基于無線傳感技術(shù)的體能訓(xùn)練強度自動分配控制器的設(shè)計

鞏 博， 陸 洲， 馬 濤

（空軍軍醫(yī)大學(xué)， 陜西 西安 710000）

0 引 言

運動員體能素質(zhì)的提升以及體質(zhì)的增強，是長期訓(xùn)練的積累。體能訓(xùn)練強度對體能訓(xùn)練效果影響巨大[1-3]，體能訓(xùn)練強度過小，無法提升運動員的訓(xùn)練效果；體能訓(xùn)練強度過大，超出人體的生理負(fù)荷限制，無法實現(xiàn)體質(zhì)增強的目的，且會對人體的健康造成一定影響。實時監(jiān)測運動員的生理指標(biāo)[4-6]，利用生理指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果評估運動員的體能訓(xùn)練負(fù)荷，可為科學(xué)制定體能訓(xùn)練計劃、分配體能訓(xùn)練強度提供有效的科學(xué)依據(jù)。采集運動員心率信號的傳感器具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢[7]。無線傳感技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識別、環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中，將采集運動員心率信號的傳感器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點[8]，構(gòu)建心率信號傳輸?shù)臒o線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點定位性能極為重要，節(jié)點定位精度是衡量無線傳感技術(shù)應(yīng)用性能的重要指標(biāo)。

體能訓(xùn)練強度自動分配控制器在體育訓(xùn)練領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而眾多研究學(xué)者已針對體育訓(xùn)練強度的分配控制進行研究。趙蕾等人將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于體育訓(xùn)練模式的訓(xùn)練強度研究中，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)充分挖掘?qū)w育訓(xùn)練水平存在影響的眾多參數(shù)，利用數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果分配運動員的體育訓(xùn)練強度，調(diào)整運動員的體育訓(xùn)練模式，提升運動員的體育訓(xùn)練水平[9]；梁美富等人預(yù)測運動員力量訓(xùn)練時的最佳功率負(fù)荷，依據(jù)運動員力量訓(xùn)練的最佳功率負(fù)荷為運動員分配體育訓(xùn)練強度[10]。以上方法雖然可以應(yīng)用于運動員體育訓(xùn)練強度分配中，但是存在參數(shù)設(shè)置過于復(fù)雜以及所采集的運動員生理數(shù)據(jù)與實際生理數(shù)據(jù)偏差過大的問題，影響體育訓(xùn)練強度分配結(jié)果。本文針對體育訓(xùn)練強度自動分配控制器實際應(yīng)用中存在的問題，設(shè)計一種基于無線傳感技術(shù)的體能訓(xùn)練強度自動分配控制器。將傳感器布置于運動員的身體上，利用心率傳感器采集運動員運動過程中的心率數(shù)據(jù)，利用無線傳感技術(shù)實現(xiàn)傳感器所采集數(shù)據(jù)的高效傳輸，依據(jù)心率數(shù)據(jù)采集結(jié)果實現(xiàn)體能訓(xùn)練強度的自動分配控制。體能訓(xùn)練強度自動分配控制器可以為運動員的體育訓(xùn)練提供科學(xué)的訓(xùn)練依據(jù)，是提升運動員訓(xùn)練水平的重要途徑。通過實驗驗證，所研究控制器可以實現(xiàn)體能訓(xùn)練強度的自動分配控制，操作簡便，對運動員體能訓(xùn)練水平的提升幅度明顯。

1 體能訓(xùn)練強度自動分配控制器

1.1 采集運動員體育訓(xùn)練生理參數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)運動員體能訓(xùn)練過程中心率等生理數(shù)據(jù)的采集與傳輸。無線傳感網(wǎng)絡(luò)將傳感器節(jié)點設(shè)置于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點之間通過傳輸鏈路實現(xiàn)對運動員心率的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的硬件設(shè)置如圖1 所示。

圖1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

電源模塊是為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點供電的重要模塊，為傳感器的持續(xù)工作提供支撐。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括傳感器節(jié)點以及A/D 轉(zhuǎn)換器，利用數(shù)據(jù)處理單元對傳感器節(jié)點采集的心率數(shù)據(jù)進行處理與存儲[11]。數(shù)據(jù)處理模塊以AR65854 單片機作為核心處理器，該單片機具有數(shù)據(jù)處理速度快以及功耗低的優(yōu)勢。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖

通過圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖可以看出，無線傳感網(wǎng)絡(luò)利用節(jié)點操作單元、心率數(shù)據(jù)采集程序、底層驅(qū)動程序等部分[12]，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的高效通信。為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高效通信，通信協(xié)議的設(shè)置極為重要，通信協(xié)議的選擇決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信性能。無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通過圖3 可以看出，無線傳感網(wǎng)絡(luò)利用數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，實現(xiàn)運動員心率數(shù)據(jù)的高效傳輸。利用網(wǎng)絡(luò)管理模塊實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、能量以及通信安全的高效管理[13]。利用傳感器節(jié)點采集運動員體能訓(xùn)練過程中的心率數(shù)據(jù)。將傳感器節(jié)點采集的運動員心率數(shù)據(jù)傳送至無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信基站中，通信基站利用內(nèi)部管理軟件采集和處理所采集的運動員心率數(shù)據(jù)。

圖3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點三維定位方法

設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點存在于三維空間中，用(x,y,z)表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)的未知節(jié)點坐標(biāo)，用(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，…，(xn,yn,zn)表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)的錨節(jié)點坐標(biāo)。用d1，d2，…，dn表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點與錨節(jié)點間的距離，其表達式如下：

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的目標(biāo)函數(shù)表達式如下：

本文利用多維標(biāo)度法定位傳感器節(jié)點的原始坐標(biāo)。多維標(biāo)度法依據(jù)測距技術(shù)確定無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的距離，依據(jù)節(jié)點間的距離構(gòu)建距離矩陣D。設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中包含的傳感器節(jié)點數(shù)量為n，傳感器節(jié)點i與傳感器節(jié)點j間的距離用dij表示，構(gòu)建距離矩陣D表達式如下：

Xi與X=(X1,X2,…,Xn)T分別表示傳感器節(jié)點的求解坐標(biāo)以及全部節(jié)點的求解坐標(biāo)，將XXT利用式（4）表示如下：

利用奇異值將XXT劃分為VΛVT類型，Λ與V分別表示對角線矩陣以及正交矩陣。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的u維主軸坐標(biāo)表達式如下：

式中Xu表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)的相對坐標(biāo)系。

利用以上公式獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)局部相對坐標(biāo)系的坐標(biāo)矩陣X，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點的精準(zhǔn)定位，提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信水平。

1.3 體能訓(xùn)練強度自動分配控制器

利用運動員的訓(xùn)練負(fù)荷表示體能訓(xùn)練的訓(xùn)練量，固定時間內(nèi)的體能訓(xùn)練量稱為運動員的訓(xùn)練強度。運動員體能訓(xùn)練時，教練需要依據(jù)運動員的實際狀況合理安排訓(xùn)練強度。將體能訓(xùn)練前后運動員的心率變化作為運動員體能訓(xùn)練強度的分配依據(jù)，選取心率作為體能訓(xùn)練強度自動分配的生理指標(biāo)，心率可以體現(xiàn)運動員在體能訓(xùn)練時的心跳變化，利用卡氏公式確定運動員體能訓(xùn)練的目標(biāo)心跳?？ㄊ瞎娇梢悦鞔_人體的心輸出量和攝氧量與人體心率之間的函數(shù)關(guān)系。依據(jù)運動員的體能基礎(chǔ)，確定運動員處于最佳訓(xùn)練狀態(tài)時，即心率輸出量和攝氧量均為最大時的相應(yīng)心率。通過運動員的心率數(shù)據(jù)采集結(jié)果，判斷運動員的訓(xùn)練量是否為最佳。利用卡氏公式確定運動員體能訓(xùn)練目標(biāo)心率的表達式如下：

式中：hmax與hJ分別表示運動員的最大心率以及安靜時的心率；G表示訓(xùn)練強度等級。運動員的訓(xùn)練強度等級依據(jù)運動員的訓(xùn)練計劃調(diào)整，訓(xùn)練強度等級設(shè)置區(qū)間為55%～90%。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的體能訓(xùn)練強度自動分配控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 體能訓(xùn)練強度自動分配控制器結(jié)構(gòu)圖

