基于無線傳感技術(shù)的體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)

熊恬

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)，體育部， 陜西，咸陽 712046)

0 引言

現(xiàn)階段，體育類教學(xué)已成為我國重點(diǎn)的教育項(xiàng)目之一，但是由于長時(shí)間高強(qiáng)度的訓(xùn)練內(nèi)容，就容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)肌肉損傷或其他勞損情況，但很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員身體內(nèi)的損傷不斷累積，長此以往形成嚴(yán)重的二次傷害，并且無法在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確判斷出受損位置的，從而導(dǎo)致誤導(dǎo)治療，引起嚴(yán)重后果。此時(shí)就需要一種專業(yè)的基于田徑運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測裝置，對(duì)在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)身體表現(xiàn)的各類信號(hào)特征進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測，并利用裝置中的傳感器及各種節(jié)點(diǎn)判定機(jī)制，對(duì)發(fā)出高強(qiáng)度信號(hào)的位置點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，判定是否存在損傷信號(hào)，從而檢測運(yùn)動(dòng)員是否超出正常訓(xùn)練強(qiáng)度，最大程度減少傷害、提高運(yùn)動(dòng)員自身安全。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)基于視頻圖像的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中體質(zhì)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)體能運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的視頻進(jìn)行圖像采集，對(duì)采集的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻監(jiān)控實(shí)行三維輪廓特征提取和邊緣信息融合處理，結(jié)合圖像濾波檢測技術(shù)對(duì)視頻圖像的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中體質(zhì)狀況信息檢測識(shí)別，采用角點(diǎn)檢測方法針對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻監(jiān)控部位的特別關(guān)鍵點(diǎn)做標(biāo)定處理，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行區(qū)域重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中體質(zhì)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測的視頻圖像分析，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中采用VIX總線處理技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測并處理體質(zhì)狀況實(shí)時(shí)信號(hào)，以PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心單元，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中體質(zhì)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件模塊化開發(fā)。但是上述系統(tǒng)的測試結(jié)果誤差率較大。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)基于無線傳感技術(shù)的體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

通過對(duì)無線傳感技術(shù)的有效分析，提出構(gòu)建基于體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架構(gòu)思，其具體分布如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架

從圖1可以看出，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)主要是由基于無線傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)終端服務(wù)器、硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)共同組成。

(1) 無線傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)終端，是由配置在田徑運(yùn)動(dòng)員身上的記錄肌理特征參數(shù)[2]的節(jié)點(diǎn)裝置組成，保證身體各類數(shù)據(jù)的傳輸和記錄。

(2) 硬件結(jié)構(gòu)能夠直接連接醫(yī)療中心等急救部門的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端，確保及時(shí)性。

(3) 軟件結(jié)構(gòu)能夠通過采集取得全部的監(jiān)測數(shù)據(jù)，完整的儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫中，并通過網(wǎng)絡(luò)線路連接至各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器中，這樣就可完成整個(gè)基于無線傳感技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)。

1.1 終端監(jiān)測器

由于在體育教學(xué)的田徑訓(xùn)練中，往往會(huì)因?yàn)橛?xùn)練強(qiáng)度較大而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)肌肉損傷或其他傷害，所以，通過在運(yùn)動(dòng)員身上安裝一種終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)裝置，來實(shí)時(shí)獲取身體數(shù)據(jù)以及進(jìn)行損傷判斷，從而檢測運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練強(qiáng)度是否超標(biāo)，保證自身安全和健康。

此裝置由監(jiān)測電源、數(shù)據(jù)傳感器、運(yùn)動(dòng)生理特征的信號(hào)顯示器共同組成，并且該終端監(jiān)測器的芯片采取低功率方式，降低耗用時(shí)間可延長一定的使用壽命，其具體模塊思路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 終端監(jiān)測器具體框架

1.2 監(jiān)測供電源

由于無線傳感服務(wù)器是需要在運(yùn)動(dòng)員身上佩戴安裝的，為保證人身安全，所以在電源方面受到了一定的限制。所以在各方面都充分考慮后本文將利用小型的能量型電源來保證實(shí)施，此電源的能量是可以不斷再生的[3]，并且還能進(jìn)行各種供電模式的轉(zhuǎn)換，保證長久供電與儲(chǔ)存，其具體供電模式如圖3所示。

圖3 監(jiān)測器電源供電線路

1.3 數(shù)據(jù)傳感器

對(duì)上述無線傳感終端監(jiān)測裝置中的數(shù)據(jù)傳感器部分進(jìn)行詳細(xì)分析和解釋。一般情況下在終端裝置中，其數(shù)據(jù)集的接收、儲(chǔ)存、發(fā)送部分的技術(shù)支持主要是由兩種特殊技術(shù)芯片提供，分別為：數(shù)據(jù)處理芯片[4]以及信號(hào)射頻芯片[5]。

