游泳項目電子訓練誘導儀的研制與運用研究

王合霞，王　勇，唐　亮

(中國石油大學(北京) 體育部，北京　102249)

?

游泳項目電子訓練誘導儀的研制與運用研究

王合霞，王勇，唐亮

(中國石油大學(北京) 體育部，北京102249)

針對傳統游泳訓練中，運動員對游泳節奏和強度把握不準的問題，設計了一種無線便捷游泳訓練速度誘導器。通過該誘導器手持設備的輸入鍵盤,教練根據運動員體能及訓練需要，自主設定各項訓練內容參數，并通過手持設備上的無線發送模塊將命令傳輸給控制器；控制器部分上的無線接收模塊接收指令后由單片機進行處理，然后通過數據線將控制信號傳給LED燈帶，實現對多路燈帶亮燈速及間歇時間的控制，完成對多個游泳運動員游速的有效誘導。該誘導器不僅操作簡單，而且對運動員的訓練興趣和訓練效率都起到積極作用，可以很好地提高游泳訓練的科學性。

游泳訓練；速度；誘導儀 ；LED燈帶

隨著體育運動發展的現代化、社會化、國際化，科學技術在現代體育的發展中發揮著越來越重要的作用，金牌之爭的背后是體育科技之爭，電子技術、新材料的不斷發展促使電子訓練儀器在體育訓練領域的應用將會更加廣泛，電子儀器也由此引起了訓練手段、訓練方法的革新，國際體壇的競爭也越來越大程度上取決于先進訓練儀器的運用，因此，在科學的現代訓練中，先進訓練儀器的運用將會對訓練結果的提升起到至關重要的作用。

現代高水平競技游泳比賽中，只有控制好泳速才能較好地發揮競技水平，才能獲得優異的成績。在現代科學的游泳訓練中，游泳運動員更加注意游程中體力的正確分配，更加注意按規定游速游進的能力。

在實際的游泳訓練中，常用的方法是教練在岸邊呼喊節奏的方式，游泳者在水中很難聽到教練員在岸上的關于速度的聲音提示，只能等到運動員到岸后教練員再給以提示，這樣不但效果差，而且運動員很難掌控，需要進行大量的重復性的訓練，造成訓練效率低下。針對此種情況，為了使游泳訓練更加科學化，根據教練員的實際需要，在此設計出一種游泳訓練速度誘導儀，可以讓教練員和運動員清晰感知游速的快慢及節湊的強度，以輔助教練員對運動員進行科學有效的訓練。該儀器主要有手持設備、控制器、水下LED燈帶3部分組成。通過無線傳輸技術控制改變水下燈帶亮燈的快慢，以達到誘導的目的，此儀器操作方便，教練員可根據訓練需要，通過手持設備自主設定此設定訓練參數，進行分段、間歇等訓練內容?？蓪?位運動員進行誘導訓練，極大改善游泳訓練的效率，提高游泳訓練的科學性。

1　速度誘導儀設計原理

隨著微電子技術的發展，電子器件的防水、穩定性能得到極大地改善，且其模塊化的設計在應用中更加便利，這為我們設計游泳訓練速度誘導提供了技術基礎，在充分了解國家游泳隊體能參數及部分省隊教練員訓練需求的基礎上，并結合現代游泳理論研究成果，我們以技術和操作應用兩方面為出發點，在考慮游泳訓練場地大小及多水環境下，采用最新的無線傳輸技術和性能穩定的單片機控制技術，將設備分為3大部分:手持設備(鍵盤、單片機控制系統、液晶顯示屏、無線模塊);控制器(單片機控制系統、無線模塊、溫度傳感器、語音播報模塊);LED發光燈帶(LED驅動電路、LED燈)。系統示意圖如圖1所示：

圖1　無線便捷游泳訓練誘導器方案框圖

其工作原理:首先，通過該速度誘導第一模塊手持設備的輸入鍵盤，教練員可輸入各項訓練內容參數，輸入完成后手持設備上的無線發送模塊會自動將命令傳輸給第二模塊控制器部分。其次，控制器部分上的無線接收模塊接收指令后由單片機進行處理，然后通過數據線將控制信號傳給第三部分LED燈帶。最后，第三模塊由多個lED燈組成的燈帶依次接受控制信號并發光，實現多路燈帶按設定的速度亮燈，完成對游泳運動員游速的有效誘導。

