無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)下的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張斌

摘要：以現(xiàn)代體育訓(xùn)練使用需求為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)及基站的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)收集人員運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)收集。在軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基站控制、節(jié)點(diǎn)控制及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的設(shè)計(jì)，能夠有效實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的收集、存儲(chǔ)和分析。最后對(duì)設(shè)計(jì)的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果表示，該文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使用需求。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；體育；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0012-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)較為激烈的現(xiàn)代競(jìng)技體育具有一定的影響，使用信息技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)人員訓(xùn)練的科學(xué)性。在傳統(tǒng)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，其都是通過(guò)教練人員對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和觀察，根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的合理性進(jìn)行判斷。此種定性的分析方法具有較強(qiáng)的主觀性，并且誤差較大，而且容易受到干擾。將現(xiàn)代信息技術(shù)和傳統(tǒng)訓(xùn)練方式及經(jīng)驗(yàn)相互結(jié)合，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的量化參數(shù)相互結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)參數(shù)的及時(shí)獲取，并且使計(jì)算機(jī)對(duì)其有效統(tǒng)計(jì)處理，以此為運(yùn)動(dòng)人員提供精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果。基于此，本文就對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的需求

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于計(jì)算機(jī)、傳感器和通信相互結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，其能夠通過(guò)傳感器技術(shù)和嵌入式計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、感知和處理。在實(shí)際工作過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括大量集成傳感器及數(shù)據(jù)處理單元，并且還具有無(wú)線(xiàn)通信模塊構(gòu)成的多個(gè)細(xì)小的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能夠利用自組織的方式創(chuàng)建通信網(wǎng)絡(luò)，提高信息傳輸過(guò)程中的效率。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有多種現(xiàn)代化技術(shù)的集成，使用此網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集感知和處理，并且還能夠?qū)⑾鄳?yīng)的信息發(fā)送給觀察人員，并且其在使用過(guò)程中還具有一定的優(yōu)勢(shì)[1]。

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要保證其中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠相互的組合，從而有效提高系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)效率，并且還要保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息傳遞、用戶(hù)隱私、接口及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)方面得到基本的保障，從而提高在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中的安全性。在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練管理過(guò)程中，保證系統(tǒng)能夠具備體育管理人員的思維模式，通過(guò)客觀運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練規(guī)律，從而有效提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效率，實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中的組織性、計(jì)劃性、創(chuàng)新性及協(xié)調(diào)性。并且在實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要能夠全面保證體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練管理系統(tǒng)滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練管理人員及對(duì)象的需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的優(yōu)化，保證使用此系統(tǒng)能夠?qū)w育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指標(biāo)進(jìn)行全面的衡量，以此有效提高系統(tǒng)實(shí)用性，使系統(tǒng)能夠有效滿(mǎn)足用戶(hù)需求[2]。

2 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架

圖1為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員生理及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，比如心電、加速度、速度及血壓等。實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，就能夠在運(yùn)動(dòng)人員身體及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地中安裝，并且實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)及生理參數(shù)的收集。然后將收集的參數(shù)到基站中發(fā)送，其利用內(nèi)部管理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和處理，之后通過(guò)LCD屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的展現(xiàn)?；局惺謾C(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中長(zhǎng)期的存儲(chǔ)，并且對(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)資料進(jìn)行積累，創(chuàng)建專(zhuān)家系統(tǒng)[3]。

圖1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、處理器、電源及射頻模塊，圖2屬于本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框架，其中電源模塊能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供精準(zhǔn)及穩(wěn)定的能源也是節(jié)點(diǎn)是否能夠工作的先決條件。本文所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電壓在2.6-3.6v之間[4]。

使用AT65854單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的核心處理器，其在工作過(guò)程中的功耗較低。傳感器模塊使用低功耗三軸電容加速度傳感器，其主要使用溫度補(bǔ)償、單機(jī)低通濾波器、信號(hào)調(diào)理等技術(shù)。在處于休眠模式中的時(shí)候，其電流能夠有效滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的低功耗需求。傳感器模塊中還具有擴(kuò)展接口，能夠以不同需求實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型傳感器的安裝。

2.2.2 基站

基站屬于系統(tǒng)控制及處理的核心內(nèi)容，其具有數(shù)據(jù)處理、路由維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)喚醒、操作管理等功能。和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，要求基站的處理能力及運(yùn)行速度較高，并且要全面考慮系統(tǒng)的性能擴(kuò)展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要使用具有較高性?xún)r(jià)比而且豐富的資源，實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)控制器的集成，從而使其能夠在功耗敏感場(chǎng)合中使用。

