～5.5 V，工作頻率為[5]0～40 MHz，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和計(jì)數(shù)等多種功能.

1.2.2 對(duì)射式光電傳感器模塊

該模塊中傳感器的發(fā)射器和接收器是分開放置，發(fā)射器發(fā)射紅外光后會(huì)與接收器形成通路，當(dāng)訓(xùn)練者通過對(duì)射式光電傳感器時(shí)，光路就會(huì)被訓(xùn)練者頭部所阻擋，這時(shí)接收器就會(huì)及時(shí)的反應(yīng)并輸出開關(guān)控制信號(hào)[6]. 選用型號(hào)為E3F-5DN1的型號(hào)光電傳感器，其抗干擾能力強(qiáng)，造價(jià)成本低，最大檢測距離可達(dá)5 m，滿足器械要求.

1.2.3 水泵控制模塊

控制模塊元件包括單片機(jī)、繼電器、三極管、紅色發(fā)光二極管、綠色發(fā)光二極管、二極管IN4148、100 Ω電阻R1和100 Ω電阻R2. 串聯(lián)單片機(jī)的所需I/O引腳與電阻R1串聯(lián)接到三極管Q1的基極B. 2種二極管分別代表2種不同的訓(xùn)練狀態(tài)，紅色二極管點(diǎn)亮?xí)r代表“引體向上未成功狀態(tài)”，綠色二極管點(diǎn)亮?xí)r代表“引體向上成功訓(xùn)練狀態(tài)”. 紅色發(fā)光二極管和電阻R2串聯(lián)后連接到+5 V電源VCC上. 同理綠色發(fā)光二極管和電阻R3串聯(lián)后連接到電源VCC. 繼電器線圈的一端接到三極管的發(fā)射極E，另一端接到電源VCC上. 二極管 IN4148聯(lián)在繼電器線圈兩端，用于吸收釋放繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，防止反向電勢擊穿三極管及干擾其他電路. 當(dāng)訓(xùn)練者并未成功完成引體向上，需要一定的配重力，I/O引腳輸出高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈兩端電壓為電源電壓，繼電器吸合，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，水泵開始工作，此時(shí)紅色三極管點(diǎn)亮只是未成功狀態(tài). 反之，當(dāng)配重力足以使訓(xùn)練者完成引體向上時(shí)，I/O引腳輸出低電平，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器線圈兩端由于沒有電位差而釋放銜鐵，繼電器的常開觸點(diǎn)釋放，水泵停止工作[7]. 系統(tǒng)的水泵可以采用目前市面上常見的220 V供電水泵，該水泵出水量適中，滿足引體向上時(shí)對(duì)配重力精準(zhǔn)度的要求,模塊電路見圖2.

圖2 水泵控制模塊電路圖

1.2.4 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊由壓力傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器組成，與STC89C52RC 型號(hào)單片機(jī)相連接，構(gòu)成完整的壓力檢測系統(tǒng). 壓力傳感器選用S型梁體結(jié)構(gòu)稱重傳感器，一端與繩子相連，另一端與上水桶相連，該S型梁體結(jié)構(gòu)稱重傳感器有配套的轉(zhuǎn)換模塊，便于單片機(jī)采集數(shù)據(jù).

該模塊的工作原理是當(dāng)總開關(guān)被打開后，在訓(xùn)練者成功完成引體向上動(dòng)作時(shí)，上水桶到達(dá)地面，壓力傳感器感知上水桶重量，產(chǎn)生力學(xué)量，接著將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成具有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)，經(jīng)放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路后送單片機(jī)進(jìn)行處理[9-10]. 為了延長壓力傳感裝置的壽命，可以在其外圍加上保護(hù)套. 由于水桶重量已知，當(dāng)前水桶質(zhì)量減去初始質(zhì)量即為配重. 配重信息被單片機(jī)暫存，并通過藍(lán)牙通信傳遞給訓(xùn)練者手機(jī). 檢測流程圖如圖3所示.

