基于無線傳感技術的體育教學田徑訓練強度監測系統

熊恬

(陜西中醫藥大學，體育部， 陜西，咸陽 712046)

0 引言

現階段，體育類教學已成為我國重點的教育項目之一，但是由于長時間高強度的訓練內容，就容易導致運動員在訓練時出現肌肉損傷或其他勞損情況，但很難被及時發現，導致運動員身體內的損傷不斷累積，長此以往形成嚴重的二次傷害，并且無法在短時間內準確判斷出受損位置的，從而導致誤導治療，引起嚴重后果。此時就需要一種專業的基于田徑運動的訓練強度監測裝置，對在運動員訓練時身體表現的各類信號特征進行及時監測，并利用裝置中的傳感器及各種節點判定機制，對發出高強度信號的位置點進行詳細分析，判定是否存在損傷信號，從而檢測運動員是否超出正常訓練強度，最大程度減少傷害、提高運動員自身安全。

文獻[1]設計基于視頻圖像的運動訓練中體質狀況實時監測系統，采用物聯網環境下的視頻監控技術對體能運動訓練的視頻進行圖像采集，對采集的運動訓練視頻監控實行三維輪廓特征提取和邊緣信息融合處理，結合圖像濾波檢測技術對視頻圖像的運動訓練中體質狀況信息檢測識別，采用角點檢測方法針對運動訓練視頻監控部位的特別關鍵點做標定處理，根據標定結果進行區域重構，實現運動訓練中體質狀況實時監測的視頻圖像分析，在運動訓練中采用VIX總線處理技術進行監測并處理體質狀況實時信號，以PLC和DSP作為數據處理中心單元，在ARM嵌入式微處理器環境下對運動訓練中體質狀況實時監測系統的硬件模塊化開發。但是上述系統的測試結果誤差率較大。

針對上述情況，本文設計基于無線傳感技術的體育教學田徑訓練強度監測系統。

1 體育教學田徑訓練強度監測系統整體框架

通過對無線傳感技術的有效分析，提出構建基于體育教學田徑訓練強度監測系統的整體框架構思，其具體分布如圖1所示。

圖1 系統的整體框架

從圖1可以看出，整個監測系統主要是由基于無線傳感技術的數據終端服務器、硬件結構及軟件結構共同組成。

(1) 無線傳感監測數據終端，是由配置在田徑運動員身上的記錄肌理特征參數[2]的節點裝置組成，保證身體各類數據的傳輸和記錄。

(2) 硬件結構能夠直接連接醫療中心等急救部門的網絡數據端，確保及時性。

(3) 軟件結構能夠通過采集取得全部的監測數據，完整的儲存于數據庫中，并通過網絡線路連接至各個遠程監測服務器中，這樣就可完成整個基于無線傳感技術的監測系統構架設計。

1.1 終端監測器

由于在體育教學的田徑訓練中，往往會因為訓練強度較大而導致運動員出現肌肉損傷或其他傷害，所以，通過在運動員身上安裝一種終端監測節點裝置，來實時獲取身體數據以及進行損傷判斷，從而檢測運動員訓練強度是否超標，保證自身安全和健康。

此裝置由監測電源、數據傳感器、運動生理特征的信號顯示器共同組成，并且該終端監測器的芯片采取低功率方式，降低耗用時間可延長一定的使用壽命，其具體模塊思路設計如圖2所示。

圖2 終端監測器具體框架

1.2 監測供電源

由于無線傳感服務器是需要在運動員身上佩戴安裝的，為保證人身安全，所以在電源方面受到了一定的限制。所以在各方面都充分考慮后本文將利用小型的能量型電源來保證實施，此電源的能量是可以不斷再生的[3]，并且還能進行各種供電模式的轉換，保證長久供電與儲存，其具體供電模式如圖3所示。

圖3 監測器電源供電線路

1.3 數據傳感器

對上述無線傳感終端監測裝置中的數據傳感器部分進行詳細分析和解釋。一般情況下在終端裝置中，其數據集的接收、儲存、發送部分的技術支持主要是由兩種特殊技術芯片提供，分別為：數據處理芯片[4]以及信號射頻芯片[5]。

它們的作用就是負責控制和傳輸無線接收器獲取的資源信息，基本的處理操作主要包括：將信息標準化[6]、后續的收發、傳輸與儲存等，這樣就能夠實現無線傳感數據的測量、傳輸和記錄，再通過特定的標準化信號接口與信息數據接收機制相關聯，防止信號傳輸時信號丟失或異變，保證信息的完成性和時效性，其接口處傳感器線板[7]的具體表述如表1所示。

表1 無線傳感器數據接口

根據表1的接口表述中對信號電路的調整，就可以根據此無線接口完成模擬數據轉換，再通過預測的形式模擬出數據經過傳輸接口及通道時的實時狀態，降低傳輸誤差，保證數據信號的接收器的實時連接，在最大程度上提高了數據傳輸的安全性。此外，還在無線接口處設置了電源供給，可以為傳感器內的所有電路提供電源，確保發送或接收過程的有效實施。

