基于無線傳感技術的跑步訓練輔助系統(tǒng)設計?

王小輝，李圣普

（平頂山學院計算機科學與技術學院，平頂山467002）

基于無線傳感技術的跑步訓練輔助系統(tǒng)設計?

王小輝，李圣普

（平頂山學院計算機科學與技術學院，平頂山467002）

跑步是最常見的體育競技項目，現(xiàn)有跑步運動員中訓練設計的電子輔助系統(tǒng)很少，一般使用有線傳輸數(shù)據(jù)，僅能顯示時間信息而未將資料數(shù)據(jù)存儲管理。用Zigbee無線傳輸技術取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，整合Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設計與實現(xiàn)的跑步運動員訓練輔助系統(tǒng)，不僅具有訓練現(xiàn)場任意分段距離組合的精確計時功能，而且還有訓練后的數(shù)據(jù)資料分析與管？功能，可協(xié)助教練或個人在訓練后分析訓練情況及如何提高成績。

輔助訓練；遠程監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；蜂窩網(wǎng)絡；無線傳感網(wǎng)絡；節(jié)點

1 引 言

國內(nèi)外每年都舉辦各種運動賽事，而賽跑項目是每一個田徑運動會上不可缺少的競技項目，運動員為了比賽時有好成績，平日無不積極訓練，充分運用高科技的輔助系統(tǒng)對于運動員訓練有很大幫助，然而專為跑步運動員訓練設計的電子輔助系統(tǒng)并不多見。現(xiàn)今市場中可找到一些產(chǎn)品［1］，大都使用有線傳輸且其系統(tǒng)線路復雜，也僅能顯示時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)簡單以及低功率的無線通訊技術，Zigbee被廣范應用于智慧型住宅、醫(yī)療照護及工廠自動化等，并已發(fā)揮很好的功能效果［3－4］。對比現(xiàn)有跑步運動員訓練輔助系統(tǒng)的功能與系統(tǒng)架構(gòu)，文中以Zigbee無線傳輸技術取代現(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無線收發(fā)技術、Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設計并實現(xiàn)一個新型跑步運動員的訓練輔助系統(tǒng)，以改進現(xiàn)有訓練輔助系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能設計的總體思路是：應用Zigbee無線網(wǎng)絡廣播的功能，將起跑信號以無線方式同步傳送到遠端計時子系統(tǒng)，達到精確計時的功能，應用于訓練跑步運動員的任意距離組合的分段記時。遠端計時子系統(tǒng)則以點對點方式傳輸數(shù)據(jù)到后端資料管理系統(tǒng)，所有訓練數(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練效果中的各種因素，例如運動強度、頻率與持續(xù)時間等，協(xié)助使用者了解個人練習與訓練狀況［5－9］。

系統(tǒng)主要劃分為3個子系統(tǒng)：①架設于起跑線處負責啟動計時的起跑端子系統(tǒng)；②架設在任意設定的跑道位置處負責分段計時的遠端計時子系統(tǒng)；③后端資料管理與分析系統(tǒng)。跑步訓練輔助系統(tǒng)的訓練場布置如圖1所示。

圖1 訓練場布置

各子系統(tǒng)功能分述如下：

（1）起跑端子系統(tǒng)：架設于起跑線處，以感應槍聲或電子起跑架信號為計時起點，開始啟動計時器并同時以Zigbee無線網(wǎng)絡廣播的功能，將起跑訊號以無線方式同步傳送到遠端計時子系統(tǒng)同步啟動計時，并具有計時顯示功能。

（2）遠端計時子系統(tǒng)：可以架設在任意設定的跑道位置處，并于此處跑道左右兩側(cè)架設紅外線感應裝置。具備無線接收自起跑端子系統(tǒng)送來的起跑訊號，并啟動計時與顯示功能，當紅外線偵測跑步者到達感測點時，系統(tǒng)儲存到達計時間并同時回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)。當用于長距離跑步訓練時，可以儲存多組時間資料并可隨時選擇讀取這些資料。

（3）后端數(shù)據(jù)資料管理：接收各個遠端計時子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料，并具備儲存、整理與分析的功能，協(xié)助使用者了解個人訓練狀況。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

