籃球技術與體能測評系統的設計與實現

宋 薇，胡 廣，王瑞華

（1.湖北廣播電視大學，湖北武漢430074 2.武漢大學資源與環境學院，湖北武漢430079）

籃球技術與體能測評系統的設計與實現

宋 薇1，胡 廣2，王瑞華1

（1.湖北廣播電視大學，湖北武漢430074 2.武漢大學資源與環境學院，湖北武漢430079）

本系統借助現代計算機技術，構建籃球技術與體能測評系統，在數據采集部分，專項測試儀器可以進行實時多參數檢測和快速反饋測試數據，并把現場模擬信號轉換成計算機能處理的數字信號，并通過無線網絡發送給服務器；在數據處理部分，數據處理軟件采用C/S架構，并用微型計算機為監控處理器，該軟件通過無線網絡能實現數字信號的接收、邏輯處理以及自動評分；在數據分析部分，數據分析軟件采用B/S架構，數據分析軟件可以對測試數據進行智能化、網絡化分析，在研究人員現場分析技術動作時，數據分析軟件為其提供精確的科學依據。

籃球技術；體能測評；傳感器

引言

近年來運動員體能訓練評價成為了國內外體育領域研究的熱點，特別是歐美等體育強國，非常注重對運動員體能的研究。世界上籃球體能訓練領域最具權威性的兩大機構是美國國家體能訓練協會NSCA(National strength and conditioning association)和AP(AthleticPerformance)訓練基地[1][2]。我國對運動員體能訓練的研究起步較晚，我國在籃球這樣的對抗性運動項目上表現出了對運動員體能訓練的不足，而籃球運動員的體能是籃球運動員競技能力的關鍵。

本系統主要解決如下3個問題：

（1）改變傳統測試工作方式

傳統測試工作方式是人工操作，測試必須有大量的裁判員參與，裁判員手工記錄測試數據，并根據運動員個人身體特征（身高、年齡、體重），參照評分標準，手工折算出每位運動員的最終成績。該測試方式的缺點：工作人員數量多；測試時間長、速度慢；產生的測試數據不準確。

（2）改善當前體能訓練評價方法片面化

當前體能訓練評價往往會忽略籃球運動員動作能力測評，更多在于對身體機能的評價，這會導致教練員在調整運動員的體能訓練計劃時缺乏科學依據。

（3）改變當前體能測評方式的局限性

目前體能訓練中籃球框及場地都是固定的，在這些固定的區域進行體能監測，這會導致無法直接測量一些重要的運動參數（加速度、線速度、角速度）。

1 系統組成設計

本系統由3部分組成：專項測試儀、數據處理軟件和數據分析軟件。專項測試儀由微處理器、接口電路、傳感器共同組成，其中微處理器是核心控制器件，微處理器與接口電路、傳感器組成數據采集前端。本系統采用的技術有集成電路技術、傳感器技術、無線網絡技術、計算機信息等高新技術，利用這些技術實現籃球訓練中4組15m×17次往返跑專項速度耐力測試與內外線強度投籃測試。本系統結構如圖1所示。

2 系統功能模塊設計

本系統將用戶分為運動員、管理員、裁判員、總裁判長4種類型[3]。本系統的功能模塊為:運動員模塊、總裁判長功能模塊、管理員功能模塊、測試硬件系統模塊。其運動員模塊實現信息錄入及公告瀏覽；總裁判長模塊實現運動員成績查詢；管理員模塊實現成績管理、測試成績評分分析、評分標準錄入等；測試硬件系統模塊實現傳感器數據采集、數據轉換處理及數據傳輸。本系統功能模塊如圖2所示。

圖1 系統結構

圖2 系統功能模塊

3 數據庫設計

《2011年CBA、WCBA專項身體素質和技術測試內容和評價辦法》中的強度投籃及專項速度耐力的說明包含：測試內容、測試目的、測試場地、測試方法、測試要求、成績記錄及達標評定以及測試流程。根據這些說明，詳細分析數據需求，進而設計出數據庫的概念模型。概念模型如圖3所示。

4 專項測試儀設計

專項測試儀由RFID傳感器、紅外光電傳感器、無線路由器、終端微機組成。RFID傳感器用于運動員的刷卡檢錄，任何時候的運動員身份標示；紅外光電傳感器用于數據采集，無線路由器用于數據傳輸，終端微機用于提供操作界面及結果顯示界面。

4.1 配置置無線路由器

無線路由器名稱：bt_Network

圖3 籃球技術與體能測評系統概念模型

其功能是感知運動員的RFID數據并發回服務器，發回服務器的數據格式為：#07%0014*4C55578B $。其中“#”為起始符；“07”為傳感器類型，即RFID傳感器數據；“0014”為傳感器組的序號，可以標定發出數據的傳感器位置；“%”和“*”為隔離符號；“BDD8902D”為讀到的RFID卡號，即運動員的數據庫中的標示；“$”表示為結束符。兩個跑道采用兩個RFID傳感器設備。

