一種簡(jiǎn)易體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李爽 葛迪 裴學(xué)杰 冉茂良 張?zhí)熨?/p>

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)體育素質(zhì)測(cè)試和鍛煉方式單一、測(cè)試設(shè)備和精度有限、缺乏有效的訓(xùn)練指導(dǎo)等固有弊端，該文提出了一種簡(jiǎn)易體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備。首先測(cè)試者按照各端點(diǎn)指示燈觸摸傳感模塊，然后協(xié)調(diào)器接收傳感模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)并傳輸至服務(wù)器，之后服務(wù)器端存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)，最后通過App界面對(duì)數(shù)據(jù)以及測(cè)試結(jié)果的分析進(jìn)行展示，運(yùn)用推薦算法為測(cè)試者推薦相應(yīng)的訓(xùn)練指導(dǎo)和教程。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多模式精準(zhǔn)測(cè)試，通過記錄分析歷史數(shù)據(jù)，提供有針對(duì)性的教程，且設(shè)備簡(jiǎn)便易攜，可在任何場(chǎng)景下使用，具有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：體育素質(zhì)測(cè)試;體育鍛煉;測(cè)試設(shè)備;推薦算法

1 背景

我國是體育大國，目前正朝著體育強(qiáng)國轉(zhuǎn)變[1]，人們對(duì)于體育健身的需求和追求日益強(qiáng)烈。在當(dāng)前大力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的新形勢(shì)下，體育素質(zhì)培養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展的關(guān)鍵部分，也是整個(gè)社會(huì)發(fā)展的客觀要求[2]。體育高考是現(xiàn)階段國家選拔體育人才的關(guān)鍵途徑，體育考生在體育鍛煉過程往往需要進(jìn)行功能性運(yùn)動(dòng)測(cè)試，對(duì)柔韌性、靈活性、穩(wěn)定性和平衡性等運(yùn)動(dòng)素質(zhì)做出明確的評(píng)定。但就當(dāng)前多數(shù)高等體育院校的體育設(shè)備配置而言，不足以滿足師生對(duì)體育設(shè)備的需求[3]。

針對(duì)體育測(cè)試設(shè)備，如跑步測(cè)考儀存在體積大、費(fèi)用高、測(cè)試方式單一等問題，傳統(tǒng)體質(zhì)測(cè)試方式如秒表也存在有誤差，精確度不夠高的問題。相關(guān)研究表明，智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)漸漸走進(jìn)人們的日常生活[4]，從2007年的Nike+iPod，2009年的Fitbit，到如今智能手環(huán)、智能手表的廣泛使用，智能體育測(cè)試設(shè)備已被大眾認(rèn)可。智能體育測(cè)試設(shè)備可以精確測(cè)量用戶在運(yùn)動(dòng)中的各類數(shù)據(jù)如心率、速度等，使運(yùn)動(dòng)健身更加便捷。不過智能可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用也存在一些不足[5]，其測(cè)量精確度及可靠性仍然有發(fā)展空間，同質(zhì)化的問題[6]還有待解決。

針對(duì)以上問題，本文提出一種簡(jiǎn)便易攜的體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備，依托于科學(xué)的體育測(cè)試方法，該設(shè)備包括軌跡采集模塊、轉(zhuǎn)換發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。軌跡采集模塊對(duì)使用者運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;轉(zhuǎn)換發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)換和發(fā)送;數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析;顯示模塊將測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，并根據(jù)用戶的測(cè)試數(shù)據(jù)，針對(duì)其身體素質(zhì)存在劣勢(shì)的某一方面提供相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)處方，從而幫助用戶解決所存在的弱環(huán)。此外，本設(shè)備也可用于輔助體育教學(xué)，適用于所有人群，能夠幫助更便捷地獲取科學(xué)的體育測(cè)試、鍛煉方法。

2 相關(guān)工作

2.1 市場(chǎng)調(diào)研

以華中師范大學(xué)的師生為主要對(duì)象，通過微信、QQ等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)放線上調(diào)查問卷并結(jié)合訪談的形式，對(duì)現(xiàn)有體育鍛煉及測(cè)試的設(shè)備和方法以及關(guān)于簡(jiǎn)易體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備需求度進(jìn)行調(diào)研，獲得有效問卷205份，關(guān)于常用體育測(cè)試設(shè)備與設(shè)備存在的不足，調(diào)研情況分別如圖1、圖2所示。

