賽艇水上訓練監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應用

王 謙，楊棟棟，易英達

當前，物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算、大數(shù)據(jù)等科技手段的不斷成熟為各行各業(yè)帶來革命性的變化.然而，在賽艇運動水上訓練監(jiān)控領域，雖然相關專家已經(jīng)進行了諸多研究，但成熟的產(chǎn)品卻鮮有問世.本文致力于優(yōu)化賽艇水上訓練監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設計、框架開發(fā)、硬件研制、傳輸環(huán)境等方面的功能，實現(xiàn)關鍵參數(shù)（如船速、槳頻、心率、功率等）的實時獲取和呈現(xiàn)，并在訓練結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳至后臺進行詳細分析.這一創(chuàng)新性工作將幫助教練員和運動員精準掌握訓練表現(xiàn)，為提升訓練成績提供有力支持.

1 系統(tǒng)框架

賽艇水上訓練監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)賽艇訓練中運動員實際競技需求和教練員實際執(zhí)教需求，運用互聯(lián)網(wǎng)云計算、大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進行設計.該系統(tǒng)由智能終端、軟件平臺和服務器三部分組成.其中，智能終端主要實現(xiàn)通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器件收集船速數(shù)據(jù)、槳頻數(shù)據(jù)、運動員心率數(shù)據(jù)等功能；軟件平臺主要實現(xiàn)信息交互、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等功能，包括客戶端登錄、訓練計劃制訂、訓練人艇綁定、訓練數(shù)據(jù)展現(xiàn)、訓練數(shù)據(jù)分析；服務器主要實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫建立連接、執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作、讀取各智能終端上傳的數(shù)據(jù)、與軟件平臺進行數(shù)據(jù)信息交互，并完成管理、存儲、分析，包括用戶注冊、登錄、數(shù)據(jù)顯示、設備管理等.系統(tǒng)通過智能終端傳感器進行船速、槳頻、心率等數(shù)據(jù)的收集并傳輸至服務器，在軟件平臺上實時展現(xiàn)相關數(shù)據(jù)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)庫進行歷史訓練數(shù)據(jù)的歸類與存檔，進而輔助教練員科學籌劃訓練計劃、規(guī)范管理訓練流程、實時查看訓練數(shù)據(jù)、全面進行數(shù)據(jù)分析、精準制定糾偏方案［1］.系統(tǒng)總體框架如圖1 所示.

圖1 賽艇水上訓練監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 智能終端

智能終端主要由槳頻傳感器、船速傳感器、心率傳感器三個硬件系統(tǒng)構(gòu)成，通過傳感器完成訓練基礎信息的數(shù)據(jù)采集.

槳頻傳感器是一種基于MEMS 技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量設備，包含運動傳感器，如三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸電子羅盤等，集成了高性能傳感器和運用姿態(tài)動力學核心算法引擎，并結(jié)合高動態(tài)Kalman 濾波融合技術(shù)，利用藍牙模塊與船速儀將采集到的運動數(shù)據(jù)通過TCP 協(xié)議進行通信，上傳到系統(tǒng)平臺［2］.

槳頻傳感器通過九軸傳感器計算運動員劃槳時槳桿的旋轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)的變化，進而分析得出每次運動員在劃槳過程中，九軸傳感器中的X、Y、Z軸總是在一定范圍內(nèi)重復做規(guī)則旋轉(zhuǎn)運動，以此計算出每一次槳桿旋轉(zhuǎn)初始角度到下一次旋轉(zhuǎn)初始角度為一槳，從而得出準確槳頻值J（槳頻）=C（槳數(shù)）/T（分鐘）.藍牙模塊將槳頻數(shù)據(jù)傳輸至高精度船速儀，傳輸頻率為每秒10 次.船速儀經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過LoRa 模塊無線通信功能完成與服務器的數(shù)據(jù)傳輸.

