運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程監(jiān)控之硬件構(gòu)成、思路及設(shè)計(jì)原理

呂永忠，張慧珍，李鵬飛

（甘肅省體育科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730050）

本文通過(guò)心率動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成、思路及設(shè)計(jì)原理等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由腕式心率表、藍(lán)牙運(yùn)動(dòng)耳機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)語(yǔ)音轉(zhuǎn)發(fā)器和監(jiān)測(cè)終端三部分組成，其中腕式心率表用于運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)心率測(cè)量（包括心電圖顯示）和數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送；藍(lán)牙運(yùn)動(dòng)耳機(jī)用于教練員訓(xùn)練指導(dǎo)指令的無(wú)線接收；無(wú)線數(shù)據(jù)語(yǔ)音轉(zhuǎn)發(fā)器用于心率數(shù)據(jù)和教練員訓(xùn)練指導(dǎo)指令的雙向無(wú)線接收和轉(zhuǎn)發(fā)；監(jiān)測(cè)終端用于教練員對(duì)運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)心率的觀測(cè)和生理狀態(tài)的分析和訓(xùn)練指導(dǎo)指令的發(fā)送。

1 運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

在場(chǎng)地訓(xùn)練過(guò)程中多名運(yùn)動(dòng)員手腕配戴腕式心率表，運(yùn)動(dòng)員的心率將被采集并通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置發(fā)送到場(chǎng)地中心的無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，由轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送到教練員手持的監(jiān)測(cè)終端，教練員可實(shí)時(shí)觀察運(yùn)動(dòng)員的心率變化曲線和生理分析數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通訊鏈路向運(yùn)動(dòng)員發(fā)送訓(xùn)練指導(dǎo)指令，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)藍(lán)牙耳機(jī)接聽(tīng)訓(xùn)練指導(dǎo)指令。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 線路設(shè)計(jì)

2.1.1 腕式心率表

1）心率測(cè)量方法。采用壓力測(cè)量法。壓力測(cè)量法是心率測(cè)量最精確的方法，其原理是心臟向外泵血引起與心跳同步的身體震動(dòng),產(chǎn)生體震信號(hào),其規(guī)律與心率相關(guān),可在手腕體振明顯部位通過(guò)敏感的壓力傳感器檢測(cè)出來(lái)。

2）壓力傳感器選型。壓力信號(hào)測(cè)量法采用合肥華科電子技術(shù)研究所的HK-2000B型集成化脈搏傳感器，該傳感器采用高度集成化工藝將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。傳感器采用壓電式原理采集信號(hào)，模擬信號(hào)輸出，輸出同步于脈搏波動(dòng)的脈沖信號(hào)，脈搏波動(dòng)一次輸出一正脈沖。該傳感器具有靈敏度高、抗干擾性能力強(qiáng)、過(guò)載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

3）心率信號(hào)處理電路。采用神念科技公司的BMD101芯片，具有先進(jìn)的模擬前端電路和靈活強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)?？梢圆杉瘡膗V到mV的生物信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)Neurosky的專(zhuān)利算法處理。

低噪音放大器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器是BMD101模擬前端的主要組成部分。BMD101具有極低的系統(tǒng)噪聲和可控增益,因此可以有效地檢測(cè)到生物信號(hào),并使用16位高精度ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器把它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。模擬前端還包含一個(gè)檢測(cè)感應(yīng)器脫落的電路。

BMD101的核心是一個(gè)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)管理單元。它負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)配置、運(yùn)行管理、內(nèi)外通訊、專(zhuān)有算法計(jì)算和電源管理。BMD101還配有固化DSP數(shù)字信號(hào)處理模塊來(lái)加速對(duì)系統(tǒng)管理單元監(jiān)控下的各種數(shù)字濾波的計(jì)算。

4）心率數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)射。采用成都澤耀科技有限公司的產(chǎn)品AS14-TTL模塊。

AS14-TTL模塊簡(jiǎn)介：

（1）中心頻率為2.4GHz的無(wú)線通信模塊，具有TTL電平的串口通信接口，支持波特率為1200～115200多達(dá)7種波特率。

（2）AS14-TTL1mW模塊的有效傳輸距離約為200m，AS14-TTL100模塊的有效傳輸距離約為2000m。

（3）采用目前較新的無(wú)線射頻芯片，以及低功耗高性能單片機(jī)構(gòu)成。

（4）可設(shè)置為跳頻模式，此時(shí)提供3個(gè)基本信道供用戶(hù)設(shè)置，模塊將使用其余信道進(jìn)行跳頻處理，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

5）心率表方案。采用最新光電技術(shù)探頭和小功率數(shù)傳模塊，美觀，傳輸距離有保證（2000m），探頭與處理芯片匹配性好。見(jiàn)表1。

表格1 心率表方案

6）供電設(shè)計(jì)。供電電壓DC3.7V，采用500mAH可充電鋰電池，該腕式心率表充一次電可用的時(shí)間見(jiàn)表2，可考慮采用小容量電池減小心率表體積。

表格2 供電設(shè)計(jì)方案

充電電池選用中順牌LP500-602030，3.7V鋰電池，電池容量 500maH，尺寸 30mm×20mm×4mm。假設(shè)每次訓(xùn)練1h，此方案可用35次。

7)電原理框圖，如圖1所示。

圖1 心率表組件平面尺寸比例

2.1.2 指導(dǎo)指令接收

教練員指導(dǎo)指令采用藍(lán)牙4.0技術(shù)以廣播形式發(fā)送，指令可供2位運(yùn)動(dòng)員使用無(wú)線藍(lán)牙無(wú)線耳塞機(jī)接聽(tīng)，有效接聽(tīng)距離約500m。