它們的作用就是負(fù)責(zé)控制和傳輸無線接收器獲取的資源信息，基本的處理操作主要包括：將信息標(biāo)準(zhǔn)化[6]、后續(xù)的收發(fā)、傳輸與儲(chǔ)存等，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感數(shù)據(jù)的測量、傳輸和記錄，再通過特定的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)接口與信息數(shù)據(jù)接收機(jī)制相關(guān)聯(lián)，防止信號(hào)傳輸時(shí)信號(hào)丟失或異變，保證信息的完成性和時(shí)效性，其接口處傳感器線板[7]的具體表述如表1所示。

表1 無線傳感器數(shù)據(jù)接口

根據(jù)表1的接口表述中對(duì)信號(hào)電路的調(diào)整，就可以根據(jù)此無線接口完成模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再通過預(yù)測的形式模擬出數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸接口及通道時(shí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，降低傳輸誤差，保證數(shù)據(jù)信號(hào)的接收器的實(shí)時(shí)連接，在最大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。此外，還在無線接口處設(shè)置了電源供給，可以為傳感器內(nèi)的所有電路提供電源，確保發(fā)送或接收過程的有效實(shí)施。

一般情況下，數(shù)據(jù)傳感器會(huì)出現(xiàn)因數(shù)據(jù)特征的重復(fù)而導(dǎo)致的增加信號(hào)查找誤差率的問題。所以，提出通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征重復(fù)性的計(jì)算來解決此類問題，其計(jì)算式如下：

(1)

其中，ΔRmax表示基于信號(hào)查找過程中最大數(shù)據(jù)重復(fù)特征的偏差值。

基于式(1)可得數(shù)據(jù)的無線傳感器中基于靜態(tài)特征[8]屬性數(shù)據(jù)的查找誤差計(jì)算式為

(2)

其中，γ表示靜態(tài)特征的重復(fù)率,n表示數(shù)據(jù)的檢測數(shù)量。這樣就將待測數(shù)據(jù)的數(shù)量輸入到上述公式中，根據(jù)靜態(tài)特征屬性計(jì)算出傳感器內(nèi)的數(shù)據(jù)的重復(fù)率γ，以及誤差值。使得數(shù)據(jù)的傳輸更為精準(zhǔn)，降低監(jiān)測難度，使系統(tǒng)具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性，保持系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定。

1.4 運(yùn)動(dòng)生理特征的信號(hào)顯示器

在無線傳感的終端監(jiān)測裝置中，信號(hào)顯示器作為其最為重要的組成設(shè)備之一，可以根據(jù)傳感器記錄實(shí)時(shí)記錄的田徑運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練強(qiáng)度的完整信息，再通過一定的調(diào)理及整合給出最后的信號(hào)顯示。

其主要負(fù)責(zé)的是心電類信號(hào)，該信號(hào)中含有運(yùn)動(dòng)員的各種生理狀況的信息，根據(jù)心電特征進(jìn)行顯示模塊的構(gòu)建，心臟的收縮或是舒張都能引起心電圖曲線的變化，并且還能引起人體皮膚表面的微電流的帶電變化，基于此就能根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的心電狀態(tài)變化曲線的波動(dòng)程度及幅度大小，來判定運(yùn)動(dòng)員基于各種訓(xùn)練強(qiáng)度的情況下，心跳頻率及其他身體特征的實(shí)時(shí)變化，最后再通過信號(hào)顯示器加以標(biāo)注顯示，其具體的心電頻率波動(dòng)效果如下圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)員心電變化頻率波動(dòng)

從圖4中可以看出，心電頻率的時(shí)效周期一般包括幾個(gè)片段，在圖中分別是A、B、C、D、E這5個(gè)跳動(dòng)變化的波形，它們都分別表示心臟實(shí)時(shí)跳動(dòng)變化的區(qū)域和活動(dòng)范圍。

A段波形表示在心臟中左右心房電位的實(shí)時(shí)變化。

B段波形和C段波形都表示左右心房在去電極時(shí)時(shí)間和電位的變化。

D段波形表示在去極電路之前的時(shí)間和電位的實(shí)時(shí)變化。

E段波形則表示去極電路之后的時(shí)間和電位的實(shí)時(shí)變化。

從圖中可以清晰地看出，每一段波形所形成的波組距表示一個(gè)心臟實(shí)時(shí)跳動(dòng)的周期，且每組含有A、B、C、D、E這5個(gè)波群。

