面向滑雪運動多參量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李春成，陳 亮，楊 云,2，石樹正,3，何 劍，丑修建

(1. 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2. 呂梁學院 礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000；3. 河北建筑工程學院 機械工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

在越野滑雪運動中，運動員的體能分配，心率、 速度變化是教練重點關(guān)注的內(nèi)容，準確分析這些數(shù)據(jù)有助于提高滑雪者的成績[1-4]. 傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備重量大、 體積大、 缺乏便攜性且操作繁瑣，對滑雪者的表現(xiàn)有影響，而且在摔倒時存在安全隱患[5]. 加拿大Zihajehzadeh等人提出一種全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)與基于微機電系統(tǒng)的慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)組合的級聯(lián)卡爾曼濾波器，改進了GPS中斷時的軌跡跟蹤[6]，但其設(shè)備裝滿整個背包，同樣體積較大. 瑞士Fasel等人綜合IMU、 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)實現(xiàn)了人體質(zhì)心軌跡的測量，并在幾十米的雪道上布置6臺定點攝像機對該系統(tǒng)進行了驗證[7]，但其同樣存在系統(tǒng)體積大的問題. 奧地利Martínez等人利用IMU和新算法，實現(xiàn)了在滑雪模擬器上自動檢測轉(zhuǎn)向[8]的功能，但該系統(tǒng)功能較為單一，實際滑雪時性的能也有待進一步驗證. 目前，監(jiān)測系統(tǒng)大多采用離線存儲數(shù)據(jù)，或者使用藍牙進行短距離數(shù)據(jù)傳輸. 根據(jù)以上問題，本文設(shè)計了一種多參量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以將運動員滑行軌跡、 速度、 心率以及姿態(tài)等參數(shù)通過手機傳輸?shù)椒?wù)器中，實現(xiàn)對越野滑雪運動員大范圍遠程監(jiān)測. 通過監(jiān)測運動員訓練數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)可視化處理后，可以方便教練指導(dǎo)運動員訓練.

1 總體設(shè)計方案

多參數(shù)滑雪運動監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖1 所示，數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到核心控制單元，核心控制單元對數(shù)據(jù)進行解析處理后通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機端，同時將數(shù)據(jù)存儲到MicroSD卡中. 數(shù)據(jù)采集單元包括IMU、 氣壓計、 心率傳感器，GNSS定位模塊； 核心控制單元包括核心處理器和嵌入式操作系統(tǒng)，負責硬件初始化、 硬件控制、 數(shù)據(jù)處理等工作； 通訊單元負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C； 考慮到無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的問題，存儲單元將數(shù)據(jù)存儲在MicroSD卡中進行數(shù)據(jù)冗余備份. 考慮到體積和功耗兩方面的要求，使用手機作為中繼節(jié)點，將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器中，教練員可以通過PC端查看運動員訓練的情況，同時，運動員也可以通過手機查看運動數(shù)據(jù).

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 硬件設(shè)計

多參量監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32 L1系列的低功耗微處理器，微控制單元是一個超低功耗平臺，在1.65 V～3.6 V電壓下均可正常使用，為各種應(yīng)用提供了多樣的靈活性平臺[9]. 設(shè)置芯片工作頻率為32 MHz，使用多種通信接口(I2C，SPI，UART，SDIO)與傳感器進行通信. 動態(tài)運行模式的電流低至177 μA/MHz，最低可在零下40 ℃的環(huán)境下工作，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求. 硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

2.1 慣性測量單元

慣性測量單元使用的芯片是MPU9250, 電路圖如圖3 所示，IMU可以測量運動員姿態(tài)，同時，系統(tǒng)也可以根據(jù)慣性測量單元判斷系統(tǒng)是否需要處于休眠狀態(tài). MPU9250是一款九軸運動跟蹤器件，通過IIC協(xié)議與MCU進行數(shù)據(jù)交互[10]. 根據(jù)運動員測量的需要，配置陀螺儀的角速度范圍是±2 000 (°/s)，加速度計的測量范圍為±8 g(g為重力加速度)，磁力計的磁感應(yīng)強度測量范圍為±4 800 μT，其中磁力計用于輔助測量偏航角. MPU9250自帶數(shù)字運動處理器硬件加速引擎，配合運動處理庫，能夠直接實現(xiàn)姿態(tài)解算.

圖3 MPU9250電路圖

2.2 位置信息監(jiān)測單元

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS不僅可以測量運動員的軌跡和速度信息，還可以評估環(huán)境特征，如坡度和地面屬性. 定位系統(tǒng)中的絕對時間源還可以作為設(shè)備與運動員運動視頻內(nèi)容同步數(shù)據(jù)的依據(jù). AT6558芯片支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位，可實現(xiàn)聯(lián)合定位、 導(dǎo)航與授時[11]. 該芯片具有出色的定位導(dǎo)航功能，定位精度為2.5 m，在3.3 V供電的條件下，連續(xù)運行電流小于25 mA. 在越野滑雪中，高度變化與運動員的體能分配以及技術(shù)動作密切相關(guān). 氣壓計可以準確地測量相對高度的變化，MS5611-01BA氣壓傳感器把測得的氣壓通過ADC轉(zhuǎn)化為24位數(shù)字量輸出[12]，分辨率可達到10 cm，能夠滿足滑雪運動對高度的精度要求.

