一種簡易體育素質測試設備的設計與實現

李爽 葛迪 裴學杰 冉茂良 張天倩

摘要：針對傳統體育素質測試和鍛煉方式單一、測試設備和精度有限、缺乏有效的訓練指導等固有弊端，該文提出了一種簡易體育素質測試設備。首先測試者按照各端點指示燈觸摸傳感模塊，然后協調器接收傳感模塊的測試數據并傳輸至服務器，之后服務器端存儲處理數據，最后通過App界面對數據以及測試結果的分析進行展示，運用推薦算法為測試者推薦相應的訓練指導和教程。經試驗測試表明，該設備可實現多模式精準測試，通過記錄分析歷史數據，提供有針對性的教程，且設備簡便易攜，可在任何場景下使用，具有廣闊的發展前景。

關鍵詞：體育素質測試;體育鍛煉;測試設備;推薦算法

1 背景

我國是體育大國，目前正朝著體育強國轉變[1]，人們對于體育健身的需求和追求日益強烈。在當前大力發展學生核心素養的新形勢下，體育素質培養是培養學生全面發展的關鍵部分，也是整個社會發展的客觀要求[2]。體育高考是現階段國家選拔體育人才的關鍵途徑，體育考生在體育鍛煉過程往往需要進行功能性運動測試，對柔韌性、靈活性、穩定性和平衡性等運動素質做出明確的評定。但就當前多數高等體育院校的體育設備配置而言，不足以滿足師生對體育設備的需求[3]。

針對體育測試設備，如跑步測考儀存在體積大、費用高、測試方式單一等問題，傳統體質測試方式如秒表也存在有誤差，精確度不夠高的問題。相關研究表明，智能可穿戴設備已經漸漸走進人們的日常生活[4]，從2007年的Nike+iPod，2009年的Fitbit，到如今智能手環、智能手表的廣泛使用，智能體育測試設備已被大眾認可。智能體育測試設備可以精確測量用戶在運動中的各類數據如心率、速度等，使運動健身更加便捷。不過智能可穿戴設備在運動訓練中的應用也存在一些不足[5]，其測量精確度及可靠性仍然有發展空間，同質化的問題[6]還有待解決。

針對以上問題，本文提出一種簡便易攜的體育素質測試設備，依托于科學的體育測試方法，該設備包括軌跡采集模塊、轉換發送模塊、數據處理模塊及顯示模塊。軌跡采集模塊對使用者運動軌跡信號數據進行采集;轉換發送模塊實現數據交互轉換和發送;數據處理模塊對數據進行解析;顯示模塊將測試結果呈現給用戶，并根據用戶的測試數據，針對其身體素質存在劣勢的某一方面提供相對應的運動處方，從而幫助用戶解決所存在的弱環。此外，本設備也可用于輔助體育教學，適用于所有人群，能夠幫助更便捷地獲取科學的體育測試、鍛煉方法。

2 相關工作

2.1 市場調研

以華中師范大學的師生為主要對象，通過微信、QQ等網絡平臺發放線上調查問卷并結合訪談的形式，對現有體育鍛煉及測試的設備和方法以及關于簡易體育素質測試設備需求度進行調研，獲得有效問卷205份，關于常用體育測試設備與設備存在的不足，調研情況分別如圖1、圖2所示。

常用的柔韌性、靈活性、耐力等體育素質測試設備有坐位體前屈測試儀、長跑短跑測試儀，靈活性還常用折返跑方式測量，多以秒表為計量工具，現有設備存在體積大不便攜帶、測量形式上存在局限性、成本較高、精確度低等問題，人們對于簡便易攜、測試靈敏的低成本儀器設備存在需求。本文的簡易體育素質測試設備可恰當解決上述問題，多個模塊相結合靈活地測量，設備體積小，通過ZigBee快速傳輸，測量精確度高。此外，調研人群中28.8%的人需要測試后的教學視頻指導，60%的人在一些情況下需要教學視頻指導，僅有11.2%的人完全不需要教學視頻指導，那么根據用戶測試情況進行有針對性的教學指導是有必要的。本設備開發移動端App呈現測試結果并給出教學指導，幫助用戶科學有效地鍛煉與測試。

2.2 ZigBee

ZigBee技術是基于IEEE802.15.4的一種短距離無線通信協議，具有功耗低、成本低、時延短、安全性高等優點[7]，能夠很好地滿足體育素質測試設備對成本、安全性和速度的要求，有很強的組網能力，其中星型拓撲結構呈輻射狀，具有結構簡單、成本低的優點。

體育素質測試設備需要采集各終端節點的數據，并傳輸到服務器進行數據處理，以此判斷測試者的身體素質狀況。ZigBee無線通信網絡由協調器實現自組網，協調器啟動后會對信道進行掃描，選擇一個合適的信道和PAN ID建立新網絡，終端設備加入此網絡中[8]。傳輸過程中協調器與各終端節點通過單一路徑進行相互通信，星型拓撲結構能夠高效地完成對測試人員運動的無線傳輸。

2.3 Arduino

Arduino作為一款開源硬件產品，有豐富的I/O口供開發使用，有較大靈活性[9]，支持SPI，IIC，UART串口通信，大程度弱化函數，操作簡便且可發展的空間大[10]。在產品設計中Arduino可與其他電子元件方便地連接，支持多樣互動程序，常用于開發交互產品，通過讀取大量的開關和傳感器信號，實現對終端的各種控制[11]。

在本設計中Arduino作為微控制器實現交互功能，通過串口接收無線傳感網絡中各終端節點傳送給協調器的數據，再通過藍牙模塊發送到遠程云服務器，此過程將采集到的用戶測試數據傳輸至服務器進行處理，同時，Arduino也可通過藍牙模塊接收用戶在移動端App發送的測試模式選擇等指令，此過程將用戶指令傳輸至協調器，協調器以此為依據控制各終端節點。

3 產品設計

3.1 產品硬件

本設備搭建框架如圖3所示，其終端節點包括指示燈、蜂鳴器、天線、電容式觸摸傳感器。終端節點采用電容觸摸芯片采集測試者的數據，采用以cc2530為控制中心的芯片，內部有8051微控制器，具有協同處理能力，可以滿足ZigBee的無線通信和各端點的數據采集處理[12]，該芯片外接天線來進行與協調器的通訊。整個測試終端由多個終端節點和一個協調器組建成星型無線傳感網絡，無線傳感網絡的搭建使用ZigBee協議。本設計的傳感器終端節點裝置設計了打地鼠和“之”字排列兩種工作模式，打地鼠模式如圖4模式1所示，“之”字排列其設置移動線路、區段路線和轉向區域如圖4模式2中的1-4所示，圖中1-2，2-3，3-4表示的數據為記錄的測試人員通過對應線路的時間，相鄰節點間的距離可用紅外線距離傳感器測得，1、2、3、4表示轉折點。測試人員就位之后，處于四周的指示燈全部顯示亮表示開始測試，結束后則指示燈再次全部顯示亮表示結束測試。開始測試后終端指示燈間歇性逐個顯示亮，測試人員按照指示燈的顯示奔跑到對應的指示位置觸摸相對應的觸摸傳感器，觸摸成功后則會有指示燈滅、蜂鳴器響，與此同時觸摸成功的信號會通過天線發送到協調器。若測試人員未在系統設定的最長間隔時間內觸摸成功，未觸摸成功的信號會通過相應的終端節點處的天線發送至協調器。