一種基于移動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)員體能監(jiān)控系統(tǒng)

劉博

（咸陽師范學(xué)院 體育系，陜西 咸陽 712000）

一種基于移動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)員體能監(jiān)控系統(tǒng)

劉博

（咸陽師范學(xué)院 體育系，陜西 咸陽 712000）

針對(duì)當(dāng)前智能手機(jī)的大量普及和運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)測需求，提出一種基于Andriod的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，從而讓運(yùn)動(dòng)員通過智能手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)平時(shí)鍛煉的體能測試。通過利用當(dāng)前比較流行的耳機(jī)作為原始數(shù)據(jù)采集終端，借助耳機(jī)線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r(shí)利用Android系統(tǒng)中的音頻類接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和解碼，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，并通過手機(jī)終端軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的作出評(píng)價(jià)。通過設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種新型的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測方式并提高了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的準(zhǔn)確性。

Android；運(yùn)動(dòng)體能；監(jiān)測；音頻類；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

隨著現(xiàn)代智能設(shè)備的不斷發(fā)展，通過智能化的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測成為當(dāng)前信息化發(fā)展的趨勢。運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練作為一項(xiàng)日常的工作，其訓(xùn)練的水平將直接決定運(yùn)動(dòng)員的競技成績和水平。因此開始出現(xiàn)將智能設(shè)備運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，如通過運(yùn)用穿戴大型的智能設(shè)備，利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)等對(duì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)和動(dòng)作進(jìn)行分析。但這些方法的應(yīng)用一方面操作比較復(fù)雜，另一方面在成本上面也非常的高。因此，文中提出一種低成本的運(yùn)動(dòng)員體能監(jiān)測系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)的過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1　系統(tǒng)需求分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)員日常的訓(xùn)練工作，文中主要以運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的跑步作為監(jiān)測對(duì)象。教練員通常會(huì)通過跑步的方式，提高運(yùn)動(dòng)員的體能和耐力。因此，文中所提出的基于移動(dòng)端的體能檢測，就是以跑步訓(xùn)練作為監(jiān)測對(duì)象，利用Andriod手機(jī)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。通過基于Andriod的系統(tǒng)開發(fā)，可使得用戶根據(jù)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)對(duì)自己進(jìn)行調(diào)節(jié)，并制定新的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃。

通過上述的分析，要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員體能的監(jiān)測，一方面需要感應(yīng)用戶的運(yùn)動(dòng)，通過相應(yīng)的硬件設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行采集和處理；另一方面借助Andriod手機(jī)終端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端采集是通過手持設(shè)備，如果讓運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練手持，那么對(duì)運(yùn)動(dòng)員來講將形成很大的負(fù)擔(dān)。對(duì)此，在對(duì)數(shù)據(jù)的采集中則利用穿戴式的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。而根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)條件，完成可以實(shí)現(xiàn)。另外針對(duì)數(shù)據(jù)采集的交互顯示問題，利用手機(jī)Andriod的屏幕進(jìn)行交互。而智能手機(jī)和數(shù)據(jù)采集之間的交互須要通過某種通信機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，由此必須從硬件和軟件兩方面入手，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能與需求。

2　系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合上述對(duì)系統(tǒng)需求的梳理，文中將本系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過需求的分析，文中將該系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為可穿戴部分、接口程序、Andriod應(yīng)用部分。其中可穿戴部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；接口程序?qū)崿F(xiàn)可穿戴和應(yīng)用程序的連接。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集主要依靠可穿戴式的設(shè)備。而作為運(yùn)動(dòng)員來講，如果穿戴大型的設(shè)備非常的不方便。因此，必須選擇在運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不影響其正常的運(yùn)動(dòng)，如智能手環(huán)等。本文則根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在日常的基礎(chǔ)訓(xùn)練中喜歡戴耳機(jī)的習(xí)慣，提出通過將智能化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備嵌入到耳機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

在本系統(tǒng)中的可穿戴式的設(shè)備則采用MMA4755模塊，該模塊具有感應(yīng)三軸加速度的功能。在運(yùn)動(dòng)員日常基礎(chǔ)的體能訓(xùn)練當(dāng)中，其加速度變化不大，但是對(duì)加速度的精度要求卻非常的高。其具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系則如公式（1）：

其中的x表示為通過補(bǔ)碼規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換后所得到的整形數(shù)值。

3.2功能設(shè)計(jì)

結(jié)合運(yùn)動(dòng)員實(shí)際和系統(tǒng)的需求分析，筆者認(rèn)為與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測軟件不同，該系統(tǒng)的主要方向是對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)控。因此，對(duì)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)方面也與一般的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測軟件也存在區(qū)別。因此，文中將該系統(tǒng)的整體功能設(shè)計(jì)為如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

通過圖2可以看出，從整體的架構(gòu)來看，將系統(tǒng)等功能分為表現(xiàn)層、邏輯層和硬件層。其中邏輯層包括運(yùn)動(dòng)員的個(gè)人數(shù)據(jù)、呼吸監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊。在該架構(gòu)的底層中為Andriod系統(tǒng)，主要是要應(yīng)用到其中的音頻系統(tǒng)。其具體的數(shù)據(jù)流程則為通過利用Andriod中的音頻系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的呼吸和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過其中的接口實(shí)現(xiàn)。