圖3 壓力檢測流程圖

1.2.5 藍(lán)牙通信模塊

當(dāng)今4種主流的短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分別是近距離無線傳輸(NFC)、ZigBee、無線局域網(wǎng)(WiFi)、藍(lán)牙(Bluetooth). 與其他三者比較，藍(lán)牙4.0擁有耗電量較少、傳輸信息量大、模塊體積較小等優(yōu)點(diǎn)[11]. 該器械的通信模塊核心控制器為TI公司的CC2540藍(lán)牙芯片. 該芯片使用了最新的BLE4.0技術(shù). 它包含了8051內(nèi)核的RF收發(fā)器，可編程閃存，8 kB RAM，以及其他功能十分豐富的配套特征及外設(shè)等. 訓(xùn)練者使用該器械時(shí)，打開手機(jī)藍(lán)牙，與藍(lán)牙模塊連接藍(lán)牙，以串口的方式與單片機(jī)進(jìn)行信息傳遞[12]. 流程示意圖如圖4所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)傳輸方向. 在光電傳感器和壓力傳感器正常工作時(shí)，可以將引體向上的成功數(shù)和配重量實(shí)時(shí)傳遞給手機(jī)設(shè)備，完成人機(jī)互動(dòng).

圖4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

1.3 軟件設(shè)計(jì)

(a)從開始到第1個(gè)引體向上成功

(b)從第2個(gè)引體向上到結(jié)束圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5所示的流程圖說明在使用者無法依靠自己力量完成完整引體向上動(dòng)作時(shí)，單片機(jī)通過繼電器控制水泵以輔助使用者完成動(dòng)作的過程. 程序主要有初始化模塊、光電檢測模塊、水泵控制模塊、配重力測量模塊和藍(lán)牙通信模塊. 訓(xùn)練者打開總開關(guān)，系統(tǒng)上電，單片機(jī)復(fù)位，程序運(yùn)行到主函數(shù)開始處進(jìn)行各模塊初始化，在訓(xùn)練者完成第1個(gè)引體向上之后，程序在while語句的死循環(huán)中一直運(yùn)行，直到訓(xùn)練者關(guān)閉總開關(guān).

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”功能實(shí)現(xiàn)

本智能引體向上訓(xùn)練器融合了“互聯(lián)網(wǎng)+”[13]概念，既有相關(guān)APP可供訓(xùn)練者了解訓(xùn)練信息，也有大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘. 該訓(xùn)練器可以與不同訓(xùn)練者進(jìn)行“一對(duì)一”的相互交流，實(shí)現(xiàn)智能化效果.

2.1 APP主要功能和界面設(shè)計(jì)

2.1.1 登錄界面

登錄界面時(shí)，訓(xùn)練者需要輸入登錄賬號(hào)和密碼，供服務(wù)端進(jìn)行登錄驗(yàn)證. 訓(xùn)練者在登錄后可以按照操作填寫個(gè)人數(shù)據(jù)，包括身高、體重、年齡、職業(yè)等信息. 這些信息被儲(chǔ)存到云端訓(xùn)練者信息數(shù)據(jù)庫，供相關(guān)人員使用.

2.1.2 主界面

手機(jī)APP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用WeX5作為開發(fā)工具，WeX5開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用移植性好，也可以調(diào)用本地的硬件資源，用戶體驗(yàn)優(yōu)良[14]. 在APP主界面(如圖6所示)，訓(xùn)練者可以看到本次訓(xùn)練的引體向上次數(shù)、負(fù)載配重量及訓(xùn)練時(shí)間等信息. 訓(xùn)練者點(diǎn)擊左下方的“周月年”還可以查看訓(xùn)練狀況，訓(xùn)練狀況以曲線圖的形式展現(xiàn)，并在當(dāng)前界面給出訓(xùn)練評(píng)估和建議. 手機(jī)與訓(xùn)練器之間保持藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)互相同步并被儲(chǔ)存到云端，避免訓(xùn)練者數(shù)據(jù)丟失.

圖6 APP界面

2.2 服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本引體向上訓(xùn)練器融合大數(shù)據(jù)理念，訓(xùn)練者進(jìn)行用戶登錄后點(diǎn)擊云端保存按鍵，數(shù)據(jù)就會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至學(xué)校的數(shù)據(jù)中心，并在學(xué)校的數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)存[15]. 這些數(shù)據(jù)被匯總后，被傳遞到后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的識(shí)別、分析和處理. 大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)能夠預(yù)測訓(xùn)練者者的身體健康狀況的趨勢，并通過APP給出有價(jià)值的指導(dǎo)意見. 此外，系統(tǒng)為商家贊助提供廣告與數(shù)據(jù)服務(wù)，可以通過手機(jī)上的APP應(yīng)用，為贊助商提供精準(zhǔn)廣告服務(wù)和大數(shù)據(jù)的支持. 如圖7所示，空心箭頭代表訓(xùn)練時(shí)長，引體向上次數(shù)和配重力等信息的傳輸方向，實(shí)心箭頭代表訓(xùn)練分析與指導(dǎo)信息的傳輸方向. 并通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄W(xué)校的數(shù)據(jù)中心，利用專用軟件與互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理與分析，再把處理結(jié)果反饋給訓(xùn)練者，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，完成教學(xué)督導(dǎo)任務(wù).