一般情況下，數據傳感器會出現因數據特征的重復而導致的增加信號查找誤差率的問題。所以，提出通過對數據進行特征重復性的計算來解決此類問題，其計算式如下：

(1)

其中，ΔRmax表示基于信號查找過程中最大數據重復特征的偏差值。

基于式(1)可得數據的無線傳感器中基于靜態特征[8]屬性數據的查找誤差計算式為

(2)

其中，γ表示靜態特征的重復率,n表示數據的檢測數量。這樣就將待測數據的數量輸入到上述公式中，根據靜態特征屬性計算出傳感器內的數據的重復率γ，以及誤差值。使得數據的傳輸更為精準，降低監測難度，使系統具有更高的可靠性和準確性，保持系統狀態的穩定。

1.4 運動生理特征的信號顯示器

在無線傳感的終端監測裝置中，信號顯示器作為其最為重要的組成設備之一，可以根據傳感器記錄實時記錄的田徑運動員訓練強度的完整信息，再通過一定的調理及整合給出最后的信號顯示。

其主要負責的是心電類信號，該信號中含有運動員的各種生理狀況的信息，根據心電特征進行顯示模塊的構建，心臟的收縮或是舒張都能引起心電圖曲線的變化，并且還能引起人體皮膚表面的微電流的帶電變化，基于此就能根據實時記錄的心電狀態變化曲線的波動程度及幅度大小，來判定運動員基于各種訓練強度的情況下，心跳頻率及其他身體特征的實時變化，最后再通過信號顯示器加以標注顯示，其具體的心電頻率波動效果如下圖4所示。

圖4 運動員心電變化頻率波動

從圖4中可以看出，心電頻率的時效周期一般包括幾個片段，在圖中分別是A、B、C、D、E這5個跳動變化的波形，它們都分別表示心臟實時跳動變化的區域和活動范圍。

A段波形表示在心臟中左右心房電位的實時變化。

B段波形和C段波形都表示左右心房在去電極時時間和電位的變化。

D段波形表示在去極電路之前的時間和電位的實時變化。

E段波形則表示去極電路之后的時間和電位的實時變化。

從圖中可以清晰地看出，每一段波形所形成的波組距表示一個心臟實時跳動的周期，且每組含有A、B、C、D、E這5個波群。

由于此設備需要在運動員身上安裝，保證監測時效性，但是由于大量的活動容易形成電路噪聲影響信號質量，所以通過設立噪聲濾波器來降低信噪比，提高監測的實際效果，具體設計如下圖5所示。

圖5 噪聲濾波電路設計

1.5 數據采集模塊

一般情況下，基于監測類的系統數據采集基本有兩種方法：一種是循環式監測采集方法；另一種是隨機訓練采集的方法。由于第一種對于人員基數較大的運動員來講，很難查找目標，難度較大。而且運動員訓練的各種參數以及位置、起跑和終點線時間都是隨機的，所以本文采取第二種隨機采樣的方式來進行監測系統的數據采集。對于上述數據傳感器傳輸的數據，本文通過基于RS485的16路數字量采集器進行數據采集，基于RS485的16路數字量采集器如圖6所示。

圖6 數字采集器

采集的方法主要是計算機CPU持續進程工作中，進行數據的地址選取、傳送、接收、整合處理的唯一制定的工作通道。而在田徑項目運動員的訓練強度系統中就可將其表達為，在模擬的百米賽跑運動中，起跑的一瞬間就像計算機中輸入一個標記信號，并且這時開始感知計時，以此為基礎，同樣方法在運動員接觸終點線時，也向計算機內輸入一個結束信號，并全面記錄該運動員所用的時間。將這些數據進行整合分類，放置到采集子系統內的數據儲存類項目單元去。這樣就可完成數據采集，這種基于隨機采樣的數據采集方式，不受外界各類因素的干擾，可保證數據的完整性和時效性，還可提升數據的抗干擾能力，其具體記錄方式如下。

表2 基于隨機采樣的數據采集模式

1.6 監測電路

在基于體育教學的田徑運動訓練強度系統中，根據無線傳感技術為各個子系統提供傳輸連接電路，通過各電路的連接實現數據關聯，保證系統的穩定性及數據的安全性。

本文采取橋壓式電路作為設計重點，利用該電路的自身屬性特征對系統電路中的其他器件源路進行表達，實現器件間電源線路的精準性，降低功耗并確保線路穩定，保證后續數據處理操作的可靠性。采用一款zbw800kw可調節式線路穩壓器，其主要工作模式就是利用電路外部的兩個可自動設定的電阻，并將其范圍調至3～40 V的電壓基準值，這時內部的溫度電壓系數較小約為20 Ω，動態范圍內的阻抗較低，基本數值約為0.321 Ω。