1統計方式：將時間和RFID卡號存到數據庫，為最終統計提供數據基礎。

2配置RFID傳感器

配置RFID 0014:

配置RFID 0011:

4.4 投籃測試裝置系統配置

本裝置安裝在籃框上，靠近籃框固定籃板位置，用于感知籃球通過籃框這個動作，并將感知到命中狀態時的狀態與時間通過無線通信裝置發回服務器，在服務器側實現各種統計功能，并將測試成績通過適當的顯示媒體進行顯示。

發回服務器的格式：

#c11,20231607,1,1,1,1,$。其中“#”為起始符；“c”為傳感器組類型，即有四組傳感器狀態值；“11”為傳感器組的序號，可以標定發出數據的傳感器位置；“20231542”為感知到這個狀態時的裝置時間，單位為毫秒（ms）；“1,0,0,0,”分別為傳感器的狀態值，“1”代表沒有被切割到，“0”代表傳感器感知到切割這個動作；像例中所示，籃球切割了右邊三個傳感器，所以球是在籃框內靠右位置落下；如“0,0,0,1,”則相反球是在籃框內靠左位置落下；如“0,0,0,0,”則是在籃框正中間落下；如出現一個或兩個“0”時，則不動作，認為沒有出現籃球投中的事件，此為擇多判決；“$”表示為結束符。

1統計方式：將時間和狀態傳入數據庫。

2配置紅外光電傳感器

配置C11：

4.5 專項速度耐力測試裝置系統配置

本裝置安裝到標準籃球場地的兩端，共有兩個跑道（4個紅外光電傳感器），用于感知運動員的踩線狀態和踩線的起始及結束時間，最后將測試數據傳回服務器，服務器端經過邏輯處理及分析，將相應的成績結果通過顯示設備顯示出來。

發回服務器的數據格式為：

其中#b01,159066,1,1,$?！?”為起始符，“b01”是傳感器的編號，“159066”是一個相對時間，“1,1”是代表傳感器的一個狀態（正確踩線后會變成“0.，0”），$表示為結束符。

1統計方式：時間和狀態發回服務器。

2配置紅外光電傳感器

配置b01：

配置b02：

配置b03：

配置b04：

5數據處理軟件設計

數據處理軟件基于C/S模式，傳感器將數據通過無線網絡傳輸到服務器，數據處理軟件實現傳感器數據采集，數據處理軟件根據運動員身高、體重、年齡等評分標準，對運動員測試結果進行自動評分及顯示。

5.1 4組15×17往返跑數據采集及數據處理

數據采集及數據處理部分利用C#語言在Visual Studio 2010集成環境下，采用多線程網絡編程，通過C#中Socket類接收從傳感器發出的數據，原始的數據是類似#b01,159066,1,1,$其中b01是傳的感器編號，159066是一個相對時間，1,1是代表傳感器的一個狀態（正確踩線后會變成0，0），$表示一條記錄的結束。程序要獲取的就是傳感器的0,0狀態。程序從第一次獲取0,0狀態時開始計時，記錄傳感器編號，計數器加1，記錄此時傳感器的相對時間，發出收到0,0狀態信號，再次當獲取到0,0時，先查看上次獲取的0,0時的傳感器編號，如果是一樣的，屬于一次踩線，發送了多條記錄按一次處理，如果不是一樣的，記錄這次的傳感器編號，踩線次數加1，如果踩線次數達18次，記錄此時傳感器的相對時間，并計算考試時間，將考試時間顯示在顯示器。最后將18次踩線的記錄和考試所用的時間插入數據庫。同時語音提示18次跑完休息兩分鐘，定時器進入兩分鐘倒計時，倒計時到20秒時，語音提示進行組刷卡檢錄測試。直到4組測試完，最后顯示出4組的平均成績。

5.2 內外線強度投籃數據采集及數據處理

120秒投球部分的傳感器發送出來的數據是類似#c11,20219998,1,1,1,1,$，其中#c11是傳感器編號，20219998是相對時間，1,1,1,1是傳感器狀態（投中時會有至少3個0），$一條記錄的結束標志。程序主要是獲取一條記錄中表示傳感器狀態中的0的個數，如果有3個或者3個以上，與上次出現有3個或3個以上0的狀態時間相差3秒以上（防止一次投中多次記錄）滿足且在120秒內，投籃計數器加1。當120秒結束，程序統計有效投中次數，并將數據插入數據庫。