2.3 心率傳感器

通過對運動員心率的測量，可了解其生理狀態(tài)以及心率分布特征. 心率傳感器使用的是MAX30102芯片，通過監(jiān)測血管搏動時透光率的變化來計算脈搏. MAX30102可以消除環(huán)境光的干擾，具有數(shù)字濾波功能以及AD轉(zhuǎn)換功能[13]. MAX30102模塊運行的功耗非常低，在3.3 V的工作電壓下，運行電流僅需要600 μA. MAX30102采用光電容積法測量心率，當血壓波通過光傳感器測量部位時，傳感器會產(chǎn)生更高的電壓. 每分鐘的節(jié)拍數(shù)(BPM)可以通過超過某個信號閾值的峰值計數(shù)很容易地計算出來. 模塊通過IIC通信接口可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機. 在系統(tǒng)不需要測量心率的時候可以通過程序使模塊進入休眠狀態(tài)，電流幾乎為零，極大地降低了系統(tǒng)的功耗，延長了系統(tǒng)的使用時間.

2.4 藍牙傳輸模塊

CC2541是一款針對低功耗的藍牙解決方案，適用于小型電子產(chǎn)品的無線傳輸[14]，藍牙在系統(tǒng)中的電路如圖4 所示. CC2541電壓范圍寬泛，在2 V～3.6 V的電壓下均可以工作，處于TX工作模式的工作電流為18.2 mA. 在不需要傳輸數(shù)據(jù)時系統(tǒng)可以處于休眠模式，待機電流僅為 1 μA. 芯片可以運行在多種不同的工作模式下，不同的模式轉(zhuǎn)換時間非常短，可以進一步降低系統(tǒng)的功耗.

圖4 藍牙傳輸模塊

2.5 低功耗設(shè)計

為了延長監(jiān)測系統(tǒng)的使用時間，系統(tǒng)整體工作電路采取低功耗設(shè)計. 首先系統(tǒng)使用的器件選擇低功耗的穩(wěn)壓器件和GPS器件. 穩(wěn)壓器選用具有低功耗特性的TPS7333，其負責將電池的電壓穩(wěn)定到3.3 V. 鋰電池的供電電壓為3.6 V～4.2 V，系統(tǒng)所需電壓為3.3 V，電壓差只有0.3 V. 普通的LDO芯片壓差在0.8V以上，當輸出電流為100 mA時，TPS7333電壓差僅需要35 mA電流. AMS1117-3.3的靜態(tài)電流為5 mA，TPS7333的靜態(tài)電流僅為0.340 mA. 傳統(tǒng)的GPS的功耗為221 mW，工作電流為67.2 mA. 本系統(tǒng)采用的低功耗GPS的功耗為82.5 mW，工作電流為25 mA，功耗不到傳統(tǒng)GPS的一半. 其次在程序上進行優(yōu)化，當運動員處于靜止狀態(tài)時，系統(tǒng)可以自動進入休眠狀態(tài). 其中，傳感器(如通訊、 定位模塊)和控制芯片均進入休眠模式，極大地降低了系統(tǒng)的功耗.

3 軟件設(shè)計

3.1 嵌入式軟件設(shè)計

多參量監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計基于μC/OS-II系統(tǒng). 前后臺系統(tǒng)不能在中斷服務(wù)中進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，否則就會使中斷時間過長，影響系統(tǒng)性能. μC/OS-II系統(tǒng)可以將中斷時間限制在一定的范圍內(nèi)，增強系統(tǒng)的實時性. 相較于其它系統(tǒng)，μC/OS-II擁有非常精簡的內(nèi)核，并且實時性能好，支持裁剪，官方提供開發(fā)源碼，使用C語言編寫，方便開發(fā)人員在各種平臺上移植. μC/OS-II的設(shè)計主要包括：任務(wù)創(chuàng)建，任務(wù)刪除，任務(wù)恢復(fù)，任務(wù)調(diào)度等[15]. 系統(tǒng)的軟件框架如圖5 所示.

圖5 嵌入式系統(tǒng)軟件框架

因為電池技術(shù)的掣肘，無法把電池做到體積既小容量又大. 為了減少充電次數(shù)，延長系統(tǒng)的使用時間，系統(tǒng)設(shè)計了靜止狀態(tài)監(jiān)測程序. 當監(jiān)測到運動員處于靜止狀態(tài)時，系統(tǒng)自動切換成低功耗模式； 當檢測到運動員運動時，系統(tǒng)進入運動監(jiān)測模式. 低功耗模塊軟件流程如圖6 所示.

圖6 低功耗軟件流程圖

系統(tǒng)在上電復(fù)位之后開始工作，如果持續(xù)30 s 檢測到系統(tǒng)的加速度與重力加速度的差值小于0.03g，系統(tǒng)會進入靜止狀態(tài)模式. 此時，MPU9250進入低功耗工作模式，STM32進入停機模式. 當檢測到劇烈運動時，MPU9250通過外部引腳中斷喚醒單片機并進入高速工作模式，系統(tǒng)開始監(jiān)測運動員的運動狀態(tài).