根據系統中需要低電壓、低功耗的電路要求本文利用上述觀點構建了基于橋壓式的電路模型如下圖7所示。

圖7 橋壓式的電路模型

從圖中可以看出，電路采取的是電力為2N222的三極管進行電流的調節，輸入電阻R和電壓V1為穩壓器TL431提供高效的工作電流，再通過電阻R1,R2的實時調節使得電壓穩定在V0=3 V。至此完成可調節電路信號的供電線路設計。

2 仿真實驗分析

2.1 測試背景

為了驗證本文設計的基于無線傳感技術的體育教學田徑訓練強度監測系統在實際應用中的有效性，選取某體育學校學生300名進行仿真實驗測試。實驗對象在6 km/h(a)、8 km/h(b)、10 km/h(c) 三種不同田徑運動速度下各采集數據600組，并通過如下圖8所示的數據傳感結構拓撲圖來進行性能測試。

圖8 結構拓撲圖

圖中1～16個端點是由纖維材料做成的電阻隔片，并且每隔4個隔片就可組成一個以頂點為基準的電阻方格，圖中電阻方格分別貼附在左右手臂和左右大腿上，每個電阻方格存在3個電阻隔片，貼附在上臂肌肉、小臂肌肉、手肘以及大腿肌肉、小腿肌肉和膝蓋，在區域通道內配置2個基元無線傳感的供應節點裝置，和10個采集數據的節點，其中模擬損傷位置為3、7、8、10、11、14。

2.2 訓練強度監測結果

在拓撲結構中隨機布置相應的電阻隔片，讓信號之間可以實現數據連接，并在12個電阻方格內的中心位置，依次放置加載數據為40 N載荷的模擬肌理損傷信號，傳送命令至無線傳感數據采集節點，在節點取得信號命令后，就對肌理數據進行采集、發送、接收以及儲存，將此步驟循環重復3～10次，保證每個方格內的節點都能均勻獲取數據信息。

模擬測試中把所有節點方格看作是各類傳感模式，表3是最終基于信號傳感器的訓練強度過高可能會引起肌理損傷定位結果，0表示損傷可能性較低，訓練強度較小；1表示發生損傷可能性較高，訓練強度較高。

表3 訓練強度損傷位置判定

表3是基于本文監測系統對運動員的身體損傷及訓練強度的判定結果，與設定的定位完全一致，可得整體訓練強度已經超出運動員安全訓練范圍，應該立即發出警報，降低訓練強度或停止訓練。

2.3 外界刺激下身體特征信號監測結果

在進行體育教學時，對田徑運動員的訓練過程利用本系統實施數據監測。一般情況下，在運動時會產生一些監測數據例如：運動員的心跳、身體實時的溫度以及皮膚電阻等信息。本文測試將對皮膚產生的電阻信號作為監測數據，為了保證實驗結果的直觀性和準確性，將對信號電路中加入一定的皮膚刺激，分析其狀態之間的變化數值及數據間相互產生的關聯，經過不斷的調整電路中信號的阻值數量及大小，再循環測試，最終得出實際電阻信號如圖9所示。

圖9 經過刺激后的皮膚電阻信號

從圖9中可以看出，未受到外界刺激時的皮膚電阻信號監測曲線的頻率一直穩定在2.6～2.8 Hz之間，一般來說，在受到外界刺激后皮膚會出現一定的肌理反應從而影響監測裝置的波頻，但從圖中本文監測器在受到刺激后的曲線來看，其并未受到太大的影響，整體波動幅度還是穩定在2.6～2.8 Hz內，且每個時間段內的信號差異不大，這是因為本文在信號顯示步驟時，加入了噪聲濾波器的設計，可在一定程度上減輕因運動員大量的活動而形成電路噪聲，從而降低信噪比、降低監測誤差、減少電阻信號間的波形頻譜差異。

測試證明，本文監測系統擁有較高的信號控制能力，且信號的監測和傳輸過程一直保持著穩定狀態，保證數據的完整性和安全性，監測準確率較高、整體效果優異。

3 總結

通過對本文提出的基于無線傳感技術的體育教學田徑訓練強度監測系統進行有效研究和分析，得出以下幾點結論：

(1) 基于無線傳感監測的終端服務器可以實時獲取運動員的身體數據，并且通過低功率供電電源的設計可降低功耗，延長使用壽命。其中，數據傳感器通過特定的接口處理有效防止信號丟失和異變，保證信息的安全性。

(2) 利用隨機采樣的數據采集方式可以有效確保數據信息的完整性和時效性。而建立的橋壓式電路確保各器件間的線路穩定，提高后續數據處理操作的可靠性。

(3) 性能測試證明，本文系統可以有效降低電路中的信噪比，并且數據監測的準確性較高、能夠滿足各個領域的特殊化或個性化要求。