由圖4 的體能訓(xùn)練強度自動分配控制器可以看出，利用傳感器節(jié)點采集運動員體能訓(xùn)練過程中的心率數(shù)據(jù)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)固定的通信協(xié)議實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，保障心率數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾砸约案咝浴ｓw能訓(xùn)練強度自動分配控制器的命令與控制模塊依據(jù)PLC 控制器的邏輯設(shè)置，完成體能訓(xùn)練強度的自動分配控制。選取型號為PLC16F526 的微控制芯片作為體能訓(xùn)練強度自動分配的控制器，該芯片內(nèi)部集成了RAM 和ROM，具有高效的控制性能。利用圖4 的命令與控制模塊、數(shù)據(jù)鎖存器、數(shù)據(jù)輸出端口等眾多模塊的配合，完成體能訓(xùn)練強度自動分配控制的數(shù)據(jù)刷新、模塊復(fù)位、心率數(shù)據(jù)信息寫入、心率數(shù)據(jù)處理等操作命令。PLC 控制器可以同時執(zhí)行多條體能訓(xùn)練強度的自動分配命令的控制，利用并行控制性能提升控制指令的控制效率，實現(xiàn)PLC 輸出數(shù)據(jù)的實時刷新?？刂破鲀?nèi)部依據(jù)所設(shè)定的體能訓(xùn)練強度自動分配命令，完成數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果利用控制器傳送至FPGA 總控制器，傳送體能訓(xùn)練強度自動分配控制請求，總控制器接收體能訓(xùn)練強度自動分配的數(shù)據(jù)讀出請求后，將讀脈沖命令傳送至PLC 控制芯片，PLC 控制芯片依據(jù)數(shù)據(jù)的讀脈沖命令下發(fā)體能訓(xùn)練強度自動分配結(jié)果，將體能訓(xùn)練強度自動分配結(jié)果傳送至顯示界面的相應(yīng)運動員分配界面中。

2 實驗分析

為了驗證所研究的體能訓(xùn)練強度自動分配控制器對運動員體能訓(xùn)練強度的自動分配控制的有效性，選取某體育院校2019 屆運動員作為研究對象，利用MAX30102 心率傳感器采集運動員體能訓(xùn)練過程中的心率等生理數(shù)據(jù)。該傳感器利用包含心率算法的微控制器，實時輸出運動員體能訓(xùn)練的心率數(shù)值。

搭建大小為210 m×210 m 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該傳感器節(jié)點的感知半徑和通信半徑分別為10 m 和20 m，共包含20 個傳感器節(jié)點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了驗證采集的運動員生理數(shù)據(jù)的無線傳感器節(jié)點的精度，本文方法利用多維標(biāo)度法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點進行定位。

從無線傳感網(wǎng)絡(luò)中隨機選取10 個節(jié)點，本文方法對傳感器節(jié)點的定位結(jié)果與實際傳感器節(jié)點位置對比結(jié)果如表1 所示。通過表1 實驗結(jié)果可以看出，本文方法可以精準(zhǔn)定位無線傳感網(wǎng)絡(luò)中運動員心率數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點位置。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點定位精度越高，表明其通信性能可靠性越高。本文方法利用精準(zhǔn)的心率傳感器節(jié)點定位結(jié)果，來提升運動員心率數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性。

表1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位結(jié)果

對該校長跑專業(yè)的運動員心率數(shù)據(jù)進行采集，令運動員在30 min 內(nèi)完成4 000 m 的體能訓(xùn)練。運動員體能訓(xùn)練前與體能訓(xùn)練過程中的最大心率采集結(jié)果如圖6 所示。通過圖6 實驗結(jié)果可以看出，本文方法可以有效利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來采集運動員體能訓(xùn)練前與訓(xùn)練中的心率數(shù)據(jù)。采用本文方法采集的運動員心率數(shù)據(jù)與運動員實際心率數(shù)據(jù)相差極小，驗證了該方法具有較好的運動員心率采集性能。本文方法利用精準(zhǔn)的運動員心率采集性能，為體能訓(xùn)練強度的自動分配控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖6 運動員心率采集結(jié)果