圖7 服務(wù)平臺(tái)模型

3 設(shè)備測試及結(jié)果分析

3.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選取大學(xué)二年級(jí)非體育專業(yè)本科男生50人，平均年齡19.5歲，其中有38人引體向上成績未達(dá)到《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)(2014年修訂)》(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)).

3.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)測試指標(biāo)是體重、上臂放松圍和緊張圍、胸圍和引體向上次數(shù).

3.3 實(shí)驗(yàn)分組

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試50名大學(xué)生的引體向上成績.

完成次數(shù)≥7的18名學(xué)生為A組，平均完成次數(shù)7.4個(gè);完成次數(shù)<7的32名學(xué)生為B組，平均完成次數(shù)3.9. A組平均隨機(jī)分成2個(gè)小組，由A1和A2組成，B組平均隨機(jī)分成2個(gè)小組，由B1和B2組成，訓(xùn)練周期為1個(gè)月，在課余時(shí)抽出時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練，每周訓(xùn)練2次，每次訓(xùn)練4組，每組間隔5 min,每組限定時(shí)間為30 s.

A1組每次完成4組訓(xùn)練，每組一開始就使用引體向上訓(xùn)練器使之達(dá)到極限次數(shù). A2組只完成4組極限次數(shù)訓(xùn)練，不增加配重力訓(xùn)練. B1組每次完成4組訓(xùn)練，每組訓(xùn)練先不開啟引體向上訓(xùn)練器，而是在達(dá)到極限次數(shù)后馬上開啟，直到到達(dá)訓(xùn)練極限次數(shù). B2組一直開啟引體向上訓(xùn)練器，始終在配重力的協(xié)助下完成4組訓(xùn)練.

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 A組引體向上訓(xùn)練前后成績對(duì)比

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)A組訓(xùn)練前后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，大二學(xué)生引體向上10次以上達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，A 組參訓(xùn)前平均次數(shù)7.4個(gè)，有11人已達(dá)標(biāo)及格，7人未合格. 訓(xùn)練后平均完成11.0個(gè)，達(dá)標(biāo)率100%，且上臂圍及胸圍均有顯著性增加，實(shí)驗(yàn)證明訓(xùn)練使肌肉體積和力量均有增加.

表1 A組訓(xùn)練前后各指標(biāo)平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

表2 A1和A2組訓(xùn)練前后各指標(biāo)平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

3.4.2 B組引體向上訓(xùn)練前后成績對(duì)比

B 組訓(xùn)練前平均成績3.9個(gè)，全部沒有達(dá)到及格標(biāo)準(zhǔn)，訓(xùn)練后測試成績平均7.9個(gè)，20人達(dá)標(biāo)，12人仍未達(dá)標(biāo)及格. 從中可以看出，使用該引體向上訓(xùn)練器可以使使用者訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到明顯提升. 訓(xùn)練者上臂緊張圍度和放松圍有所增加，但無顯著性增加，胸圍有顯著性增加.

表3 B組訓(xùn)練前后各指標(biāo)平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

表4 B1和B2組訓(xùn)練前后各指標(biāo)平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

4 結(jié)束語

本文以智慧校園中的運(yùn)動(dòng)輔助及督導(dǎo)成果中的智能引體向上器為實(shí)例,具體闡述了其軟硬件實(shí)現(xiàn)過程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 使用該引體向上訓(xùn)練器后，訓(xùn)練者的訓(xùn)練效果有了明顯提升. 訓(xùn)練者使用手機(jī)APP也可以得到專業(yè)化、個(gè)性化的指導(dǎo). 采集的訓(xùn)練者數(shù)據(jù)也為學(xué)校的體育管理機(jī)構(gòu)提供了有用的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ). 從高校教育層面來講，智慧校園中的運(yùn)動(dòng)輔助及督導(dǎo)應(yīng)用實(shí)例相較傳統(tǒng)引體向上訓(xùn)練器的先進(jìn)之處在于結(jié)合當(dāng)下“互聯(lián)網(wǎng)+”的趨勢，打造從訓(xùn)練者APP到云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一站式服務(wù)，并給予一定的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)意見. 運(yùn)動(dòng)輔助及督導(dǎo)與“互聯(lián)網(wǎng)+”的結(jié)合不僅是校園體育運(yùn)動(dòng)信息化建設(shè)的新階段，更是新形勢下校園體育運(yùn)動(dòng)建設(shè)的新變革.

參考文獻(xiàn)：

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