基于行為識(shí)別的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙冬，楊改紅，席本玉，汪瀛，張雪琴

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院， 體育部， 陜西， 西安 710018)

0 引言

運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的肌肉損傷大多是由于訓(xùn)練強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)和訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的，準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是提高訓(xùn)練效果的關(guān)鍵[1]。人體運(yùn)動(dòng)形式多樣，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)又全然不同，要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)人、每項(xiàng)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確地測(cè)量是很難實(shí)現(xiàn)的。

文獻(xiàn)[2]提出以輻射照度為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)紅外單色儀對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，獲得響應(yīng)函數(shù)，完成運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[3]提出基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，并采用誤差分析方法對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為了進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)有效性，本文在行為識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，人體在進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)位移方向、運(yùn)動(dòng)力度和姿勢(shì)的不同，三軸加速度傳感器輸出的電壓信號(hào)的幅值密度、頻率范圍和幅值也都呈現(xiàn)出了差異性。例如在跳高、跳遠(yuǎn)和沖刺跑等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，隨著重心的不斷變化，傳感器輸出的電壓信號(hào)的幅值[4]也隨之發(fā)生變化。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的不同信號(hào)，對(duì)每項(xiàng)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)行區(qū)分，并確定各自的特征幅值密度、頻率范圍和幅值，此時(shí)再監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的心率變化，確定不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練強(qiáng)度值。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 系統(tǒng)軟件參數(shù)計(jì)算

從電量方面考慮，目前對(duì)于肌電、腦電和心電的測(cè)量電路已經(jīng)非常成熟，如果本文也按照這些電路的思路來(lái)設(shè)計(jì)，可能會(huì)因?yàn)轶w積的大小和電路的復(fù)雜程度而不能適應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方便攜帶和低功耗的要求。

從人體運(yùn)動(dòng)學(xué)方面考慮，運(yùn)動(dòng)學(xué)只對(duì)運(yùn)動(dòng)行為做出了具體解釋?zhuān)菍?duì)于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因并未做出解釋。運(yùn)動(dòng)包含了線位移、角位移、速度和加速度，這幾個(gè)量也是測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)最直接、最外在的量。運(yùn)用突出主要影響因素、忽略次要因素的分析方法，將其中一個(gè)參數(shù)通過(guò)計(jì)算獲得的相關(guān)函數(shù)與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度綜合考慮分析，即可獲得運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度指標(biāo)。

在以往研究便攜式運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)計(jì)步器、加速度計(jì)和滑動(dòng)計(jì)的比較，發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)便于安裝和攜帶，體積小、重量輕，而且可將輸入信號(hào)實(shí)時(shí)同步至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

通過(guò)對(duì)加速度計(jì)[5]的比較，發(fā)現(xiàn)三軸加速度傳感器是最合適的一種，它不僅可以保持長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，具有極高的時(shí)間分辨率，而且這種傳感器可以直接安裝在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部使用，避免與人體發(fā)生接觸致使導(dǎo)線連接，非常適合運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目操練時(shí)佩戴使用。

三軸加速度傳感器主要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的3個(gè)方向(X軸、Y軸、Z軸)進(jìn)行加速度信息采集。在X軸和Z軸方向上測(cè)得的數(shù)據(jù)就是人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中正常的加速度值，但是在Y軸方向上測(cè)得的數(shù)據(jù)受重力加速度g的影響，在計(jì)算過(guò)程中可忽略不計(jì)。

三軸加速度傳感器在進(jìn)行人體行為識(shí)別時(shí)[6]，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和識(shí)別分類(lèi)4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。傳感器首先對(duì)人體做出的各種動(dòng)作進(jìn)行加速度信號(hào)采集，為了得到更好的分類(lèi)效果，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾預(yù)處理，然后根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目提取不同的特征信息，這些特征信息中主要包含頻域特征、時(shí)域特征和時(shí)頻特征，完成特征提取后的特征集就是各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的行為特征，最后通過(guò)分類(lèi)器對(duì)特征信息進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)。

圖2 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練行為識(shí)別流程圖

在人體運(yùn)動(dòng)學(xué)中，對(duì)于運(yùn)動(dòng)所做的功(即訓(xùn)練強(qiáng)度)是通過(guò)將力和位移進(jìn)行相乘計(jì)算得到的，如式(1)：

w=F×S×cos(θ)

(1)

其中，w表示人體運(yùn)動(dòng)所做的功，F(xiàn)表示力的大小，S是運(yùn)動(dòng)方向上力的位移，θ是力和位移的夾角。

圖3為人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三軸傳感器的加速度方向。

圖3 三軸傳感器加速度方向

從圖3中可以看出，人體運(yùn)動(dòng)方向與位移方向保持一致，則θ的值為0，那么式(1)可以簡(jiǎn)化為

w=F×S

(2)

