無線通信技術在公安智能體能訓練系統中的應用研究

莫孝琛 賈王晶 郭東振

摘 要：公安院校采用傳統方法開展體能訓練時，存在訓練過程可控性和靈活性不足，以及訓練效果反饋延遲等問題。智能體能訓練系統更容易滿足警務工作和復雜執法環境對警務人員體能的特殊需求。本文提出了一種基于ZigBee無線通信技術的智能化體能訓練系統，由主控中心和數據處理模塊組成基本構架，包括用于數據信息采集、傳輸、記錄、處理和反饋的硬件設備及軟件程序。重點探討了ZigBee技術應用于本系統的可行性和適用性，結果表明：在復雜環境下有效工作區域的覆蓋半徑為10m，開放環境下覆蓋區域可擴大3倍;系統可實現連續8小時穩定工作時長;數據反饋延時縮短至毫秒量級，試驗工況下為150～200ms。研究獲得的結果可為提升公安體能訓練水平提供一定的參考。

關鍵詞：智能體能訓練;公安院校;無線通信技術;ZigBee

中圖分類號：TP27? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）02-0013-05

公安院校具有區別于普通院校的特殊性，公安教育除了學習法律法規和警務業務技能之外，還應該重視學生的體能訓練。近年來，我國中小學教育中普遍存在著重書本輕體育的現象，這導致公安院校的學生在入學時往往存在身體素質不佳、運動能力欠缺的問題。[1]由于職業性質要求，警察必須具備較強的體能，以應對各種警情狀況。[2]公安院校的體育教育是培養公安人才必不可少的基礎性環節，為強化對學生的體能訓練，改善學生的身體素質，應針對公安院校實際情況進行體能訓練系統的構建。目前的體能訓練系統通常包含教師訓練和智能體能訓練兩種方式。前者需要教師在現場針對學生設計訓練方案，發出指令并監督學生完成訓練。[3]這種常規訓練方式缺乏靈活性，訓練反饋邊際模糊，并且會造成人力資源的浪費。由于教師難以同時觀測多名學生具體的運動細節，學生在運動中可能出現動作不規范、不到位等問題，可能導致訓練效果不佳，甚至在運動中受傷。[4]智能體能訓練系統使用智能訓練裝備對學生的身體狀況和運動參數進行監控，并通過對實時監控數據的分析，進行指令的下達、數據的記錄與訓練計劃的調整。采用智能體能訓練系統輔助學生進行體能訓練，可謂是有百益而無一害。[5]因此，構建一套適合公安院校的智能體能訓練系統具有相當的必要性。有鑒于此，本文基于ZigBee無線通信技術，對公安院校的智能體能訓練系統進行了設計與功能實現，旨在提高公安院校學生的體能素質，優化學生的訓練方式。

1 ZigBee無線通信技術

1.1 ZigBee技術特點

工業、農業、醫療、辦公等領域飛速增加的無線接入需求推動了許多無線傳輸協議的誕生。不同領域數據的特點使其對無線傳輸協議有著不同的需求。[6]常見的無線傳輸協議及其特性對比如表1所示。Wi-Fi協議的信息傳輸速度快、傳播距離遠、建設成本高，因此常用于網頁、視頻等對網絡速度需求較高并且對成本敏感度較低的應用領域。[7]藍牙傳輸速度與傳輸距離均低于Wi-Fi，而其網絡容量大于Wi-Fi，且相較于Wi-Fi具有一定的成本優勢，因此常用于移動終端設備間的信息通信。ZigBee協議具有功耗較低、協議簡單、成本低廉、傳輸距離遠、網絡容量大等優點，然而其網絡傳輸速度較慢，不適用于對時效性要求較高的應用。[8]本文研究的智能體能訓練系統對信息傳輸速率的要求較低，而更注重無線協議的能耗、網絡容量與成本因素。因此通過對常見無線通信協議的分析，最終選擇ZigBee協議進行智能體能訓練系統無線通信設計。ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標準的低功耗無線監控網絡協議。IEEE 802.15.4標準對ZigBee協議的物理層與媒體接入控制（MAC）層進行了規范。在物理層定義868MHz/915MHz/2.4GHz三個波段、一系列信道與其對應速率標準進行數據傳輸。在MAC層定義了同一區域無線信號的通道共享，使用CSMA/CA機制對信標接入進行協調和競爭。ZigBee聯盟實現了網絡層協議和應用程序接口（API）的標準化，并在此基礎上構建了安全層以保護信息安全。