由于此設(shè)備需要在運(yùn)動(dòng)員身上安裝，保證監(jiān)測時(shí)效性，但是由于大量的活動(dòng)容易形成電路噪聲影響信號(hào)質(zhì)量，所以通過設(shè)立噪聲濾波器來降低信噪比，提高監(jiān)測的實(shí)際效果，具體設(shè)計(jì)如下圖5所示。

圖5 噪聲濾波電路設(shè)計(jì)

1.5 數(shù)據(jù)采集模塊

一般情況下，基于監(jiān)測類的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集基本有兩種方法：一種是循環(huán)式監(jiān)測采集方法；另一種是隨機(jī)訓(xùn)練采集的方法。由于第一種對(duì)于人員基數(shù)較大的運(yùn)動(dòng)員來講，很難查找目標(biāo)，難度較大。而且運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的各種參數(shù)以及位置、起跑和終點(diǎn)線時(shí)間都是隨機(jī)的，所以本文采取第二種隨機(jī)采樣的方式來進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)于上述數(shù)據(jù)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，本文通過基于RS485的16路數(shù)字量采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于RS485的16路數(shù)字量采集器如圖6所示。

圖6 數(shù)字采集器

采集的方法主要是計(jì)算機(jī)CPU持續(xù)進(jìn)程工作中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的地址選取、傳送、接收、整合處理的唯一制定的工作通道。而在田徑項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練強(qiáng)度系統(tǒng)中就可將其表達(dá)為，在模擬的百米賽跑運(yùn)動(dòng)中，起跑的一瞬間就像計(jì)算機(jī)中輸入一個(gè)標(biāo)記信號(hào)，并且這時(shí)開始感知計(jì)時(shí)，以此為基礎(chǔ)，同樣方法在運(yùn)動(dòng)員接觸終點(diǎn)線時(shí)，也向計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入一個(gè)結(jié)束信號(hào)，并全面記錄該運(yùn)動(dòng)員所用的時(shí)間。將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分類，放置到采集子系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存類項(xiàng)目單元去。這樣就可完成數(shù)據(jù)采集，這種基于隨機(jī)采樣的數(shù)據(jù)采集方式，不受外界各類因素的干擾，可保證數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)效性，還可提升數(shù)據(jù)的抗干擾能力，其具體記錄方式如下。

表2 基于隨機(jī)采樣的數(shù)據(jù)采集模式

1.6 監(jiān)測電路

在基于體育教學(xué)的田徑運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度系統(tǒng)中，根據(jù)無線傳感技術(shù)為各個(gè)子系統(tǒng)提供傳輸連接電路，通過各電路的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的安全性。

本文采取橋壓式電路作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，利用該電路的自身屬性特征對(duì)系統(tǒng)電路中的其他器件源路進(jìn)行表達(dá)，實(shí)現(xiàn)器件間電源線路的精準(zhǔn)性，降低功耗并確保線路穩(wěn)定，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理操作的可靠性。采用一款zbw800kw可調(diào)節(jié)式線路穩(wěn)壓器，其主要工作模式就是利用電路外部的兩個(gè)可自動(dòng)設(shè)定的電阻，并將其范圍調(diào)至3～40 V的電壓基準(zhǔn)值，這時(shí)內(nèi)部的溫度電壓系數(shù)較小約為20 Ω，動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的阻抗較低，基本數(shù)值約為0.321 Ω。

根據(jù)系統(tǒng)中需要低電壓、低功耗的電路要求本文利用上述觀點(diǎn)構(gòu)建了基于橋壓式的電路模型如下圖7所示。

圖7 橋壓式的電路模型

從圖中可以看出，電路采取的是電力為2N222的三極管進(jìn)行電流的調(diào)節(jié)，輸入電阻R和電壓V1為穩(wěn)壓器TL431提供高效的工作電流，再通過電阻R1,R2的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)使得電壓穩(wěn)定在V0=3 V。至此完成可調(diào)節(jié)電路信號(hào)的供電線路設(shè)計(jì)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

2.1 測試背景

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感技術(shù)的體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，選取某體育學(xué)校學(xué)生300名進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)對(duì)象在6 km/h(a)、8 km/h(b)、10 km/h(c) 三種不同田徑運(yùn)動(dòng)速度下各采集數(shù)據(jù)600組，并通過如下圖8所示的數(shù)據(jù)傳感結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D來進(jìn)行性能測試。

圖8 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

圖中1～16個(gè)端點(diǎn)是由纖維材料做成的電阻隔片，并且每隔4個(gè)隔片就可組成一個(gè)以頂點(diǎn)為基準(zhǔn)的電阻方格，圖中電阻方格分別貼附在左右手臂和左右大腿上，每個(gè)電阻方格存在3個(gè)電阻隔片，貼附在上臂肌肉、小臂肌肉、手肘以及大腿肌肉、小腿肌肉和膝蓋，在區(qū)域通道內(nèi)配置2個(gè)基元無線傳感的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)裝置，和10個(gè)采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，其中模擬損傷位置為3、7、8、10、11、14。