6數據分析軟件設計

數據分析軟件基于B/S模式，系統用戶可以利用Internet對運動員的技術與體能測試結果進行查詢以及智能化評比與評估。測試數據分析軟件主要實現對SQL Server數據庫中運動員信息及測試成績信息進行查詢及統計,另外，實現運動員測試成績的智能化分析,并把得出的相應結果利用圖表的方式顯示出來。其圖表可以按照單人4組往返跑成績顯示；各隊平均成績顯示；按位置各隊平均成績顯示。

6.1 B/S模式

B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）模式在Web開發中得到了普遍使用，在這種網絡結構模式中，客戶端采用瀏覽器作為終端軟件。另外，該模式下服務器承擔了系統功能實現的核心部分，這使得系統的開發、維護和使用都得到了簡化。該模式的特點是：客戶機上只需安裝一個瀏覽器（Browser），服務器上安裝數據庫。采用該模式設計的系統，其工作原理是：客戶端軟件（瀏覽器）通過WebServer同服務器端數據庫進行數據交互。

基于B/S模式的系統能夠在方能上網的任何地就在不安裝專門的應用軟件的情況下進行操作，客戶端幾乎達到零安裝、零維護。并且，系統的擴展非常容易。隨著AJAX技術的發展，致使B/S模式越來越普遍，在B/S模式程序中使用AJAX技術可以讓客戶端進行部分程序處理，致使服務器的負擔得到了減輕，并且交互性得到了增強，同時也能實現在不重新加載網頁的情況下進行局部實時刷新。

6.2 數據分析軟件的功能

用戶及權限如下：

運動員：成績及信息查找，可以按編號、位置、角色進行查找；排序，按身高、體重、成績進行升序和降序排序。

管理員：運動員用戶添加，運動員信息查詢及修改；判員信息添加及修改。

裁判員：運動員成績統計，按單人四組往返跑成績統計、各隊平均成績統計、按位置各隊隊員平均成績統計。

7結束語

文中的工作包括：

1數據采集的設計及實現，通過將傳感器、網絡、計算機組合在一起，完成信號的檢測，把傳感器電信號轉換成數字信號，然后傳輸到計算機中進行處理。

2數據處理軟件的設計及實現，通過多線程網絡編程接收傳感器發送數據信息，然后對數據進行分析及邏輯處理進而轉換成運動員測試數據信息，然后保存信息到數據庫中。

3數據分析軟件的設計及實現，采用MVC架構，SQL Server數據庫實現數據分析軟件設計，主要實現的功能是：管理員對運動員及裁判員信息的管理，運動員查詢成績，裁判員對運動員成績的管理及查詢，成績的圖表顯示等。

在未來的研究工作中，要解決啟動與結束時間的啟動與同步問題。不同的旋轉方式會影響測試人員的觸線成功率與測試成績，需要對觸及邊線的測試規則進行重點提示與說明。針對投籃測試不同角度投籃數據的覆蓋問題，考慮采用多組傳感器進行光線切割，需要對傳感器安裝模式進行實驗。研究多傳感器融合算法，對籃球進籃的瞬時片斷進行深入分析。

[1]MUJIKAI.Tapering and peaking for optimal performance [M].Human Kinetics,2009.

[2]WILHELMP,MONIERE,THOMASP,et al.Spa-a system for analysis of indoor team sports using video tracking and wireless sensor network.[C].Image and Signal Processing andAnalysis,2009.ISPA 2009.Proceedings of 6th International Symposium on.IEEE.2009:23.

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（責任編輯：李影丹）

On Design and Realization of Basketball Technique and Physical Fitness

SONG Wei1,HU Guang2,WANG Rui-hua1
（1.Hubei Radio&Television University,Wuhan,Hubei 430074;
2.School of Resource and Environmental Science,Wuhan University,Wuhan,Hubei 430079）

By the means of modern computer technology,the system constructs monitoring system of basketball technique and physical fitness.Special test equipment can realize real-time multi-parameter detection and rapid feedback，which can transforms electrical signals of the sensors into computer digital signal and send digital signal to server through wireless network;In the aspect of data processing,data processing software which based on C/S architecture used a microcomputer as monitor processor,which can realize the receiving of digital signal,the logic processing of data and automatically scores after the server processes the incoming signal;In the data analysis,the data analysis software based on B/S architecture,in addition,the software can realize intelligent and network-based data analysis and the software provided accurate scientific basis for researchers at the scene analysis technique.

basketball technique;physical fitness;sensor

G841

A

1008—7427（2016）06—0028—04

2016—06—22

湖北省教育廳科學研究計劃項目“基于WSN與.net平臺的大學生體質測試管理信息系統研究”（B2014185）。

宋薇（1981—），女，湖北武漢人，博士，湖北廣播電視大學副教授，研究方向：計算機應用。