1.2 ZigBee網絡與拓撲

典型的ZigBee網絡中包含了終端、路由器與協調器三部分。ZigBee終端（ZED）是末端子節點設備，負責實現數據的采集。ZED只能夠加入ZigBee網絡，并與上層節點通信，并且兩個ZED之間的通信需要以上層節點作為媒介。[9]ZigBee路由器（ZR）負責網絡維護協助和信息轉發，既能作為ZigBee網絡中的子節點，又能作為上層節點。[10]ZigBee協調器（ZC）是ZigBee網絡的核心，一個ZigBee網絡只能包含一個ZC。ZC負責ZigBee網絡的維護，信道與信標的確定，安全中心功能等的設計，間接尋址表的綁定，并維持網絡中各類設備之間信息傳輸的通暢。ZigBee網絡的初始化由ZC發起。[11]首先，ZC要對節點網絡連接進行判斷，已經建立連接的節點只能作為子節點。對節點是否為全功能設備（FFD）節點進行判斷，并判斷FFD節點是否已存在ZC連接。主動掃描，發送信標，并設置掃描期限，如果掃描期限內未檢出發送的信標，則判斷該FFD不存在ZC連接，此FFD即可作為ZC建立ZigBee網絡。然后，對信道進行掃描。[12]信道掃描分為主動掃描和能量掃描。在對信道進行能量掃描后，對能量值進行遞增排序，選擇能量值符合要求的信道并標注。節點對附近信息進行主動掃描，獲取信標幀，并選擇最優信道。接下來，ZC為ZigBee網絡設置唯一的網絡標識符。ZigBee網絡的地址模式分為16位短地址與64位拓展地址，短地址是本地的設備標識，而拓展地址由IEEE進行設定。[13]以上步驟即為ZigBee網絡的初始化，如圖1所示。在完成網絡初始化后，只需將各類節點加入網絡，即可完成網絡的組建。

ZigBee網絡的拓撲結構主要分為星型拓撲、樹狀拓撲、網狀拓撲。星型拓撲是最簡單的拓撲結構之一，ZC作為星型拓撲的核心節點，而ZR和ZED作為子節點依附于ZC存在。在星型拓撲結構中，任何兩個子節點間的通信都必須經由ZC進行轉發。在星型拓撲中，ZC的故障可能直接導致整個網絡的崩潰，而任何一個子節點的故障都不會對整個網絡造成影響。樹狀拓撲中，ZC作為最頂端的核心節點，與數個ZR節點連接，每個ZR又與數個ZED連接。任意兩個ZR之間的通信必須經由ZR或ZC進行信息中轉。樹狀拓撲相較于星型拓撲具有更高的網絡容量。網狀拓撲結構與樹狀結構類似，其區別在于相鄰ZR間也可直接進行通信。網狀拓撲結構具有極高的環境適應能力，其結構更為復雜，而其穩定性與魯棒性也更高。綜合對三種拓撲結構的分析可以看出，對于組網較為復雜、ZED分布較多的智能體能訓練系統，網狀拓撲結構是最適宜的ZigBee組網結構。

2 公安院校智能體能訓練系統構造

2.1 智能體能訓練系統架構與硬件設計

智能體能訓練系統由主控中心和無線傳感器構成。教師訓練前應在主控中心進行訓練方案的設置，并將無線傳感器鋪設與訓練場地。在訓練時，主控中心對傳感器進行無線指揮，并對傳感器上傳的數據進行記錄。基于以上功能，智能體能訓練系統的架構如圖2所示。其中，主控中心負責信息管理、方案生成、網絡管理、結果儲存等功能。據此將主控中心分為系統設置、數據測試、方案下載、無線組網、信息管理、節點位置等模塊。