各個模塊主要組成部分及功能：模塊1 手持設備主要有鍵盤、單片機處理芯片、無線發射模塊、液晶顯示屏組成；鍵盤作用是輸入各項訓練內容參數，單片機處理芯片作用是將各項訓練內容參數傳輸給液晶顯示屏顯示出來，并將各項訓練內容參數傳輸給無線發射模塊，無線發射模塊將各項訓練內容參數指令發送模塊2可編程控制器；

模塊2可編程控制器主要有無線接收模塊、蜂鳴器、溫度傳感器、可編程控制器。無線接收模塊作用是接收手持設備發送的各項訓練內容參數指令，可編程控制器對無線模塊接受到的指令進行處理并將相關指令信號傳輸給LED驅動。溫度傳感器作用是采集泳池內水的溫度，并通過液晶屏顯示，蜂鳴器主要起到語音播報作用是提示運動員進入訓練狀態。

模塊3水下LED發光燈帶主要有驅動電路和LED燈組成，驅動電路主要作用接受控制的信號并驅動多路LED安設定序列發光。讓運動員通過視覺可以直觀清晰地感知亮燈誘導的速度的節湊。

2　誘導儀硬件實現

2.1手持設備

手持設備主要有鍵盤、液晶屏、無線發射模塊部分組成。通過手持設備教練員可遠距離自主設定訓練內容，其設計方案如圖2所示。

圖2　手持設備的設計方案

單片機控制系統主要由單片機、晶體振蕩電路、串口通信電平轉換電路、擴展插針接口構成。單片機控制系統的具體電路及信號傳輸如附圖3所示。

短距離無線收發模塊包括無線發射器和無線接收器兩部分組成，其通信的基本原理是發射器的數據通過無線發射出去，接收器天線接收后，進行處理，得到正確的、經過檢驗的準確數據。該模塊的通信示意圖如圖4所示。

考慮從到游泳池的大小。我們選用CC1101-232無線發射接受模塊。CCl101集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，其數據傳輸率最高可達500 kb/s，。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。在發射狀態下，其發射功率可編程調節，其最大發射功率達到+10 dBm，且接收靈敏度可達110 dBm，抗干擾能力強，功耗較低，能夠很好滿足游泳訓練數據傳輸的需要。

圖3　單片機的系統框圖

圖4　模塊的通信示意圖

圖5　CC1101無線模塊實物圖

2.2可編程控制器

可編程控制器主要由SCT89C52單片機系統、CC1101無線模塊、溫度傳感器(DS18B20)、語音播報電路、LED驅動控制電路構成。起到接收處理訓練指令的作用，并輸出一定時序的控制信號傳送水下燈帶。可編程控制器組成電路框圖如圖6所示。

圖6　可編程控制器組成電路框圖

可編程控制器接收到手持設備輸入的訓練信號后，判斷相應的工作模式，控制LED燈帶相應的燈依次亮滅，并將采集到的水的溫度實時顯示。同時在訓練員間歇及訓練完成時，蜂鳴器給予必要的聲音提示?？删幊炭刂破魉惴鞒虉D如圖7所示。

圖7　可編程控制器算法流程圖

2.3LED燈帶

LED燈帶主要由多個LED燈組成，每個LED燈為作為最小的控制單元并按設計好的線路接收控制器輸出的控制信號，實現單個LED燈導通發光。LED燈帶LED燈帶采用ucs1908驅動芯片級聯方式控制5050燈珠亮滅。LED燈帶共有6通道，單通道長度為50米。可滿足6個運動員同時訓練的需要。單段LED燈帶的實物圖如圖8所示。

圖8　LED燈帶實物圖

3　誘導儀功能測試

經初步測試，速度誘導儀的功能顯示界面如圖9、圖10所示。日常游泳訓練中，該設計為游泳教練提供最基本的以下4種訓練模式。同時教練員也可根基訓練需要自主設定訓練模式。

圖9　主界面顯示圖

圖10　功能選擇界面圖

模式一為往返無間歇勻速訓練狀態。 根據游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通電源后，通過手持設備設定本次訓練內容，如：設定1 500米速度誘導，總時間設定游速15分鐘勻速完成(距離 時間可根據需要設定)。設定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時間開始熄滅至初始端，完成一個往返的速度誘導訓練。計數器記下往返數1并顯示，如此勻速循環之至達到1 500米15分鐘結束，完成一組速度誘導訓練。

