基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式游泳姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

鄭 凱

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

隨著傳感器技術(shù)、 信息與通信技術(shù)的快速發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給可穿戴式醫(yī)療保健裝置的研發(fā)提供了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn).近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多研究單位和企業(yè)都在可穿戴移動(dòng)裝置上開(kāi)展了較多研究，并取得了豐厚的研究成果和經(jīng)驗(yàn).這類(lèi)裝置主要監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)信息(加速度、 速度、 位置等)、 生命體征信息(血糖、 血壓、 心率、 體溫、 血氧含量等)和環(huán)境信息(溫度、 濕度等)等，并結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給出特定的反饋建議[1-3].

目前，不論是用于醫(yī)療中心的疾病康復(fù)治療和運(yùn)動(dòng)損傷恢復(fù)，還是用于專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練中的損傷預(yù)防和動(dòng)作評(píng)估，對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)[4-6].其中，由于游泳運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作不對(duì)稱(chēng)性可以反映出許多脊柱類(lèi)疾病和運(yùn)動(dòng)損傷，游泳運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被認(rèn)為是一種用于康復(fù)治療中非常重要的體育運(yùn)動(dòng)，且水療法也被認(rèn)為是物理療法中主要的治療方式[7].在水中運(yùn)動(dòng)治療和游泳時(shí)，水的浮力減弱了人體重力的影響，這對(duì)脊柱和膝、 踝關(guān)節(jié)等有很好的保護(hù)作用[8]，這也是受傷或手術(shù)后康復(fù)治療選擇游泳的原因之一.此外，游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)自閉癥患者也有很大的好處[9].

針對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，以醫(yī)療中心中物理康復(fù)治療和專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的損傷預(yù)防為主要目的，本研究提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式游泳姿態(tài)測(cè)量的設(shè)計(jì)方案，可在不影響游泳者進(jìn)行游泳鍛煉的情況下實(shí)時(shí)獲取游泳時(shí)的運(yùn)動(dòng)信息(包括加速度信息和身體旋轉(zhuǎn)角信息)，并將其上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，治療師或教練可在上位機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并針對(duì)實(shí)際情況給出反饋意見(jiàn).本文還對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)際測(cè)量的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行了分析處理，對(duì)康復(fù)治療中患者的身體狀況評(píng)估和對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作評(píng)估有一定的參考價(jià)值.

1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本文設(shè)計(jì)的游泳姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由游泳姿態(tài)測(cè)量裝置、 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)三部分組成，如圖 1 所示.在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，游泳姿態(tài)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集游泳者的運(yùn)動(dòng)信息，嵌入式Wi-Fi模塊通過(guò)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)將接收到的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行顯示，供治療師或教練查看.

圖 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的游泳姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of monitoring swimming posture based on internet of things

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)[10]，游泳姿態(tài)測(cè)量裝置屬于感知延伸系統(tǒng)層，包括探測(cè)游泳者運(yùn)動(dòng)信息的三軸加速度傳感器、 三軸陀螺儀傳感器、 嵌入式Wi-Fi模塊和電池； 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)屬于異構(gòu)融合的通信網(wǎng)絡(luò)層，可為已有的無(wú)線(xiàn)路由器，為數(shù)據(jù)傳輸提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋； 上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)屬于服務(wù)用戶(hù)的應(yīng)用層，包括移動(dòng)電腦和監(jiān)測(cè)軟件.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 游泳姿態(tài)測(cè)量裝置硬件設(shè)計(jì)

游泳姿態(tài)測(cè)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，傳感器部分采用6DOF集成傳感器模塊，處理器和通信部分采用嵌入式Wi-Fi模塊.嵌入式Wi-Fi模塊內(nèi)嵌的處理器通過(guò)IIC總線(xiàn)協(xié)議對(duì)傳感器模塊進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)嵌的Wi-Fi模塊通過(guò)IEEE 802.11協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.