由于S是不斷變化的，所以在計(jì)算所做的功時(shí)需要對(duì)力的方向上的位移進(jìn)行計(jì)算。在物理學(xué)上，給出了關(guān)于S的勻速運(yùn)動(dòng)表達(dá)式和勻加速運(yùn)動(dòng)表達(dá)式，本文監(jiān)測(cè)的是人體是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下不斷變化的，所以這里選擇勻加速運(yùn)動(dòng)表達(dá)如式(3)：

(3)

其中，v(t)表示人體運(yùn)動(dòng)了t時(shí)間后的速度值，v0表示初始速度，a表示人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)加速度。所以，在t時(shí)間內(nèi)的位移公式為

(4)

式中，n表示積分變量，v0表示人體初始加速度，通常情況下值為0，本文忽略不計(jì)。

人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的力的表達(dá)式為

F=m×a

(5)

其中，F(xiàn)表示人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力，m表示人的體重。

根據(jù)式(2)可知，人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速度處于實(shí)時(shí)變化的狀態(tài)，那么可以對(duì)所做的功做微分處理[7]，這樣人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中功的細(xì)微變化都可以被監(jiān)測(cè)到。在一個(gè)積分區(qū)間內(nèi)，人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力所做的功的表達(dá)式為

dw=F×ds=m×a×(v0+a×n)dt

(6)

當(dāng)監(jiān)測(cè)積分周期為1 min時(shí)，在一個(gè)積分周期時(shí)間t內(nèi)所做的功為

(7)

計(jì)算一段時(shí)間t內(nèi)人體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度表示為

(8)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分，主要由傳感器模塊、中央處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元3部分構(gòu)成。傳感器模塊集成了電源模塊、單片機(jī)和藍(lán)牙4.0芯片。傳感器[8]具備獨(dú)立的電源供電，通過(guò)單片機(jī)獲取運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙芯片傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。計(jì)算機(jī)具備USB供電系統(tǒng)、藍(lán)牙4.0芯片和USB/UART轉(zhuǎn)換功能。三軸加速度傳感器與單片機(jī)之間通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)通信，單片機(jī)與藍(lán)牙芯片通過(guò)UART接口實(shí)現(xiàn)通信。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)圖

從圖4中可以看出，CC2540作為實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線通信的傳輸設(shè)備，執(zhí)行藍(lán)牙傳輸協(xié)議。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，單片機(jī)和主機(jī)依托CC2540正常運(yùn)行，而應(yīng)用程序放置于PC端。其中，PC端的CC2540 USB Dongle作為系統(tǒng)主設(shè)備，傳感器連接的CC2540作為系統(tǒng)從設(shè)備，它們共同作用實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信傳輸。

1.2.1 中央處理單元

中央處理單元作為系統(tǒng)中運(yùn)算、處理的主要模塊，選擇合適的中央處理器就顯得尤為重要。根據(jù)本文對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，中央處理器應(yīng)具備可擴(kuò)展性強(qiáng)、體積小、功耗低等特點(diǎn)。比較常見(jiàn)的單片機(jī)如MCS-51系列，應(yīng)用比較廣泛，性能比較強(qiáng)，但是功耗過(guò)大，不滿足低功耗的要求，因此本文選擇TI公司的MSP430F14x系列單片機(jī)作為中央處理器。

MSP430F14x系列單片機(jī)是專(zhuān)門(mén)為低功耗的產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的，在正常的1 MHz工作頻率下，只需消耗0.1～400 μA電流，供電電壓范圍為1.8～3.6 V。該系列單片機(jī)具備4種低功耗模式，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。開(kāi)機(jī)使用僅需6 μs，在使用過(guò)程中可無(wú)限切換其他子程序，不限制層次，使用非常方便。正是因?yàn)檫@種超強(qiáng)的中斷能力，可有效降低系統(tǒng)查詢(xún)的需求，實(shí)現(xiàn)低功耗的需求。

通過(guò)對(duì)MSP430F14x系列單片機(jī)功能模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的低功耗狀態(tài)組合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)在極低功耗的狀態(tài)下支持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，解決了系統(tǒng)運(yùn)行速度和低功耗之間的矛盾。通過(guò)智能化運(yùn)行管理，將單片機(jī)中的模塊設(shè)置為電流消耗最低狀態(tài)，活動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為最低要求。

