基于ZigBee的跑步訓練輔助系統研究

摘 要： 賽跑是運動會最常見的競技項目，然而專為跑步運動員訓練設計的電子輔助系統卻很少，都使用有線傳輸數據且線路復雜，僅能顯示時間信息而未將資料數據做管理。這里采用ZigBee無線傳輸技術取代現有系統的有線傳輸，整合ZigBee無線傳輸技術、Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設計與實現跑步運動員訓練輔助系統，不僅具有訓練現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據資料分析與管理功能，可協助教練或個人在訓練后分析訓練情況以及如何提高成績。

關鍵詞： 輔助訓練； 蜂窩網絡； 無線傳感網絡； 紅外線感測

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0062?03

Research on ZigBee?based training auxiliary system for running athletes

LI Shengpu， WANG Xiaohui

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467002， China）

Abstract： Race is one of the most common sport items， but there are few electronic aided systems for the running athletes training， in which wire is used to transmit data， its circuit is very complex， and only time information can be displayed， but the data management is not considered. Therefore， ZigBee wireless transmission technology was adopted to replace the wire transmission of the existing system， and the running athlete training aided system was designed and implemented by integrating the ZigBee wireless transmission technology， Megawin microcontroller， infrared sensing and voice sensing element. This system not only has precise timing function of any segment distance combination in the training spot， but also has data analysis and management functions after training， which can help coach or runner to analyze the training state and improve the training performance.

Keywords： auxiliary training； ZigBee； WSN； infrared sensing

跑步是最常見的運動形態，國內外每年都舉辦有大大小小的各種運動賽事，而賽跑項目是每一個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對于運動員的訓練有很大的幫助，然而專為跑步運動員訓練設計的電子輔助系統并不多見。現今市場中可找到一些產品[1]，大都使用有線傳輸且其系統線路復雜，也僅能顯示時間信息而未將資料數據做管理。ZigBee為一種短距離、低傳輸率、架構簡單以及低功率的無線通信技術，常被廣范應用于智慧型住宅、醫療照護及工廠自動化等，并已發揮很好的功能效果[2]。對比現有跑步運動員訓練輔助系統的功能與系統架構，本文以ZigBee無線傳輸技術取代現有系統的有線傳輸，并新增后端的數據資料管理功能，整合ZigBee 無線收發技術、Megawin 單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設計與實現一個新型跑步運動員的訓練輔助系統，以改進現有訓練輔助系統的功能。

1 系統功能與硬件架構設計

1.1 系統功能設計

系統功能設計的總體思路是：應用ZigBee無線網路廣播功能，將起跑信號以無線方式同步傳送到遠端計時子系統，達到精確計時的目的，應用于訓練跑步運動員的任意距離組合的分段計時。遠端計時子系統則以點對點（peer?to?peer） 方式傳輸數據到后端資料管理系統，所有訓練數據存儲于后端資料管理系統。此數據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（intensity）、頻率（frequency）和持續時間（duration）等，協助使用者了解個人練習與訓練狀況。系統主要劃分為3個子系統：

（1） 架設于起跑線處負責啟動計時的起跑端子系統；

（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；

（3） 后端資料管理與分析系統。

跑步訓練輔助系統的訓練場布置如圖1所示。各子系統的功能分述如下：

起跑端子系統：架設于起跑線處，可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無線網路廣播的功能，將起跑信號以無線方式同步傳送到遠端計時子系統同步啟動計時，并具計時顯示功能。

圖1 訓練場布置

遠端計時子系統：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架設紅外線感應裝置。具備無線接收自起跑端子系統送來的起跑訊號，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，系統儲存到達計時間并同時回傳此資料到后端數據資料管理系統，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。

后端數據資料管理：接收各個遠端計時子系統回傳的數據資料，并具備儲存、整理與分析的功能，協助使用者了解個人訓練狀況。

1.2 系統硬件架構設計

依據前述系統規劃建構跑步運動員的訓練輔助系統和各子系統的功能，硬件架構設計如下：

起跑端子系統：子系統硬體架構如圖2所示，采用Megawin MCU（MPC82G516）為控制芯片，控制ZigBee無線收發模塊、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，同時亦需計時與顯示。

圖2 起跑端子系統架構圖

遠端計時子系統：子系統硬體架構圖如圖3所示，采用 Megawin MCU（MPC82G516）整合紅外線感測器與ZigBee無線收發模塊。Megawin MCU（MPC82G516）控制ZigBee無線收發模塊接收來自起跑端子系統的起跑信號，當紅外線偵測跑步者到達感測點時，本子系統儲存到達計時間并同時回傳該資料到后端數據資料管理系統。