模式二為往返有間歇勻速訓練狀態。根據游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通電源后，通過手持設備設定本次游泳訓練內容,如設定10個100米，每個100米設定游速1分鐘勻速完成，間歇30秒(可根據需要自行設定個數 距離 時間 間歇時間)。設定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時間開始熄滅至初始端，按事先設定1分鐘完成一個往返100米的速度誘導訓練，完成一個回合的誘導訓練。計數器記下次數1并顯示，并保持間歇30秒鐘(用運動員休息)，30秒時間到后，發出提示音后(提示運動員開始下一個100米開始)，燈帶再次從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時間開始熄滅至初始端，按事先設定1分鐘完成一個往返100米的速度間歇30秒鐘速度誘導訓練，然后繼續下一個回合的速度速度誘導訓練。如此循環之至達到與其設定的效果，完成一組誘導訓練。

模式三為往返有間歇分段非勻速狀態。根據游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通供電電源，通過手持設備設定本次游泳訓練內容，如設定10個100米，每個100米設定總游速1分鐘非勻速完成如前段50米設置為27秒時間，后段50米設置為33秒時間(10個100米每個100米可單設定不同快慢訓練模式)，間歇30秒(可根據需要自行設定個數 距離 時間 間歇時間 分段時間最多9段)。設定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次按27秒時間勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按33秒勻速時間開始熄滅至初始端，按事先設定100米總時間1分鐘完成一個往返的速度誘導訓練，完成一個回合的誘導訓練。計數器記下次數1并顯示，并保持間歇30秒鐘(用運動員休息)，30秒時間到，發出提示音后(提示運動員開始下一個100米開始)，燈帶再次從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時間開始熄滅至初始端，按事先設定快慢1分鐘完成一個往返100米的速度間歇30秒鐘速度誘導訓練，然后繼續下一個回合的速度誘導訓練。如此循環之至達到與其設定的效果，完成一組速度誘導訓練。

模式四為以上3種狀態訓練間歇時間，亮燈時間，回合次數可根據訓練需要自主設定，并任意組合，提供多種狀態訓練。

經測試，該無線便捷游泳訓練速度誘導器可實現4種模式的速度誘導訓練。

4　結論

本成果設計的無線便捷游泳訓練速度誘導器操控簡單便捷；可根據運動員情況，在提供4種基本訓練模式的基礎上，教練員可自主設定訓練參數；同時該速度誘導器具有有水溫測量功能，語音播報提示功能；教練員可以遠距離操控設備，該設計人性化、智能化、便捷化，且維護、更換成本低，能夠很好滿足專業游泳訓練中精確控制訓練強度、節奏等重要訓練要素的需求；改善我國單純依靠人工把控訓練的落后局面，提高游泳訓練效率，縮短與國外訓練儀器應用的差距，提升游泳訓練的科學性，進一步提高訓練的時效性。

[1]賀曉萍.淺談現代游泳技術與訓練的發展方向[J].體育科技, 2007(3):9.

[2]李紅梅,于傳偉.現代游泳技術與訓練的發展方向研究[J].安徽體育科技,2005,26(3): 30-32.

[3]王致誠,劉繼紅.用科學新技術提高游泳水平[J].體育世界, 1994(8):053.

[4]張曲波,李戎.現代游泳技術與訓練的發展方向[J]才智,2010(9):205.

[5]原羿,蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件,2004,21(6): 89-91.

[6]To T, Haven P. LED燈串電路保護分析[J].中國集成電路,2013, 22(11).

[7]李亞彬.基于無線控制與無線傳輸的數據采集系統[D]//南京: 南京理工大學, 2007.

[8]蔡俊五, 歐文勤, 熊斗寅,等.體育科技與運動訓練相結合體制的研究[J].體育科學,1995,6:36-38.

Research on the development and application of swimming electronic training induction machine

WANG He-xia, WANG Yong, TANG Liang

(Dept.ofP.E.,ChinaUniversityofPetrolium-Beijing,Beijing102249,China)

In view of the problem in traditional swimming training that athletes have poor handling of swimming rhythm and strength and artificial training cannot solve it well, this paper designs a convenient wireless swimming training speed induction machine. Through the keyboard input of handheld devices, and according to the needs of physical ability and training of athletes, coach can set the training parameters independently, and then transmit commands to the controller through the wireless sending module on the handheld device; after receiving instructions from wireless receiving module of the controller, single-chip microcomputer deals with them, and then pass control signals to the LED lamp belt through the data line, implement the control of multiple street lamps with light speed and intermittent time, complete effective induction of multiple swimmers speed. The machine, not only being easy to operate but also playing a positive role in improving training interest and training efficiency, is a good way to improve the scientific nature of swimming training.

swimming training; speed; induction unit; LED lamps

2016-01-06

中國石油大學校基本科研業務費項目；申請國家專利號：2014101323556。

王合霞(1976-)，女，山東煙臺人，副教授，體育教育訓練學。

G818.3

A

1009-9840(2016)04-0051-04