圖 2 游泳姿態(tài)測(cè)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of swimming posture monitoring device

2.1.1 集成傳感器模塊

系統(tǒng)所選用的傳感器為MPU-6050傳感器模塊，如圖 3(a) 所示，它集成了16 bits的三軸MEMS加速度計(jì)和三軸MEMS陀螺儀，相比于多組件方案，免除了組合陀螺儀和加速度傳感器時(shí)的軸間誤差，可通過(guò)IIC接口以單一數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.MPU6050芯片中還內(nèi)置了含數(shù)據(jù)濾波算法的數(shù)據(jù)處理子模塊，傳感器輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)的精度很高.其中，三軸加速度計(jì)的測(cè)量范圍可配置為正負(fù)2/4/8/16 g，三軸陀螺儀的測(cè)量范圍可配置為正負(fù)250/500/1 000/2 000 dps(度/秒)，由于游泳運(yùn)動(dòng)中各方向上的加速度幅值和角速度幅值都分別低于2 g和360 dps，因此在本設(shè)計(jì)中將加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量范圍分別設(shè)為2 g和500 dps.由于游泳運(yùn)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)帶寬小于 50 Hz，在本設(shè)計(jì)中采用100 Hz的采樣頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量.

圖 3 游泳姿態(tài)測(cè)量裝置內(nèi)部模塊Fig.3 Internal modules of swimming posture monitoring device

2.1.2 嵌入式Wi-Fi模塊

系統(tǒng)所選用的處理器和通信部分為低功耗嵌入式Wi-Fi模塊EMW3162，如圖 3(b) 所示，它集成了微控制器(STM32F205)和無(wú)線(xiàn)通信模塊，微控制器中內(nèi)嵌了包含TCP/IP協(xié)議棧、 Wi-Fi射頻驅(qū)動(dòng)等的軟件庫(kù)，具有快速聯(lián)網(wǎng)速度、 高效事件處理機(jī)制等特性，可實(shí)現(xiàn)20 Mbps的傳輸速度.內(nèi)嵌處理器通過(guò)IIC接口讀取傳感器模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)，WLAN子模塊將TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合以IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基帶信號(hào)，經(jīng)2.4 GHz 射頻調(diào)制后通過(guò)板載PCB天線(xiàn)或外置天線(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.該模塊內(nèi)嵌的軟件庫(kù)采用標(biāo)準(zhǔn)的BSD socket API為基礎(chǔ)，結(jié)合簡(jiǎn)單易用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置API，可以很方便地建立與上位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速傳輸.

2.2 游泳姿態(tài)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的游泳姿態(tài)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為避免軟件平臺(tái)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)在多任務(wù)多線(xiàn)程下占用資源過(guò)多的問(wèn)題，采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，將其結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊，如圖 4 所示，包含網(wǎng)絡(luò)通信模塊、 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊.監(jiān)測(cè)軟件界面如圖 5 所示.

圖 4 游泳姿態(tài)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of swimming posture monitoring software

圖 5 游泳姿態(tài)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)界面Fig.5 Swimming posture monitoring platform

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要是基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)與游泳姿態(tài)測(cè)量裝置之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，波特率、 端口等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置等任務(wù).在本系統(tǒng)中，游泳姿態(tài)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)被設(shè)置為T(mén)CP/IP服務(wù)器，游泳姿態(tài)測(cè)量裝置設(shè)置為T(mén)CP/IP客戶(hù)端，當(dāng)客戶(hù)端通電運(yùn)行后，會(huì)根據(jù)靜態(tài)IP自動(dòng)連接服務(wù)器，建立網(wǎng)絡(luò)連接后在監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)上顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài).

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)游泳姿態(tài)測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)讀取功能.在監(jiān)測(cè)平臺(tái)與游泳姿態(tài)測(cè)量裝置之間建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信后，如果游泳姿態(tài)測(cè)量裝置獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，TCP接收緩存中會(huì)接收到數(shù)據(jù)，模塊實(shí)時(shí)從緩存中讀取數(shù)據(jù)并將其傳遞到下一個(gè)模塊.

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、 存儲(chǔ)和顯示等.根據(jù)6DOF集成傳感器的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提取三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的單軸數(shù)據(jù)，然后將其以波形圖的方式進(jìn)行顯示，并存儲(chǔ)為表格文件，便于未來(lái)分析和查閱數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)選擇人體下背部(約位于人體重心垂線(xiàn)上)為游泳姿態(tài)測(cè)量裝置佩戴部位，完成防水防護(hù)后用定制的腰帶將其固定在被測(cè)試者身上，如圖 6 所示.為了獲得標(biāo)準(zhǔn)的游泳姿態(tài)信號(hào)，測(cè)試者選擇為專(zhuān)業(yè)的游泳教練(男，36歲)，采用不同泳姿在中北大學(xué)游泳館(游泳池長(zhǎng)度為50 m，如圖 7 所示)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

