基于ZigBee的跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)研究

摘 要： 賽跑是運(yùn)動(dòng)會(huì)最常見(jiàn)的競(jìng)技項(xiàng)目，然而專為跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練設(shè)計(jì)的電子輔助系統(tǒng)卻很少，都使用有線傳輸數(shù)據(jù)且線路復(fù)雜，僅能顯示時(shí)間信息而未將資料數(shù)據(jù)做管理。這里采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，整合ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)、Megawin單片機(jī)（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，不僅具有訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)任意分段距離組合的精確計(jì)時(shí)功能，而且還有訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)資料分析與管理功能，可協(xié)助教練或個(gè)人在訓(xùn)練后分析訓(xùn)練情況以及如何提高成績(jī)。

關(guān)鍵詞： 輔助訓(xùn)練； 蜂窩網(wǎng)絡(luò)； 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 紅外線感測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0062?03

Research on ZigBee?based training auxiliary system for running athletes

LI Shengpu， WANG Xiaohui

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467002， China）

Abstract： Race is one of the most common sport items， but there are few electronic aided systems for the running athletes training， in which wire is used to transmit data， its circuit is very complex， and only time information can be displayed， but the data management is not considered. Therefore， ZigBee wireless transmission technology was adopted to replace the wire transmission of the existing system， and the running athlete training aided system was designed and implemented by integrating the ZigBee wireless transmission technology， Megawin microcontroller， infrared sensing and voice sensing element. This system not only has precise timing function of any segment distance combination in the training spot， but also has data analysis and management functions after training， which can help coach or runner to analyze the training state and improve the training performance.

Keywords： auxiliary training； ZigBee； WSN； infrared sensing

跑步是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，國(guó)內(nèi)外每年都舉辦有大大小小的各種運(yùn)動(dòng)賽事，而賽跑項(xiàng)目是每一個(gè)運(yùn)動(dòng)會(huì)上不可缺少的競(jìng)技項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)員為了比賽時(shí)有好成績(jī)，平日無(wú)不積極訓(xùn)練，充分運(yùn)用高科技的輔助系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練有很大的幫助，然而專為跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練設(shè)計(jì)的電子輔助系統(tǒng)并不多見(jiàn)?，F(xiàn)今市場(chǎng)中可找到一些產(chǎn)品[1]，大都使用有線傳輸且其系統(tǒng)線路復(fù)雜，也僅能顯示時(shí)間信息而未將資料數(shù)據(jù)做管理。ZigBee為一種短距離、低傳輸率、架構(gòu)簡(jiǎn)單以及低功率的無(wú)線通信技術(shù)，常被廣范應(yīng)用于智慧型住宅、醫(yī)療照護(hù)及工廠自動(dòng)化等，并已發(fā)揮很好的功能效果[2]。對(duì)比現(xiàn)有跑步運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能與系統(tǒng)架構(gòu)，本文以ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，并新增后端的數(shù)據(jù)資料管理功能，整合ZigBee 無(wú)線收發(fā)技術(shù)、Megawin 單片機(jī)（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)新型跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，以改進(jìn)現(xiàn)有訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)功能與硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的總體思路是：應(yīng)用ZigBee無(wú)線網(wǎng)路廣播功能，將起跑信號(hào)以無(wú)線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)，達(dá)到精確計(jì)時(shí)的目的，應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運(yùn)動(dòng)員的任意距離組合的分段計(jì)時(shí)。遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)則以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer?to?peer） 方式傳輸數(shù)據(jù)到后端資料管理系統(tǒng)，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于后端資料管理系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)有助于分析影響跑步訓(xùn)練效果中的各種因素，例如運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（intensity）、頻率（frequency）和持續(xù)時(shí)間（duration）等，協(xié)助使用者了解個(gè)人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)子系統(tǒng)：

（1） 架設(shè)于起跑線處負(fù)責(zé)啟動(dòng)計(jì)時(shí)的起跑端子系統(tǒng)；

（2） 架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處負(fù)責(zé)分段計(jì)時(shí)的遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)；

（3） 后端資料管理與分析系統(tǒng)。

跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的訓(xùn)練場(chǎng)布置如圖1所示。各子系統(tǒng)的功能分述如下：

起跑端子系統(tǒng)：架設(shè)于起跑線處，可以感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號(hào)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器并同時(shí)以ZigBee無(wú)線網(wǎng)路廣播的功能，將起跑信號(hào)以無(wú)線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)，并具計(jì)時(shí)顯示功能。

圖1 訓(xùn)練場(chǎng)布置

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：可以架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處，并于此處跑道左右兩側(cè)架設(shè)紅外線感應(yīng)裝置。具備無(wú)線接收自起跑端子系統(tǒng)送來(lái)的起跑訊號(hào)，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)與顯示功能，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)計(jì)時(shí)間并同時(shí)回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)，當(dāng)用于長(zhǎng)距離跑步訓(xùn)練時(shí)，可以儲(chǔ)存多組時(shí)間資料并可隨時(shí)選擇讀取這些資料。

后端數(shù)據(jù)資料管理：接收各個(gè)遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料，并具備儲(chǔ)存、整理與分析的功能，協(xié)助使用者了解個(gè)人訓(xùn)練狀況。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)前述系統(tǒng)規(guī)劃建構(gòu)跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的功能，硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

起跑端子系統(tǒng)：子系統(tǒng)硬體架構(gòu)如圖2所示，采用Megawin MCU（MPC82G516）為控制芯片，控制ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊、控制與選取電子起跑架以及語(yǔ)音感測(cè)IC。其中語(yǔ)音感測(cè)IC可以感測(cè)起跑鳴槍的槍聲，電子起跑架也可以提供起跑信號(hào)。確認(rèn)起跑信號(hào)以ZigBee同步傳送到各子系統(tǒng)，同時(shí)亦需計(jì)時(shí)與顯示。