傳感器對訓練方案進行ZigBee無線下載，根據訓練方案對運動員做出相應指令并記錄運動數據。為實現數據采集與數據交換的功能，無線傳感器硬件平臺搭載微控制器與ZigBee通信模塊，結合FLASH數據儲存訓練，最終使用信號燈對學生做出運動指示。在學生做出相應運動動作后，使用速度傳感器對學生的運動時間進行采集和存儲。無線傳感器硬件分為微控制器、加速度傳感器、信號發生器、FLASH儲存器、運動數據儲存器、ZigBee模塊、電源管理模塊和撥碼開關。微控制器是傳感器的核心，為增強系統在多外設情況下的協調性與靈活性，可選擇8位RISC微控制器Atmega1218L與ZigBee模塊相結合的設計方案。針對無線傳輸模塊，組網便利度、通信協議格式簡潔度、傳輸質量、距離拓展性、使用穩定性與成本都是重要的決定因素。結合以上性質，本文選用將微處理器、射頻收發器與輸入/輸出設備集成的IP-LINK1221-2264嵌入式無線模塊。在數據儲存器的選擇上，應綜合考慮易失性、可讀寫次數、整體成本等多重因素。訓練方案儲存器對儲存空間要求較大，且需要進行多次讀取。運動數據儲存器應具備較低的易失性，需要進行多次寫入，但對儲存空間要求較小。結合兩種儲存器的功能需求，最終FLASH儲存器選擇串行AT45DB161D，數據儲存器選擇串行FRAM FM25L256。結合以上重點模塊選型，無線傳感器的節點電路如圖3所示，其中單片機最小系統包含微控制器、電源、復位電路和時鐘，加速度傳感器型號為MMA7260Q，供電設備為4節干電池。

2.2 智能體能訓練系統軟件設計

為對智能體能訓練系統的軟件部分進行設計，首先需要對系統軟件前期的可行性色劑進行模塊設計。即對各類功能化模塊進行測試與參數查驗，在測試完成后，保留程序調用接口并進行封裝。然后，對系統軟件后期的整體架構進行自頂向下設計，在搭建好整體架構后逐級填充封裝好的程序，最終進行調試。ZigBee無線傳感器節點的軟件設計囊括了多節點設備的初始化、訓練方案的下載、對傳感器數據的采集、訓練結果的上傳、對主控程序命令的執行等。微控制器運行的具體流程如圖4所示。多節點設備的初始化包括對于開關中斷、端口、串口、定時器、AT45DB161、FM25L256等諸多零部件的初始化。然后，對串口發送數據進行方案下載。微控制器從FLASH儲存器中對方案進行下載與解析，執行相應命令，并對加速度傳感器采集到的數據進行打包上傳和儲存。同時，傳感器可以隨時依據主控中心的實時命令執行方案的更改、設備的開關等操作。

主控中心計算機端軟件使用VC++6.0軟件環境與C++語言進行軟件設計。由上文可知，主控中心包括信息管理、無線組網等責信息管理、方案生成、網絡管理、結果儲存等功能，分為系統設置、數據測試、方案下載、無線組網、信息管理、節點位置等模塊。使用圖形界面設計、數據庫管理、串口數據交換等方法對上述模塊進行軟件功能實現。圖形界面設計采用微軟基礎類引擎進行界面框架生成。創建構造函數為首先調用的全局派生對象，以對句柄進行初始化賦值。然后，調用微軟基礎類入口函數，將參數賦值到應用程序對象相關句柄。調用成員函數以對文檔部分進行初始化，同時聲明框架窗口對象，調用窗口對象構造函數。由微軟初始類對默認類進行注冊，調用成員函數以進行消息處理與空閑處理，完成程序創建。采用Microsoft Access數據庫進行數據庫管理，使用VC++ ADO進行數據庫開發，對數據庫進行連接建立、開關、查詢、新增、刪除、更改等操作。采用Windows API函數，并使用mscomm ActiveX對串口數據交換進行控制。主控中心通過串口對各類模塊進行參數配置、信息讀取和數據傳輸。最終構建的主控中心軟件平臺包含個人信息、方案編輯、方案下載、節點控制等功能，并且可針對學生不同的年齡與年級、身體情況等情況分配不同的方案分組。