圖 6 游泳姿態(tài)測(cè)量裝置佩戴圖Fig.6 Wearing diagram of monitoring device

圖 7 中北大學(xué)游泳館Fig.7 Swimming pool of NUC

實(shí)驗(yàn)一為測(cè)試者分別采用高強(qiáng)度蝶泳、 仰泳、 蛙泳和自由泳4種泳姿進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量裝置連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)試者身體的加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)，如圖 8 所示.由于仰泳和自由泳是游泳康復(fù)治療鍛煉中最受歡迎的泳姿，實(shí)驗(yàn)二針對(duì)這兩種泳姿開(kāi)展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，測(cè)試者分別采用3種游泳強(qiáng)度的仰泳和自由泳進(jìn)行測(cè)試(測(cè)試順序?yàn)榈蛷?qiáng)度仰泳、 中強(qiáng)度仰泳、 高強(qiáng)度仰泳，低強(qiáng)度自由泳、 中強(qiáng)度自由泳、 高強(qiáng)度自由泳)，連續(xù)監(jiān)測(cè)的加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)如圖 9 所示.

圖 8 蝶泳、 仰泳、 蛙泳、 自由泳對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)Fig.8 Signals of butterfly, backstroke, breaststroke and front crawl

圖 9 低、 中、 高強(qiáng)度的仰泳和自由泳對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)Fig.9 Signals of backstroke and front crawl with three swimming intensities

由上述兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文中的游泳姿態(tài)測(cè)量裝置，可以實(shí)時(shí)獲取人體游泳時(shí)的三軸加速度信息和三軸陀螺儀信息，經(jīng)簡(jiǎn)單分析后可為康復(fù)治療師提供準(zhǔn)確的人體身體狀況信息.其中，人體游泳時(shí)的各軸加速度AX,XY和AZ大小都不超過(guò)±2g0，各軸角速度ωX,ωY和ωZ大小不超過(guò)±340 deg/s，且游泳動(dòng)作的頻率f在2 Hz以下.

3.2 數(shù)據(jù)分析

由于佩戴的游泳姿態(tài)測(cè)量裝置中傳感器的X軸與人體中軸線(xiàn)對(duì)齊，所以X軸數(shù)據(jù)表示人體前進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)信息，Y軸數(shù)據(jù)表示人體左右兩側(cè)方向上的運(yùn)動(dòng)信息，Z軸表示人體上下垂直方向上的運(yùn)動(dòng)信息.

根據(jù)圖 8 中4種泳姿的運(yùn)動(dòng)信息可知，只有仰泳對(duì)應(yīng)的Z軸加速度數(shù)據(jù)為負(fù)值，這恰好與只有仰泳面部朝上的游泳姿勢(shì)相符合； 只有仰泳和自由泳對(duì)應(yīng)的Y軸陀螺儀數(shù)據(jù)幅值很大，這與仰泳與自由泳需要左右轉(zhuǎn)動(dòng)身體的特點(diǎn)相符合； 只有蝶泳和蛙泳對(duì)應(yīng)的X軸陀螺儀數(shù)據(jù)和Z軸加速度數(shù)據(jù)的幅值很大，這與蝶泳和蛙泳主要依靠XZ平面運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)相符合； 但是蝶泳和蛙泳對(duì)應(yīng)的X軸陀螺儀數(shù)據(jù)的波形形狀明顯不同，這是由于這兩種泳姿的肢體動(dòng)作不同.因此，可以直接根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)信息特點(diǎn)進(jìn)行人體泳姿識(shí)別.

根據(jù)圖 9 中不同強(qiáng)度仰泳和自由泳的運(yùn)動(dòng)信息明顯可知，兩種泳姿的X軸加速度幅值與角速度頻率都隨著游泳強(qiáng)度的增加而增加.根據(jù)仰泳和自由泳泳姿的特點(diǎn)，人體左右兩側(cè)動(dòng)作相似且交替發(fā)生； 同時(shí)測(cè)量裝置的X軸方向與人體中軸線(xiàn)一致，Y軸的運(yùn)動(dòng)信息(特別是Y軸角速度信息)是一個(gè)有較強(qiáng)規(guī)律性的簡(jiǎn)單周期信號(hào)，表示人體在游泳時(shí)的左右旋轉(zhuǎn)角速度，利用式(1)對(duì)其積分可得人體游泳時(shí)的旋轉(zhuǎn)角.本文提取實(shí)驗(yàn)二中不同強(qiáng)度和泳姿的旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并以其為基本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖10中為中強(qiáng)度仰泳和自由泳過(guò)程中人體相對(duì)于中軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角曲線(xiàn).