3.2 數(shù)據(jù)解析協(xié)議

芯片與上位機的通信協(xié)議如表1 所示，數(shù)據(jù)協(xié)議共有26個字節(jié). 前4個字節(jié)為幀頭，其中，0x5A，0x5A是幀頭標志，數(shù)據(jù)標志字節(jié)分別代表俯仰角、 偏航角、 橫滾角、 心率、 高度、 速度、 經(jīng)度和緯度，當傳感器獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，相應(yīng)位置置1. 第4個字節(jié)byte3表示數(shù)據(jù)量，歐拉角共占用6個字節(jié)，心率使用1個字節(jié)，高度使用2個字節(jié)，速度使用2個字節(jié)，經(jīng)度和緯度各使用4個字節(jié). 第5位到第24位為數(shù)據(jù)位，存放傳感器采集到的數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后. GPS使用NMEA-0183標準協(xié)議解析$GPRMC語句，語句中經(jīng)緯度的格式為ddmm.mmmm，將數(shù)據(jù)放大104倍輸出，經(jīng)緯度各需要4個字節(jié). 最后一位是數(shù)據(jù)校驗位，用于檢驗數(shù)據(jù)是否正確.

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機處理數(shù)據(jù)流程如圖7 所示，由于硬件使用DMA發(fā)送數(shù)據(jù)，每次可以發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，上位機接收到數(shù)據(jù)先進行緩存，然后進行幀頭識別和數(shù)據(jù)校驗，如果校驗失敗則舍棄本次數(shù)據(jù)，重新接收數(shù)據(jù)，校驗成功則根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議進行解析，解析完成之后在軟件界面進行顯示，接著進行下一次的數(shù)據(jù)接收.

手機接收到藍牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶约捍罱ǖ陌⒗镌品?wù)器中，教練可以通過PC端從服務(wù)器下載數(shù)據(jù)，同時，手機也可以將運動數(shù)據(jù)存儲起來，方便運動員自己查看.

圖7 上位機處理數(shù)據(jù)流程圖

4 運動監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)集成了心率傳感器、 GNSS定位模塊、 氣壓計、 九軸慣性測量單元等傳感器，如圖8 所示. 經(jīng)過試驗證明，運動監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地從已搭載的傳感器中采集到軌跡、 速度、 高度、 心率等信息，通過藍牙實時傳輸?shù)绞謾C，并且將數(shù)據(jù)在手機端展示，如圖9 所示. 同時，手機可以將采集到的信息上傳到服務(wù)器. 從MySQL數(shù)據(jù)庫中下載運動員訓練數(shù)據(jù)，可以對運動員數(shù)據(jù)進行分析處理.

圖8 運動監(jiān)測系統(tǒng)實物圖

圖9 手機端界面顯示

4.1 運動軌跡對比

差分GPS的精度可以達到2 cm, 可認為差分GPS測試的數(shù)據(jù)為準確數(shù)據(jù). 使用商用厘米級GNSS RTK終端作為標準，測量了越野滑雪人員在張家口崇禮滑雪場滑行時的軌跡路線，如圖10 所示.

圖10 差分GPS設(shè)備測量軌跡圖

圖11 為運動監(jiān)測系統(tǒng)測量的軌跡與差分GPS軌跡的對比圖，由圖可以發(fā)現(xiàn)，運動監(jiān)測系統(tǒng)的GPS模組數(shù)據(jù)可以滿足教練員對運動員軌跡的需求.

圖11 穿戴傳感器GPS軌跡圖

4.2 運動數(shù)據(jù)分析

通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可以獲得運動員的運動軌跡信息以及速度信息. 圖12 為越野滑雪運動員自由滑行時某一圈內(nèi)的高度和速度的變化曲線. 運動員的最高速度為40 km/h，滑雪場地的高度落差最大為39 m.

圖12 速度-高度-時間變化曲線圖

圖13 心率-高度-時間變化曲線圖

心率傳感器的輸出心率信號的變化曲線如圖13 所示. 在越野滑雪中，運動員的體能分配對運動員至關(guān)重要. 在上坡階段屬于最耗費體力的階段，需要掌握好滑行的節(jié)奏和呼吸頻率，根據(jù)坡度角度調(diào)整身體重心保持最佳滑行體態(tài). 下坡時運動員做動作調(diào)整，為上坡的沖刺提前做好加速準備，在下坡時調(diào)整姿態(tài)，使風的阻力最小，利用下坡的重力加速度讓雪板滑行更長的距離.

5 結(jié) 論

本文介紹了針對運動員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，從電路設(shè)計，低功耗設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計等方面對系統(tǒng)進行了設(shè)計優(yōu)化，并且對設(shè)備系統(tǒng)進行了實地測試. 實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測運動員的心率，軌跡等信息，為運動員的狀態(tài)監(jiān)測提供參考并為教練員指導(dǎo)運動員提供量化的數(shù)據(jù)支持.