3 實驗驗證與分析

待測的ZigBee智能體能訓練系統的主控中心為個人筆記本電腦，實驗使用的計算機環境為運行內存16G的64位3.40GHz Intel Xeon CPU E3-1231。分別在行政樓走廊、校內小花園與行政樓前廣場對智能體能訓練系統進行測試。走廊、花園、廣場附近均無高壓電線。為對傳感器節點進行測試，首先對ZigBee無線通信模塊進行性能測試，以驗證ZigBee無線通信模塊的數據傳輸效率與可靠性。測試使用1臺具有串口的個人筆記本電腦和2個額定電壓為3.3V的無線微控制器。首先，使用第一個無線微控制器進行數據包發送，每包10字節，共一千包。然后，使用第二個無線微控制器進行數據包的接收。最后，通過串口與第二個無線微控制器相連接的個人筆記本電腦對接收到的數據進行核驗。為避免串口受損，兩次數據包的發送之間應具有一定的時間延遲。分別將環境、信號發射與接收距離、丟包情況、數據誤傳情況和數據接收延時進行記錄，結果如表2所示。

表2中的數據結果表明，在不存在遮擋物的情況下，傳感器節點不存在丟包情況與誤傳情況，且數據傳輸延時較低。但是在存在遮擋物的情況下，傳輸有效距離大概僅為10米。在對無線傳輸節點進行測試后，繼續對系統整體運行情況進行測試。為十名學生分別安裝并設置智能體能訓練系統的主控中心和無線傳感器，在空曠的操場進行實際體能動作訓練，并對節點的超時情況進行掃描。掃描結果如表3所示。

實驗結果驗證了智能體能訓練系統的可行性。使用該系統能夠對訓練方案進行下載與安裝，并實時進行訓練指導和數據顯示。由表3可知，無線數據傳輸存在一定的超時情況，但這一現象并不顯著，對實際體能訓練的影響較小。對智能體能訓練系統的數據傳輸速率、傳輸距離、傳輸延時、電壓、可持續工作時長等進行實際測量，并與相應指標進行對比。對比結果如表4所示。

由表4可知，本文設計的智能體能訓練系統在滿足了預期指標要求的基礎上，還具備了更遠的數據傳輸距離、更短的傳輸系統延時、更長的系統工作時長和更廣泛的工作濕度范圍。并且，在多次8小時不間斷的實際測試中，系統運行良好，未出現卡頓、死機、崩潰等情況。其工作濕度的范圍為20%至70%，能夠滿足雨雪天氣的教學需要。因此，該基于ZigBee技術的智能體能訓練系統具備較好的可行性。

4 結語

無線通信技術的蓬勃發展為體能訓練系統的智能化奠定了技術基礎。物聯網領域常用的ZigBee技術具有成本低、傳輸范圍較遠、能量損耗低、網絡容量高的特點。有鑒于此，本文采用ZigBee技術對公安院校智能體能訓練系統進行了設計與功能實現。在該智能體能訓練系統中，主控中心與各無線傳感器使用ZigBee無線通信協議進行數據遠程傳輸，可有效解決在常規體能訓練過程中反饋不及時、訓練過程不可控和缺乏靈活性等問題。通過在不同遮擋環境與傳輸距離進行系統實際測試，測試結果表明在無干擾情況下系統數據的有效傳輸距離為30米。在環境遮擋較多的情況下數據有效傳輸距離約為10米。此外，該智能體能訓練系統可持續正常運行8小時以上，基本能夠滿足公安院校訓練的基本需求。不過，該系統仍然存在150～200ms的數據傳輸延時，這會在一定程度上降低智能體能訓練系統無線傳感器的精確性，從而對學生的訓練體驗產生輕微的影響。在今后的工作中，可以通過對計時器及其芯片的改進，進一步提升計時精度，以改善教學體驗，從而有效提高體能訓練效率與水平。

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