圖2 起跑端子系統(tǒng)架構(gòu)圖

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：子系統(tǒng)硬體架構(gòu)圖如圖3所示，采用 Megawin MCU（MPC82G516）整合紅外線感測(cè)器與ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊。Megawin MCU（MPC82G516）控制ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊接收來(lái)自起跑端子系統(tǒng)的起跑信號(hào)，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，本子系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)計(jì)時(shí)間并同時(shí)回傳該資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)。

圖3 遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)架構(gòu)圖

后端數(shù)據(jù)資料管理： 服務(wù)器管理端架構(gòu)如圖4所示，包括后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)與 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊。其中 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊接收來(lái)自遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)的計(jì)時(shí)信號(hào)，并以筆記型電腦架設(shè)后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)，撰寫(xiě) LabVIEW及MySQL資料庫(kù)等軟體，完成人機(jī)操作界面以及資料分析處理功能。

圖4 后端數(shù)據(jù)資料管理架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

整合前述硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的硬件電路，配合硬件與功能需求撰寫(xiě)程序，依各子系統(tǒng)的功能，其程序設(shè)計(jì)如下：

起跑端子系統(tǒng)：程序流程如圖5所示，先偵測(cè)起跑信號(hào)（感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號(hào)），當(dāng)接收到起跑信號(hào)時(shí)開(kāi)啟起計(jì)時(shí)器，并控制 ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊以廣播方式傳送起跑信號(hào)到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)：程序流程如圖 6所示，程序主要先判斷是否接收到起跑端子系統(tǒng)的起跑信號(hào)，當(dāng)接收到起跑信號(hào)時(shí)同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)紅外線偵測(cè)跑步者到達(dá)感測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存到達(dá)計(jì)時(shí)間并同時(shí)回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)；系統(tǒng)可以儲(chǔ)存多組時(shí)間資料并可隨時(shí)選擇讀取這些資料。

圖5 起跑端子系統(tǒng)流程圖

圖6 遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)系統(tǒng)流程圖

后端數(shù)據(jù)資料管理流程如圖7所示。程序判斷是否接收到遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)的計(jì)時(shí)信號(hào)，以LabVIEW做資料整理與分析，分析的數(shù)據(jù)存入 MySQL資料庫(kù)。

圖7 后端數(shù)據(jù)管理流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)原型[3?6]

整合第2節(jié)的硬件設(shè)計(jì)及第2節(jié)軟件設(shè)計(jì)完成跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)原型，包括起跑端、遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)以及后端資料管理與分析等子系統(tǒng)，分別如圖8，圖9所示。

圖8 起跑端子系統(tǒng)原型

圖9 遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)原型

遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)的硬體外觀，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)計(jì)時(shí)歸零，并等待 ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊接收起跑信號(hào)后開(kāi)始計(jì)時(shí)；可使用按鍵控制選擇 Reset及讀取3次前次通過(guò)該點(diǎn)的碼表數(shù)據(jù)（每按1次按鍵顯示1次數(shù)值，第4次為返回碼表即初時(shí)顯示模式）。在系統(tǒng)原型制做與測(cè)試中，遇到 ZigBee無(wú)線收發(fā)受到雜訊與WiFi信號(hào)的干擾非常嚴(yán)重的情況，在此采用Shorted將外在雜訊透過(guò)鐵片接地方式降低雜訊干擾，并設(shè)計(jì)窄頻天線（天線的設(shè)計(jì)不在本文探討）改善接收信號(hào)效果，減少無(wú)線傳輸時(shí)發(fā)生資料遺失的機(jī)率。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)原型進(jìn)行以下功能測(cè)試，以驗(yàn)證成品具有所規(guī)劃的功能并正常運(yùn)作。

紅外線遮罩測(cè)試：當(dāng)紅外線產(chǎn)生遮罩時(shí)則點(diǎn)亮LED燈。

資料回傳測(cè)試：進(jìn)行遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳到后端資料數(shù)據(jù)管理的傳輸測(cè)試。

后端管理平臺(tái)：后端數(shù)據(jù)資料管理平臺(tái)中可輸入跑步者姓名、日期、總距離、各端距離。接收起跑端起跑信號(hào)同步開(kāi)啟計(jì)時(shí)，平臺(tái)上具備整理與分析各個(gè)遠(yuǎn)端計(jì)時(shí)子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料與顯示，并可依當(dāng)日測(cè)試狀況決定是否儲(chǔ)存到 MySQL 資料庫(kù)，同時(shí)具備分析平均速度與短距離的瞬時(shí)速度等功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本論文以循序漸進(jìn)的方式設(shè)計(jì)與整合 ZigBee無(wú)線傳輸模塊、Megawin單片機(jī)（MPC82G516）、紅外線感測(cè)及語(yǔ)音感測(cè)等元件，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序撰寫(xiě)與系統(tǒng)測(cè)試，完成跑步運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，可以應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運(yùn)動(dòng)員的任意距離組合的分段計(jì)時(shí)，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，協(xié)助使用者了解個(gè)人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。相較于現(xiàn)有其他系統(tǒng)，該系統(tǒng)具下列特色：

機(jī)動(dòng)性：本系統(tǒng)使用 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊取代有線傳輸，可以便捷布設(shè)并做任意距離的組合。

操作簡(jiǎn)易：具備簡(jiǎn)易操作的人機(jī)界面。

資料儲(chǔ)存、分析與管理功能：所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，具備資料儲(chǔ)存、分析與管理功能，此功能有助于分析影響跑步訓(xùn)練效果中的各種因素，例如運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（intensity）、頻率（frequency）和持續(xù)時(shí)間（duration）等，協(xié)助使用者了解個(gè)人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。

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