MSP430F14x系列單片機(jī)內(nèi)部包含了Flash型存儲(chǔ)器，支持Bootstrap技術(shù)和JTAG接口，對(duì)于系統(tǒng)的外部傳輸和內(nèi)部升級(jí)都是非常方便的。

MSP430F14x系列單片機(jī)還具備8通道、12位的數(shù)據(jù)信號(hào)采集模塊以及硬件乘法器，將系統(tǒng)需要的專(zhuān)用電路控制在最節(jié)省的狀態(tài)，降低了成本和電路板的空間，非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用。

1.2.2 電源電路單元

電源模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的模塊之一，是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了調(diào)試方便和適合MSP430F14x系列單片機(jī)對(duì)電源的需求，本系統(tǒng)采用USB供電或者專(zhuān)用電源接口為整個(gè)系統(tǒng)供電，2種供電模式可隨意選擇。

MSP430F14x系列單片機(jī)的供電電壓范圍在1.8～3.6 V之間，USB供電和專(zhuān)用電源接口供電電壓均為5 V，因此，需要通過(guò)AMS117-3.3芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

AMS117-3.3芯片是3.3 V固定的輸出低壓差線性穩(wěn)壓器，最大輸出電流為1 A，適合MSP430F14x系列單片機(jī)的電流需求，同時(shí)，AMS117-3.3芯片的輸出電壓噪聲極小，不影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作。MSP430F14x系列單片機(jī)同時(shí)需要數(shù)字和模擬的雙電源供電，為了降低工作時(shí)出現(xiàn)干擾影響監(jiān)測(cè)效果，在設(shè)計(jì)電路時(shí)利用磁珠隔離來(lái)保護(hù)電路，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間地保存運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的要求也比較高。本文選擇ATMEL公司研發(fā)的AT24LC系列E2PROM，符合I2C總線規(guī)范的典型串行E2PROM。利用低功耗的CMOS工藝，具備擦除/寫(xiě)入周期10萬(wàn)次和數(shù)據(jù)保留100年的高可靠性。E2PROM還具備占用I/O口線少的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)突然關(guān)閉后，也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，是一種非易失性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，非常適合本系統(tǒng)使用。

E2PROM存儲(chǔ)器的額定工作電壓范圍為2.5～5.5 V，等待電流為5 μA，額定電流為1 mA。該存儲(chǔ)器通過(guò)I2C總線級(jí)聯(lián)，對(duì)于存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

不僅如此，E2PROM存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)鐘支持到400 kHz，具備多種數(shù)據(jù)讀寫(xiě)形式，可以與系統(tǒng)中的電路實(shí)現(xiàn)很好的配合，完成數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。

以上關(guān)于中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇和電源電路的設(shè)計(jì)，符合本系統(tǒng)對(duì)低功耗、小體積的需求，實(shí)現(xiàn)了便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與微型化、微功耗的有效結(jié)合，并取得了很好地效果。

2 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。邀請(qǐng)了6名志愿者參加測(cè)試，年齡在25～30歲之間，男女各3人，身高在160～180 cm之間，體重在45～80 kg之間，身體沒(méi)有任何疾病。每名志愿者均佩戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在室內(nèi)進(jìn)行走路和跑步2種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)心率的測(cè)量來(lái)反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，測(cè)量心率的方式有2種，一種是佩戴本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，另一種是使用專(zhuān)業(yè)測(cè)量心率的機(jī)器，并對(duì)2種方式的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了消除實(shí)驗(yàn)中的不確定影響因素，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目選在室內(nèi)跑步機(jī)上完成。為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，6名志愿者按照運(yùn)動(dòng)要求每個(gè)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)進(jìn)行3次，取平均值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目均在室內(nèi)跑步機(jī)上完成，同時(shí)選擇3～4 km/h、6～8 km/h的速度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 3～4 km/h的測(cè)量結(jié)果

表2 6～8 km/h的測(cè)量結(jié)果

從表1、表2中可以看出，無(wú)論志愿者是在走路狀態(tài)下還是跑步狀態(tài)下，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果與專(zhuān)業(yè)機(jī)器測(cè)量的結(jié)果極為相近，說(shuō)明本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

3 總結(jié)

為了提高訓(xùn)練效果，本文設(shè)計(jì)了基于行為識(shí)別的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，找到最合適的訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練時(shí)間，提高訓(xùn)練效率。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，體積小、重量輕，可佩戴在身體任意部位上，不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的操練。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具備連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，且可以避免與人體直接接觸而出現(xiàn)導(dǎo)線連接的情況。對(duì)于不同的人群和運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，都有其針對(duì)性，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)三軸加速度傳感器與PC端計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，方便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，及時(shí)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控，避免出現(xiàn)訓(xùn)練損傷的情況。