依據(jù)運動員的心率采集結(jié)果，利用卡氏公式確定運動員的目標(biāo)心率，目標(biāo)心率確定結(jié)果如圖7 所示。通過

圖7 目標(biāo)心率確定結(jié)果

由圖7 實驗結(jié)果可以看出，本文方法可以利用卡氏公式，依據(jù)運動員體能訓(xùn)練過程中的心率變化，制定可以獲取最佳體能訓(xùn)練效果的目標(biāo)心率。依據(jù)所確定的運動員體能訓(xùn)練的目標(biāo)心率，運動員可以通過最佳的體能訓(xùn)練強度獲得最佳的訓(xùn)練效果，以快速提升運動員的運動訓(xùn)練水平。

依據(jù)所采集的運動員心率數(shù)據(jù)，采用本文方法確定運動員具有最佳體能訓(xùn)練強度的心率。采用本文方法控制運動員體能訓(xùn)練強度的自動分配，體能訓(xùn)練強度分配控制結(jié)果如圖8 所示。

圖8 體能訓(xùn)練強度自動分配控制結(jié)果

通過圖8 實驗結(jié)果可以看出，本文方法可以依據(jù)運動員的心率變化控制運動員體能訓(xùn)練強度的自動分配，驗證該方法可以實現(xiàn)體能訓(xùn)練強度自動分配的有效控制。心率是判斷運動員訓(xùn)練量大小的重要指標(biāo)，運動員體能訓(xùn)練強度可以通過心率體現(xiàn)。本文方法可以依據(jù)所采集的運動員心率為運動員制定合理的體能訓(xùn)練強度，驗證該方法可以作為運動員體能訓(xùn)練規(guī)劃與管理的重要依據(jù)。

采用本文方法控制體能訓(xùn)練強度自動分配以及未采用本文方法控制體能強度自動分配時，運動員的外部表征變化結(jié)果如表2 所示。

表2 運動員外部表征

通過表2 實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法控制體能訓(xùn)練強度的自動分配，運動員呼吸加重且有節(jié)律，出現(xiàn)明顯的出汗情況，自我感覺疲勞程度適中，外部表證良好。而運動員3 經(jīng)過體能訓(xùn)練后，自我感覺不累，表明運動員3 的體能訓(xùn)練強度過低，則無法獲取理想的體能訓(xùn)練效果；運動員4 經(jīng)過體能訓(xùn)練后，感覺極度疲勞，臉色蒼白，表明該運動員的體能訓(xùn)練強度過高。運動員長期以較高的體能訓(xùn)練強度訓(xùn)練，會對身體造成明顯影響，不利于運動員長期發(fā)展。未采用本文方法控制體能訓(xùn)練強度自動分配時，運動員出現(xiàn)極度疲勞或感覺不到疲勞的情況，體能訓(xùn)練效果不理想。

實驗結(jié)果驗證，采用本文方法控制體能訓(xùn)練強度自動分配，運動員可以獲取理想的體能訓(xùn)練結(jié)果，運動員的訓(xùn)練成績也明顯得到提升。依據(jù)心率變化結(jié)果，訓(xùn)練管理人員可以決定體能訓(xùn)練的調(diào)整方向，依據(jù)最佳訓(xùn)練量的分配控制制定科學(xué)的訓(xùn)練計劃，利用科學(xué)的訓(xùn)練強度進行調(diào)整，提高訓(xùn)練水平。

3 結(jié) 論

人體生理參數(shù)是體現(xiàn)體能訓(xùn)練效果的重要途徑。本文利用傳感器采集運動員體能訓(xùn)練過程中的生理參數(shù)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳感器所采集生理參數(shù)的高效傳輸。依據(jù)生理參數(shù)采集結(jié)果，通過所設(shè)計的自動分配控制器完成體能訓(xùn)練強度的自動分配控制。通過實驗驗證，所設(shè)計控制器可以針對不同運動員自動分配體能訓(xùn)練強度，利用體能訓(xùn)練強度分配控制結(jié)果提升運動員的身體素質(zhì)以及訓(xùn)練水平。

注：本文通訊作者為馬濤。