其中的射頻模塊使用CC2541型號(hào)，其能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸協(xié)議的統(tǒng)一，從而使傳輸可靠性得到保證。其中的LCD屏使用3.5英寸，通過(guò)CUI實(shí)現(xiàn)圖形界面的開(kāi)發(fā)，從而使基站能夠成為手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)教練員指令的接收，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作進(jìn)行控制，從而在室內(nèi)和室外都能夠?qū)崿F(xiàn)訓(xùn)練任務(wù)[5]。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)化，在此系統(tǒng)中要具備多方面的功能，從而使其能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求。系統(tǒng)軟件主要包括用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線(xiàn)通信、傳感器數(shù)據(jù)收集及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練決策。

用戶(hù)管理的主要功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶(hù)信息的查詢(xún)，還能夠保證用戶(hù)能夠以不同的權(quán)限、角色在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的操作，系統(tǒng)中具備多用戶(hù)信息安全的預(yù)防及保護(hù)，保證系統(tǒng)在使用過(guò)程中的安全性。

數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的有效管理。

無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的功能就是利用無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳播，從而保證體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練管理信息能夠完整。

訓(xùn)練決策的主要目的就是使用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的合理布局、管理和立項(xiàng)，從而使體育運(yùn)動(dòng)管理人員的訓(xùn)練能夠協(xié)調(diào)[6]。

2.4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，其具備雙重?zé)o線(xiàn)傳播的功能。而且，在實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的過(guò)程中要能夠 基于后臺(tái)管理軟件進(jìn)行控制，收集傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)路由器對(duì)體育訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

無(wú)線(xiàn)通信的主要目的就是實(shí)現(xiàn)控制信息、收集信息和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的能量檢測(cè)信息傳遞，利用無(wú)線(xiàn)射頻實(shí)現(xiàn)發(fā)送模塊的接收，還能夠?qū)⒆陨硇畔?duì)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信模塊功能的拆解。

在實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)硬件主要包括無(wú)線(xiàn)傳輸及信息處理等單元內(nèi)容。其中處理單元的主要目的能夠?qū)崿F(xiàn)操作傳感器節(jié)點(diǎn)的控制，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行處理。對(duì)于其中的傳感器收集單元，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)管理區(qū)域的有效負(fù)責(zé)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信息的收集，并且無(wú)線(xiàn)傳感還能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息通信，保證此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理。其中系統(tǒng)配置參數(shù)主要包括用戶(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接及系統(tǒng)等參數(shù)的配置，比如運(yùn)動(dòng)人員編號(hào)、測(cè)試方式和測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)量的設(shè)置，從而滿(mǎn)足不同訓(xùn)練及測(cè)試的需求。

數(shù)據(jù)收集屬于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫(kù)中心和基站通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)連接，在保證基站連接請(qǐng)求之后，會(huì)以自定義的數(shù)據(jù)包協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，然后以數(shù)據(jù)收集的順序和運(yùn)動(dòng)人員的編號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)模塊能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)控作用充分的展現(xiàn)出來(lái)，比如實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)等。

數(shù)據(jù)顯示的主要目的就是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)員及歷史數(shù)據(jù)充分的顯示出來(lái)[7]。

3 系統(tǒng)的測(cè)試

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，包括功率、電流的消耗和丟包率及碰撞率，通信實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果詳見(jiàn)表1。之后對(duì)不同發(fā)射功率中電流消耗進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果詳見(jiàn)表2。通過(guò)測(cè)試和使用結(jié)果表示，本文所研究的系統(tǒng)能夠在使用過(guò)程中的能耗較低，并且能夠縮小節(jié)點(diǎn)體積，具備良好的擴(kuò)展性及靈活性[8-9]。

表1 通信實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)行業(yè)中，本文就基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)。使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效提高系統(tǒng)性能。不僅能夠?qū)τ?xùn)練過(guò)程及模式進(jìn)行自動(dòng)的控制，還能夠支持室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的訓(xùn)練使用，其組網(wǎng)較為靈活。在現(xiàn)代社會(huì)中，使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用屬于必然趨勢(shì)，其成本較低，并且操作較為簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)時(shí)性，使用前景較為良好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦勇. 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)下的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2016（5）：122-124.

[2] 尹倩. 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于田徑運(yùn)動(dòng)的策略研究[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2017（28）.

[3] 王學(xué)泰. 基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 太原理工大學(xué)， 2013.

[4] 楊曉婧. 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 武漢工程大學(xué)， 2014.

[5] 胡璞， 易名農(nóng)， 劉嘉. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的水上訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J]. 武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào)， 2015， 49（3）：96-100.

[6] 馬勇， 鄭勤振， 劉林，等. 基于無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的體育場(chǎng)館室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào)， 2017， 51（3）：70-76.

[7] 何偉， 陳騏， 史鴻范，等. 步法移動(dòng)訓(xùn)練及監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的研究[C]// 2011全國(guó)體育科學(xué)大會(huì). 2011.

[8] 葉強(qiáng). 柔性力敏傳感在人體運(yùn)動(dòng)信息獲取和反饋訓(xùn)練中的應(yīng)用研究[D].合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2017.

[9] 張棟. 基于Zigbee技術(shù)的足球跑位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2015（10）：186-187.