圖3 遠端計時子系統架構圖

后端數據資料管理： 服務器管理端架構如圖4所示，包括后端數據資料管理平臺與 ZigBee 無線收發模塊。其中 ZigBee 無線收發模塊接收來自遠端計時子系統的計時信號，并以筆記型電腦架設后端數據資料管理平臺，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。

圖4 后端數據資料管理架構圖

2 軟件設計

整合前述硬件架構設計實現跑步訓練輔助系統的硬件電路，配合硬件與功能需求撰寫程序，依各子系統的功能，其程序設計如下：

起跑端子系統：程序流程如圖5所示，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起計時器，并控制 ZigBee無線收發模塊以廣播方式傳送起跑信號到遠端計時子系統。

遠端計時子系統：程序流程如圖 6所示，程序主要先判斷是否接收到起跑端子系統的起跑信號，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，系統儲存到達計時間并同時回傳此資料到后端數據資料管理系統；系統可以儲存多組時間資料并可隨時選擇讀取這些資料。

圖5 起跑端子系統流程圖

圖6 遠端計時系統流程圖

后端數據資料管理流程如圖7所示。程序判斷是否接收到遠端計時子系統的計時信號，以LabVIEW做資料整理與分析，分析的數據存入 MySQL資料庫。

圖7 后端數據管理流程圖

3 系統實現與測試

3.1 系統原型[3?6]

整合第2節的硬件設計及第2節軟件設計完成跑步訓練輔助系統原型，包括起跑端、遠端計時以及后端資料管理與分析等子系統，分別如圖8，圖9所示。

圖8 起跑端子系統原型

圖9 遠端計時子系統原型

遠端計時子系統的硬體外觀，當開關開啟時計時歸零，并等待 ZigBee無線收發模塊接收起跑信號后開始計時；可使用按鍵控制選擇 Reset及讀取3次前次通過該點的碼表數據（每按1次按鍵顯示1次數值，第4次為返回碼表即初時顯示模式）。在系統原型制做與測試中，遇到 ZigBee無線收發受到雜訊與WiFi信號的干擾非常嚴重的情況，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（天線的設計不在本文探討）改善接收信號效果，減少無線傳輸時發生資料遺失的機率。

3.2 系統測試

系統原型進行以下功能測試，以驗證成品具有所規劃的功能并正常運作。

紅外線遮罩測試：當紅外線產生遮罩時則點亮LED燈。

資料回傳測試：進行遠端計時子系統回傳到后端資料數據管理的傳輸測試。

后端管理平臺：后端數據資料管理平臺中可輸入跑步者姓名、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回傳的數據資料與顯示，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瞬時速度等功能。

4 結 語

本論文以循序漸進的方式設計與整合 ZigBee無線傳輸模塊、Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，從系統設計、程序撰寫與系統測試，完成跑步運動員的訓練輔助系統，可以應用于訓練跑步運動員的任意距離組合的分段計時，所有訓練數據存于后端資料管理系統，協助使用者了解個人練習與訓練狀況。相較于現有其他系統，該系統具下列特色：

機動性：本系統使用 ZigBee 無線收發模塊取代有線傳輸，可以便捷布設并做任意距離的組合。

操作簡易：具備簡易操作的人機界面。

資料儲存、分析與管理功能：所有訓練數據存于后端資料管理系統，具備資料儲存、分析與管理功能，此功能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（intensity）、頻率（frequency）和持續時間（duration）等，協助使用者了解個人練習與訓練狀況。

參考文獻

[1] 代媛.基于ZigBee無線傳感器網絡的農田信息監測研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2010.

[2] 韓華峰.農業環境信息遠程監控與管理系統設計[D].北京：中國農業科學院，2009.

[3] 周益.基于ZigBee技術的無線傳感網絡拓撲設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2009.

[4] 韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，25（7）：158?163.

[5] 周雅琴，譚定忠.無線傳感器網絡應用及研究現狀[J].傳感器世界，2009，15（5）：35?40.

[6] HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A P， BALAKRISHNAN H. An application? specific protocol architecture for wireless microsensor networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002，1（4）： 660?670.

[7] CHEN Xiaobo， NIU Zhisheng. A randomly delayed clustering method for wireless sensor networks [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Communications. [S. l.]： IEEE Press， 2006： 578?580.