(1)

圖 10 中強(qiáng)度仰泳和自由泳的旋轉(zhuǎn)角信號(hào)Fig.10 Rotation angle for backstroke and front crawl with medium swimming intensities

由圖 10 可看出，旋轉(zhuǎn)角可清楚地記錄人體的游泳節(jié)奏，具有良好的信號(hào)特征.結(jié)合信號(hào)分析技術(shù)，還可提取信號(hào)周期、 最大值和最小值，用于表示游泳動(dòng)作周期和向左右兩側(cè)旋轉(zhuǎn)角大小.這些信息很難直接通過(guò)人眼進(jìn)行準(zhǔn)確觀察，可以作為反饋信息提供給康復(fù)治療師用于游泳康復(fù)治療訓(xùn)練，或者提供給專(zhuān)業(yè)教練用于預(yù)防專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練損傷.

如圖 10 所示，分別對(duì)中強(qiáng)度仰泳和自由泳的旋轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行最大值(左手動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角)、 最小值(右手動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角)提取，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間確定左手動(dòng)作周期TL(左手動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間)和右手動(dòng)作周期TR(右手動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間).同理，分別提取低、 中、 高強(qiáng)度的仰泳和自由泳運(yùn)動(dòng)信息中人體旋轉(zhuǎn)角信號(hào)，并求取最大值、 最小值和左右手動(dòng)作周期.

圖 11 表示低、 中、 高強(qiáng)度的兩種泳姿下左手和右手動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)圖.明顯可知，低強(qiáng)度游泳的旋轉(zhuǎn)角比高強(qiáng)度游泳的要大.圖 12 表示低、 中、 高強(qiáng)度的兩種泳姿左手和右手的動(dòng)作周期散點(diǎn)圖.明顯可知，低強(qiáng)度游泳的動(dòng)作周期比高強(qiáng)度游泳的要長(zhǎng).綜合圖 11 和圖 12 的結(jié)果可知，低強(qiáng)度游泳的動(dòng)作幅度要大于高強(qiáng)度游泳，且低強(qiáng)度游泳的動(dòng)作周期要比高強(qiáng)度游泳長(zhǎng)，這與測(cè)試者實(shí)際的游泳動(dòng)作特點(diǎn)相符合.

圖 12 低、 中、 高強(qiáng)度仰泳和自由泳的左右手的動(dòng)作周期散點(diǎn)圖Fig.12 Stroke periods for backstroke and front crawl with three swimming intensities

在游泳康復(fù)治療訓(xùn)練中，治療師通常會(huì)要求游泳者按照某特定強(qiáng)度和頻率去游泳； 在專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練和動(dòng)作評(píng)估中，教練也會(huì)要求運(yùn)動(dòng)員按照特定強(qiáng)度和頻率去完成一系列游泳動(dòng)作.因此，在特定強(qiáng)度和頻率的游泳過(guò)程中，游泳者左右手動(dòng)作的旋轉(zhuǎn)角大小和動(dòng)作周期基本保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值.如果游泳者在游泳過(guò)程中疲勞程度增加，游泳者會(huì)用盡全力維持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但在動(dòng)作控制的精度上會(huì)有越來(lái)越大的偏差，因此可用一定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角大小的方差來(lái)評(píng)估游泳者的疲勞程度.如果游泳者的身體存在某些脊柱疾病、 損傷或肢體損傷，在游泳過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定程度上的左右手動(dòng)作不對(duì)稱(chēng)，因此可以用左右手動(dòng)作旋轉(zhuǎn)角的差值和左右手動(dòng)作周期的差值來(lái)評(píng)估游泳左右動(dòng)作的不對(duì)稱(chēng)性.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式游泳姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，可在不影響游泳運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)獲取游泳者的運(yùn)動(dòng)加速度信息和身體旋轉(zhuǎn)角速度信息，并將其上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，文中提出的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)游泳者的身體狀況和游泳動(dòng)作的評(píng)估有一定的參考價(jià)值.該系統(tǒng)可應(yīng)用于游泳康復(fù)治療和游泳運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的動(dòng)作對(duì)稱(chēng)性、 疲勞程度和動(dòng)作幅度等評(píng)估，也可應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)游泳教學(xué)和訓(xùn)練中的動(dòng)作規(guī)范等.