3.3通信設(shè)計(jì)

當(dāng)前對(duì)智能手機(jī)來講，其主流的通信方式包括藍(lán)牙、熱點(diǎn)、USB接口等。其中不同的通信方式有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如對(duì)當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的WIFI來說，該技術(shù)是以IEEE作為基礎(chǔ)，定義的一個(gè)基于802.11協(xié)議的無線通信技術(shù)，同時(shí)隨著WIFI技術(shù)的不斷改進(jìn)，通過兩個(gè)不同的智能手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)通信。但無論是藍(lán)牙，還是WIFI技術(shù)，其消耗的功率都比較大。

除無線的傳輸方式以外，還包括有線的傳輸。而對(duì)于智能手機(jī)來講，其主要包括USB和3.5mm的音頻傳輸。對(duì)這兩種傳輸來講，都具有能耗低和傳輸快的特點(diǎn)。但是如果采用USB傳輸則還需要讓運(yùn)動(dòng)員配備專用的USB數(shù)據(jù)線。對(duì)此，本文提出采用耳機(jī)線進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健Ｒ驗(yàn)樵诙鷻C(jī)的通信信道之中，包含數(shù)據(jù)信號(hào)和耳機(jī)本身的音頻信號(hào)，如果同時(shí)傳輸則可能讓手機(jī)無法接收和區(qū)分。但是，耳機(jī)除擁有傳統(tǒng)的耳機(jī)音樂數(shù)據(jù)線的同時(shí)，還包括麥克風(fēng)線路。因此，對(duì)其中數(shù)據(jù)的傳輸可以通過麥克風(fēng)信道進(jìn)行傳輸。

同時(shí)，耳機(jī)和Andriod手機(jī)之間的通信采用2FSK調(diào)制，在Andriod端通過其中的接口程序AudioRecod類對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，再通過2FSK進(jìn)行解調(diào)，最后通過補(bǔ)碼的方式完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的還原。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1呼吸監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)

呼吸監(jiān)測作為對(duì)運(yùn)動(dòng)員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一種監(jiān)測，其生命體征的基本情況可指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的鍛煉的狀態(tài)。對(duì)該系統(tǒng)來講，對(duì)呼吸進(jìn)行監(jiān)測就是將耳機(jī)采集到的音頻信號(hào)通過計(jì)算直接轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)員的呼吸頻率。其整體是算法則為：

圖3　呼吸模塊算法

由于對(duì)音頻的采集不能直接的度量運(yùn)動(dòng)員的呼吸，必須通過音頻→呼吸次數(shù)的轉(zhuǎn)化計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)將音頻轉(zhuǎn)換為呼吸的次數(shù)，文中則通過離散型的傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?duì)數(shù)字系統(tǒng)來講其只能處理離散型信號(hào)。具體思路則是首先將信號(hào)在時(shí)域中進(jìn)行傅立葉變換[7]的到期連續(xù)的頻域，在得到頻域的形式之后，在通過頻域采樣對(duì)其進(jìn)行離散化，最后將其轉(zhuǎn)換為具有有限長的一個(gè)離散序列，其具體的公式為:

其中N表示X[N]時(shí)域的長度。

4.2運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)

對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)中，主要通過三軸加速度對(duì)速度的計(jì)算。通過將運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)看成為一個(gè)三維的空間坐標(biāo)軸，通過計(jì)算不同維度的加速度的方式，以此轉(zhuǎn)換為對(duì)運(yùn)動(dòng)跑步步數(shù)的計(jì)算。其具體的算法和實(shí)現(xiàn)過程如圖4。

圖4　運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊算法

圖5　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面

4.3實(shí)現(xiàn)界面

通過上述的算法設(shè)計(jì)，得到如圖5所示的結(jié)果。

5　結(jié)　論

通過利用Andriod中的音頻系統(tǒng)和穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)員基礎(chǔ)體能數(shù)據(jù)的采集和實(shí)現(xiàn)，由此實(shí)現(xiàn)了一款簡單的體能采集系統(tǒng)，為運(yùn)動(dòng)員日常運(yùn)動(dòng)監(jiān)測提供了參考。

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A player's physical monitoring system based on mobile terminal

LIU Bo
（Xianyang Normal University，Xianyang 712000，China）

In view of the large number of current smart phones and athletes training monitoring needs，proposed a motion monitoring system based on Andriod，so as to make the athletes through the smart phone to achieve the physical fitness test. Through the use of the current more popular headphones as the original data acquisition terminal，with the use of cable as the data transmission channel，and the use of Android system in the audio class interface，data transmission and decoding，and finally the data conversion to athletes sports data information，and through the mobile terminal software to make evaluation of athletes training.Through the design and construction of a new type of sports training monitoring method and improve the accuracy of sports training.

Android；sports fitness；monitoring；audio class；sports monitoring

TN99

A

1674－6236（2016）21-0042-03

2015-11-02稿件編號(hào)：201511016

咸陽師范學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（20081002）；咸陽師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目（13XSYK063）

劉 博（1976—），男，陜西涇陽人，碩士。研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。