常用的柔韌性、靈活性、耐力等體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備有坐位體前屈測(cè)試儀、長跑短跑測(cè)試儀，靈活性還常用折返跑方式測(cè)量，多以秒表為計(jì)量工具，現(xiàn)有設(shè)備存在體積大不便攜帶、測(cè)量形式上存在局限性、成本較高、精確度低等問題，人們對(duì)于簡(jiǎn)便易攜、測(cè)試靈敏的低成本儀器設(shè)備存在需求。本文的簡(jiǎn)易體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備可恰當(dāng)解決上述問題，多個(gè)模塊相結(jié)合靈活地測(cè)量，設(shè)備體積小，通過ZigBee快速傳輸，測(cè)量精確度高。此外，調(diào)研人群中28.8%的人需要測(cè)試后的教學(xué)視頻指導(dǎo)，60%的人在一些情況下需要教學(xué)視頻指導(dǎo)，僅有11.2%的人完全不需要教學(xué)視頻指導(dǎo)，那么根據(jù)用戶測(cè)試情況進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)指導(dǎo)是有必要的。本設(shè)備開發(fā)移動(dòng)端App呈現(xiàn)測(cè)試結(jié)果并給出教學(xué)指導(dǎo)，幫助用戶科學(xué)有效地鍛煉與測(cè)試。

2.2 ZigBee

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種短距離無線通信協(xié)議，具有功耗低、成本低、時(shí)延短、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[7]，能夠很好地滿足體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備對(duì)成本、安全性和速度的要求，有很強(qiáng)的組網(wǎng)能力，其中星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈輻射狀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

體育素質(zhì)測(cè)試設(shè)備需要采集各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此判斷測(cè)試者的身體素質(zhì)狀況。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后會(huì)對(duì)信道進(jìn)行掃描，選擇一個(gè)合適的信道和PAN ID建立新網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備加入此網(wǎng)絡(luò)中[8]。傳輸過程中協(xié)調(diào)器與各終端節(jié)點(diǎn)通過單一路徑進(jìn)行相互通信，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠高效地完成對(duì)測(cè)試人員運(yùn)動(dòng)的無線傳輸。

2.3 Arduino

Arduino作為一款開源硬件產(chǎn)品，有豐富的I/O口供開發(fā)使用，有較大靈活性[9]，支持SPI，IIC，UART串口通信，大程度弱化函數(shù)，操作簡(jiǎn)便且可發(fā)展的空間大[10]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中Arduino可與其他電子元件方便地連接，支持多樣互動(dòng)程序，常用于開發(fā)交互產(chǎn)品，通過讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的各種控制[11]。

在本設(shè)計(jì)中Arduino作為微控制器實(shí)現(xiàn)交互功能，通過串口接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，再通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程云服務(wù)器，此過程將采集到的用戶測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)，Arduino也可通過藍(lán)牙模塊接收用戶在移動(dòng)端App發(fā)送的測(cè)試模式選擇等指令，此過程將用戶指令傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器以此為依據(jù)控制各終端節(jié)點(diǎn)。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品硬件

本設(shè)備搭建框架如圖3所示，其終端節(jié)點(diǎn)包括指示燈、蜂鳴器、天線、電容式觸摸傳感器。終端節(jié)點(diǎn)采用電容觸摸芯片采集測(cè)試者的數(shù)據(jù)，采用以cc2530為控制中心的芯片，內(nèi)部有8051微控制器，具有協(xié)同處理能力，可以滿足ZigBee的無線通信和各端點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集處理[12]，該芯片外接天線來進(jìn)行與協(xié)調(diào)器的通訊。整個(gè)測(cè)試終端由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器組建成星型無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建使用ZigBee協(xié)議。本設(shè)計(jì)的傳感器終端節(jié)點(diǎn)裝置設(shè)計(jì)了打地鼠和“之”字排列兩種工作模式，打地鼠模式如圖4模式1所示，“之”字排列其設(shè)置移動(dòng)線路、區(qū)段路線和轉(zhuǎn)向區(qū)域如圖4模式2中的1-4所示，圖中1-2，2-3，3-4表示的數(shù)據(jù)為記錄的測(cè)試人員通過對(duì)應(yīng)線路的時(shí)間，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離可用紅外線距離傳感器測(cè)得，1、2、3、4表示轉(zhuǎn)折點(diǎn)。測(cè)試人員就位之后，處于四周的指示燈全部顯示亮表示開始測(cè)試，結(jié)束后則指示燈再次全部顯示亮表示結(jié)束測(cè)試。開始測(cè)試后終端指示燈間歇性逐個(gè)顯示亮，測(cè)試人員按照指示燈的顯示奔跑到對(duì)應(yīng)的指示位置觸摸相對(duì)應(yīng)的觸摸傳感器，觸摸成功后則會(huì)有指示燈滅、蜂鳴器響，與此同時(shí)觸摸成功的信號(hào)會(huì)通過天線發(fā)送到協(xié)調(diào)器。若測(cè)試人員未在系統(tǒng)設(shè)定的最長間隔時(shí)間內(nèi)觸摸成功，未觸摸成功的信號(hào)會(huì)通過相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)處的天線發(fā)送至協(xié)調(diào)器。