依據(jù)前述系統(tǒng)規(guī)劃建構(gòu)跑步運動員的訓練輔助系統(tǒng)，依各子系統(tǒng)的功能，硬件架構(gòu)設計如下：

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

確認起跑信號以Zigbee同步傳送到各子系統(tǒng)，同時亦需計時與顯示。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）遠端計時子系統(tǒng)：采用Megawin MCU（MPC82G516）整合紅外線感測器與Zigbee無線收發(fā)模塊。MCU控制Zigbee無線收發(fā)模塊接收來自起跑端子系統(tǒng)的起跑信號，當紅外線偵測跑步者到達感測點時，本子系統(tǒng)儲存到達時間并同時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 遠端計時子系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）后端數(shù)據(jù)資料管理：包括后端數(shù)據(jù)資料管理平臺與Zigbee無線收發(fā)模塊，其中Zigbee無線收發(fā)模塊接收來自遠端計時子系統(tǒng)的計時信號，并以筆記型電腦架設后端數(shù)據(jù)資料管理平臺，撰寫Labview及MySQL資料庫等軟體，完成人機操作界面以及資料分析處理功能。服務器管理端架構(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)軟件設計

整合前述硬件架構(gòu)設計實現(xiàn)跑步訓練輔助系統(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，其程序設計如下：

起跑端子系統(tǒng)：先偵測起跑信號（感應槍聲或電子起跑架信號），當接收到起跑信號時開啟計時器，并控制Zigbee無線收發(fā)模塊以廣播方式傳送起跑信號到遠端計時子系統(tǒng)。程序關鍵代碼如下：

遠端計時子系統(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，當接收到起跑信號時同步啟動計時器，當紅外線偵測跑步者到達感測點時，系統(tǒng)儲存到達時間并同時回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)；系統(tǒng)可以儲存多組時間資料并可隨時選擇讀取這些資料。程序關鍵代碼如下：

后端數(shù)據(jù)資料管理：程序判斷是否接收到遠端計時子系統(tǒng)的計時信號，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。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計及第三部分軟件設計完成跑步訓練輔助系統(tǒng)原型，包括起跑端、遠端計時以及后端資料管理與分析等三個子系統(tǒng)。

遠端計時子系統(tǒng)使用時，當開關開啟時計時歸零，并等待Zigbee無線收發(fā)模塊接收起跑訊號后開始計數(shù)；可使用按鍵控制選擇Reset及讀取3筆前次通過該點的碼表數(shù)據(jù)（每按一次按鍵顯示一筆數(shù)值，第4次為返回碼表即時顯示模式）。

系統(tǒng)原型制做與測試中，碰到Zigbee無線收發(fā)受到雜訊與WiFi信號的干擾非常嚴重，在此采用Shorted將外在雜訊透過鐵片接地方式降低雜訊干擾，并設計窄頻天線（天線的設計不在這里探討）改善接收訊號效果，減少無線傳輸時發(fā)生資料遺失的機率。

系統(tǒng)原型進行以下功能測試，以驗證成品具有所規(guī)劃的功能并正常運作。

紅外線遮罩測試：當紅外線產(chǎn)生遮罩時則點亮LED燈號；

資料回傳測試：進行遠端計時子系統(tǒng)回傳到后端資料數(shù)據(jù)管理的傳輸測試；

后端管理平臺：后端數(shù)據(jù)資料管理平臺中可輸入跑者姓名、日期、總距離、各端距離。接收起跑端起跑信號同步開啟計時，平臺上具備整理與分析各個遠端計時子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料與顯示，并可依當日測試狀況決定是否儲存到MySQL資料庫，同時具備分析平均速度與短距離的順時速度等功能。

5 結(jié)束語

以循序漸進的方式設計與整合Zigbee無線傳輸模塊、Megawin控制單晶片（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，從系統(tǒng)設計、程序撰寫和系統(tǒng)測試，完成跑步運動員的訓練輔助系統(tǒng)。可以應用于訓練跑步運動員的任意距離組合的分段記時，所有訓練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，幫助用戶了解個人詳細訓練狀況。

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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

河南省重點科技攻關項目（142102210225）；平頂山學院青年基金資助項目（20120016）

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

2015－02－13