藍(lán)牙耳塞機(jī)選用蘋(píng)果或三星品牌運(yùn)動(dòng)型或微型耳塞產(chǎn)品，充一次電連續(xù)接聽(tīng)教練員指導(dǎo)指令的時(shí)間大于6h。

2.1.3 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器

1)與心率表的通訊。無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器與心率表之間采用2.4GHz藍(lán)牙4.0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，頻率范圍2.4～2.485GHz，采用間隔為10MHz的多工器構(gòu)成獨(dú)立的8個(gè)通道，每個(gè)通道連接一個(gè)AS14-TTL100模塊，天線采用高增益鞭狀全向天線，心率數(shù)據(jù)輸出后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS-485串口形式。

濾波器組采用腔體濾波器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)頻率范圍：2.4GHz～2.48GHz。

(2)通道頻率間隔：10MHz。

(3)通道數(shù)：8個(gè)。

(4)通道帶寬：4MHz。

(5)通道隔離度：40dBc。

(6)插損：≤1.5dB。

無(wú)線數(shù)傳模塊選用成都澤耀科技有限公司的AS14-TTL1mW模塊，采用2.4GHz波段，傳輸距離200m。

TTL串口轉(zhuǎn)RS-485串口采用杭州安米電子有限公司的模塊，尺寸為45mm×18mm。

接收天線選用使用頻率2.4GHz，接收增益為12dB的全向天線。

2)與監(jiān)測(cè)終端的通訊。無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器與監(jiān)測(cè)終端之間采用2.4GHz的WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。8路RS-485心率數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為1個(gè)網(wǎng)絡(luò)LAN信號(hào)，再通過(guò)WIFI路由器發(fā)送。

8路RS-485串口轉(zhuǎn)網(wǎng)路服務(wù)器沒(méi)有板卡形式的，可采用BT-308R，尺寸為164mm×100mm×40mm。

BT-308R的資料：

功能簡(jiǎn)介：

(1)采用32位ARM處理器，八個(gè)串口完全獨(dú)立，可以同時(shí)最高波特率460Kbps通訊。

(2)支持10M/100M以太網(wǎng)接口形式。

(3)支持?jǐn)嚯娀蛘邤嗑W(wǎng)自動(dòng)恢復(fù)。

(4)支持9～40V DC寬電壓輸入。

(5)支持Web/Telnet/Console控制臺(tái)多種方式進(jìn)行管理和配置。

(6)支持TCP、UDP、、ICMP、HTTP、DNS、DHCP,Telnet協(xié)議。

(7) 工作方式：TCP Server，TCP Client、UDP、虛擬串口驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)模式支持過(guò)網(wǎng)關(guān)，跨路由通信。

(8)支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP SOCKET,Telnet程序訪問(wèn)。

WIFI路由器選用臺(tái)灣ARGTEK公司生產(chǎn)的ARG1220型2.4GHz/5GHz雙頻無(wú)線路由器，該產(chǎn)品發(fā)射功率達(dá)1W，傳輸距離大于3000m，天線可拆卸。估計(jì)尺寸為160mm×130mm×20mm。

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)USB選用倍晶牌USB網(wǎng)卡。

3）藍(lán)牙發(fā)射器。采用博陸科電子的BLK-BTD-6610型超遠(yuǎn)距離藍(lán)牙發(fā)射器，輸入為L(zhǎng)AN路由器的USB接口。

產(chǎn)品功能如下:

(1)藍(lán)牙 V2.0+EDR。

(2)標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口。

(3)兼容 Windows,Linux,Mac OS X。

(4)標(biāo)配7dB外置SMA專(zhuān)業(yè)天線。

(5)可延伸距離至10km。

(6)無(wú)需外置電源，USB直接供電。

(7)全鋁質(zhì)機(jī)身，防無(wú)線干擾，提高靈敏度。

(8)提高藍(lán)牙系統(tǒng)的覆蓋范圍。

(9)支持EDR增強(qiáng)速率，最高速度可達(dá)3Mbps。

(10)內(nèi)置Bolutek UR遠(yuǎn)距離專(zhuān)利技術(shù)。

(11)同時(shí)支持微軟藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)和IVT藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)。

(12)連接普通Class2藍(lán)牙設(shè)備可達(dá)到500m（實(shí)測(cè)）。

4）供電設(shè)計(jì)。采用神力聚能牌12V可充電鋰電池，電池容量60AH，外形尺寸300mm×200mm×60mm，重量3.9kg，充電時(shí)間4～5h。DC5V電源通過(guò)直流電壓變換器產(chǎn)生。

無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器的功耗估計(jì)如下見(jiàn)表3，充一次電可用約30h。

表格3 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器電池使用時(shí)間估計(jì)

DC/DC轉(zhuǎn)換器選用寧波普正公司的AP612模塊，DC12V輸入，DC5V輸出，最大輸出電流3A。

2.1.4 教練員顯示終端

1)連接普通Class終端計(jì)算機(jī)。采用Windows操作系統(tǒng)的平板電腦，如微軟10.1寸WIN8平板電腦，選擇時(shí)應(yīng)注意屏幕顯示亮度，保證能在室外條件下使用，同時(shí)應(yīng)具有USB接口，以便必要時(shí)連接WIFI增程器。

2)WIFI增程器。在標(biāo)準(zhǔn)田徑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)使用時(shí)，平板電腦的WIFI接收能力已經(jīng)足夠，故WIFI增程器只是一種選配設(shè)備，當(dāng)教練員所處位置離運(yùn)動(dòng)場(chǎng)較遠(yuǎn)時(shí)，可選用USB接口的無(wú)線網(wǎng)卡，通訊距離可增加到3000m以上。