2.2 訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測結(jié)果

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中隨機(jī)布置相應(yīng)的電阻隔片，讓信號(hào)之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，并在12個(gè)電阻方格內(nèi)的中心位置，依次放置加載數(shù)據(jù)為40 N載荷的模擬肌理損傷信號(hào)，傳送命令至無線傳感數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)取得信號(hào)命令后，就對(duì)肌理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、發(fā)送、接收以及儲(chǔ)存，將此步驟循環(huán)重復(fù)3～10次，保證每個(gè)方格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都能均勻獲取數(shù)據(jù)信息。

模擬測試中把所有節(jié)點(diǎn)方格看作是各類傳感模式，表3是最終基于信號(hào)傳感器的訓(xùn)練強(qiáng)度過高可能會(huì)引起肌理損傷定位結(jié)果，0表示損傷可能性較低，訓(xùn)練強(qiáng)度較?。?表示發(fā)生損傷可能性較高，訓(xùn)練強(qiáng)度較高。

表3 訓(xùn)練強(qiáng)度損傷位置判定

表3是基于本文監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身體損傷及訓(xùn)練強(qiáng)度的判定結(jié)果，與設(shè)定的定位完全一致，可得整體訓(xùn)練強(qiáng)度已經(jīng)超出運(yùn)動(dòng)員安全訓(xùn)練范圍，應(yīng)該立即發(fā)出警報(bào)，降低訓(xùn)練強(qiáng)度或停止訓(xùn)練。

2.3 外界刺激下身體特征信號(hào)監(jiān)測結(jié)果

在進(jìn)行體育教學(xué)時(shí)，對(duì)田徑運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程利用本系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測。一般情況下，在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些監(jiān)測數(shù)據(jù)例如：運(yùn)動(dòng)員的心跳、身體實(shí)時(shí)的溫度以及皮膚電阻等信息。本文測試將對(duì)皮膚產(chǎn)生的電阻信號(hào)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性，將對(duì)信號(hào)電路中加入一定的皮膚刺激，分析其狀態(tài)之間的變化數(shù)值及數(shù)據(jù)間相互產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)，經(jīng)過不斷的調(diào)整電路中信號(hào)的阻值數(shù)量及大小，再循環(huán)測試，最終得出實(shí)際電阻信號(hào)如圖9所示。

圖9 經(jīng)過刺激后的皮膚電阻信號(hào)

從圖9中可以看出，未受到外界刺激時(shí)的皮膚電阻信號(hào)監(jiān)測曲線的頻率一直穩(wěn)定在2.6～2.8 Hz之間，一般來說，在受到外界刺激后皮膚會(huì)出現(xiàn)一定的肌理反應(yīng)從而影響監(jiān)測裝置的波頻，但從圖中本文監(jiān)測器在受到刺激后的曲線來看，其并未受到太大的影響，整體波動(dòng)幅度還是穩(wěn)定在2.6～2.8 Hz內(nèi)，且每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)差異不大，這是因?yàn)楸疚脑谛盘?hào)顯示步驟時(shí)，加入了噪聲濾波器的設(shè)計(jì)，可在一定程度上減輕因運(yùn)動(dòng)員大量的活動(dòng)而形成電路噪聲，從而降低信噪比、降低監(jiān)測誤差、減少電阻信號(hào)間的波形頻譜差異。

測試證明，本文監(jiān)測系統(tǒng)擁有較高的信號(hào)控制能力，且信號(hào)的監(jiān)測和傳輸過程一直保持著穩(wěn)定狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，監(jiān)測準(zhǔn)確率較高、整體效果優(yōu)異。

3 總結(jié)

通過對(duì)本文提出的基于無線傳感技術(shù)的體育教學(xué)田徑訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行有效研究和分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 基于無線傳感監(jiān)測的終端服務(wù)器可以實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)員的身體數(shù)據(jù)，并且通過低功率供電電源的設(shè)計(jì)可降低功耗，延長使用壽命。其中，數(shù)據(jù)傳感器通過特定的接口處理有效防止信號(hào)丟失和異變，保證信息的安全性。

(2) 利用隨機(jī)采樣的數(shù)據(jù)采集方式可以有效確保數(shù)據(jù)信息的完整性和時(shí)效性。而建立的橋壓式電路確保各器件間的線路穩(wěn)定，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理操作的可靠性。

(3) 性能測試證明，本文系統(tǒng)可以有效降低電路中的信噪比，并且數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性較高、能夠滿足各個(gè)領(lǐng)域的特殊化或個(gè)性化要求。