基于特征參數(shù)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

汪宏梅，裴云霞

（宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宣城 242000）

隨著人們對(duì)身體健康的重視程度不斷提升，開始逐漸進(jìn)行高強(qiáng)度的體育鍛煉，以提高身體素質(zhì)。而非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員有時(shí)不能很好地掌握運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的強(qiáng)度。因此，需要研究一種有效的體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的優(yōu)化監(jiān)控設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，結(jié)合對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)體育運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程管理和訓(xùn)練健康指導(dǎo)，提高體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的針對(duì)性和有效性，研究高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在促進(jìn)體育訓(xùn)練和健康監(jiān)測(cè)方面有重大意義[1]。

對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)是建立在對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)參數(shù)的采集和信息提取基礎(chǔ)上，結(jié)合優(yōu)化信息處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)進(jìn)行高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)測(cè)，提高高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)建立高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)信息融合模型，結(jié)合對(duì)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)采集結(jié)果，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息融合[2]，傳統(tǒng)方法中，對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法主要有基于ZigBee 傳感信息識(shí)別的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及基于自相關(guān)特征信息融合的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法等[3,4]。上述方法在高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)中存在抗干擾性不好和監(jiān)測(cè)輸出穩(wěn)定性不高的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于特征參數(shù)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)參數(shù)采集，然后結(jié)合ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和射頻標(biāo)簽識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)頻譜特征分析和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康水平測(cè)試。最后進(jìn)行仿真測(cè)試，展示了本文方法在提高高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力方面的優(yōu)越性能。

1 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感信息采集和融合處理

1.1 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感信息采集

為了基于特征參數(shù)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合ZigBee 傳感器組網(wǎng)設(shè)計(jì)的方法[5]，構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集模塊，如圖1 所示。

在圖1 所示的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊中，采用局部總線傳輸控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的信息融合，構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸控制模型，采用TMS320C50 DSP 芯片作為高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心處理芯片[6]，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征的集成信息處理，設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的FIFO RAM 緩沖區(qū)，采用Sync/Trigger 觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)控制指令加載和信息控制，得到系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)如圖2 所示。

在圖2 所示的總體結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，采集的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)參數(shù)主要有最大攝氧量VO2max、每分通氣量VE、氧脈搏O2P、心率HR 等特征參數(shù)，并在LED 顯示界面實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征信息顯示和優(yōu)化處理[7]。

1.2 數(shù)據(jù)信息融合處理

圖1 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集模塊

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

綜上分析，構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)測(cè)的集成信息處理模型，根據(jù)最大攝氧量VO2max、心率HR等指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息融合處理，如圖3 所示。

圖3 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息融合處理

2 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)化

2.1 特征參數(shù)識(shí)別

構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)特征分析模型，結(jié)合ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和射頻標(biāo)簽識(shí)別方法，對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)頻譜特征分量實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，采用RFID 射頻標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)，提取高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的關(guān)鍵特征信息[11]，高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)頻譜均衡輸出特征量為

根據(jù)上述分析，構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)識(shí)別模型，根據(jù)參數(shù)識(shí)別結(jié)果實(shí)現(xiàn)負(fù)荷狀態(tài)特征監(jiān)測(cè)和特征參數(shù)識(shí)別。

2.2 高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出

構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)特征分析模型，建立高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)融合模型，得到高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)融合的分布函數(shù)為

得到狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出表達(dá)式為

圖4 系統(tǒng)硬件集成設(shè)計(jì)

由此實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)頻譜特征分析和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康水平測(cè)試[12]。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)及仿真測(cè)試分析

高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息采集模塊，結(jié)合ZigBee 組網(wǎng)構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，采用DAVICOM 公司的DM9000 作為信息處理器，采用MAX8660 作為體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出控制總線，得到系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示。

設(shè)定對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集頻率為28～30 kHz，干擾強(qiáng)度為-50 dB，參數(shù)采集的指標(biāo)分布見(jiàn)表1。

根據(jù)上述參數(shù)采集結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)，得到監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。分析圖5 得知，本文方法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的輸出擬合性較高。測(cè)試體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的輸出可靠性指標(biāo)，得到結(jié)果如圖6 所示。

表1 參數(shù)采集指標(biāo)分布

分析圖6 得知，本文方法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)融合度水平較高。對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，實(shí)時(shí)性較好，對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷特征參數(shù)監(jiān)控輸出的信息融合性能較好。

圖5 體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 輸出可靠性指標(biāo)測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征參數(shù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)體育運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，提高體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的針對(duì)性和有效性，本文提出基于特征參數(shù)的高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用Sync/Trigger 觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)控制指令加載和信息控制，采用三端線性估計(jì)的方法，構(gòu)建高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)性聚類模型，根據(jù)最大攝氧量VO2max、心率HR 等指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息處理。分析得知，本文方法對(duì)高強(qiáng)度體育運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)特征監(jiān)測(cè)和參數(shù)分析的信息處理能力較強(qiáng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠有效輔助體育運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，確保運(yùn)動(dòng)的安全性。