船速傳感器集成了低功耗GNSS 全星雙頻芯片、四核1.5 GHz 高頻處理器、4G/5G 通信模塊、3.1 英寸高清屏、藍牙5.0 模塊、重力傳感器、陀螺儀、指南針、氣壓計，外加小型化全方向螺旋天線、電源模塊. 使用CORS 連接SDK 模塊、網(wǎng)絡對講模塊和4G/5G 網(wǎng)絡，與Android 系統(tǒng)深度結(jié)合.定位模塊采用GNSS 全星雙頻芯片實時獲取高精度定位數(shù)據(jù)，并通過4G/5G 通信模塊利用TCP 協(xié)議將采集到的運動數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)［3］.

船速傳感器主要采用RTK 定位技術(shù)，是一種基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度.在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一并傳送至流動站.流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸時長不超過一秒.通過對GPS實時數(shù)據(jù)的分析和計算，可以得出單位時間（T）內(nèi)運動員移動的距離（S），利用公式V=S/T計算得出即時船速［4］.

心率傳感器模塊由心率帶和心率表組成.心率帶是一個發(fā)射器，包含導電橡膠的電極.心率表是一個接收器，包含施密特觸發(fā)器、諧振電路.心率傳感器還集成了藍牙模塊和電源模塊.心率數(shù)據(jù)通過心率帶兩側(cè)的電極測量皮膚中的心動電流或電勢的周期變化而得出，感應器的極片位于胸帶前方兩側(cè)，運動員戴上胸帶后，胸帶內(nèi)的極片采集心動電流波動幅度，再通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送給心率表,轉(zhuǎn)化為便于觀察的心跳BPM 數(shù)值.系統(tǒng)通過藍牙與心率帶進行通信，將心率帶的心率實時心跳值（C）傳送到指定終端，通過公式X=C/T計算出實時心率值，再通過藍牙模塊與船速傳感器進行通信，利用TCP 協(xié)議將采集到的運動數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，在指定終端實時顯示心率值［4］.

2.2 軟件平臺

軟件平臺基于J2EE 體系，依附于Android操作系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)，采用SpringBoot+vue 框架，搭配MySQL 輕量數(shù)據(jù)庫，以及Redis 進行數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲分離，并使用Docker 進行虛擬化部署.主要功能包括訓練課程制訂、訓練數(shù)據(jù)展現(xiàn)、訓練數(shù)據(jù)分析三大功能.教練員登錄后可以制定水上訓練計劃、查看訓練數(shù)據(jù)；管理員登錄后可對運動員ID、船速設備、心率設備、槳頻設備進行增刪.利用平臺與服務器進行網(wǎng)絡通信、對傳感器接收到的數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)［5］.

2.2.1 網(wǎng)絡通信設計

船速傳感器與心率傳感器之間通過藍牙模塊進行數(shù)據(jù)采集，并與服務器完成信息交互.船速傳感器通過HTTP 協(xié)議向服務器發(fā)送指定格式的字符串，服務器接收到字符串后，經(jīng)過后臺處理將信息封裝在JSON 字符串內(nèi)，然后通過HTTP 協(xié)議傳輸，再經(jīng)過JSON 字符串解析后，到達終端.

船速儀終端創(chuàng)建Http Client，并通過HTTP協(xié)議上傳信息至服務器.具體實現(xiàn)采用get 方式訪問服務器，通過在URL 地址里面使用問號（?）間隔，然后以param=value 的形式將參數(shù)名和數(shù)值發(fā)送至服務器.其網(wǎng)絡通信流程圖如圖2 所示.

圖2 網(wǎng)絡通信流程圖

2.2.2 用戶功能設計

用戶功能主要包括：用戶授權(quán)、登錄、記住密碼等功能.以登錄船速儀終端APP 功能為例，用戶輸入已授權(quán)的賬號密碼，船速傳感器則會向服務器發(fā)送攜帶用戶名、密碼的登錄信息，船速傳感器接收判斷服務器返回結(jié)果，若成功則跳轉(zhuǎn)至功能界面，否則提示用戶登錄失敗.登錄請求流程圖如圖3 所示.

圖3 登錄請求流程圖

完成登錄操作后，跳轉(zhuǎn)至功能菜單界面，點擊船速傳感器連接GPS、心率表、加速度傳感器、視頻等功能按鈕，可跳轉(zhuǎn)至對應的活動界面.功能菜單頁面如圖4 所示.

圖4 功能菜單頁面

系統(tǒng)提供了訓練課程制訂、訓練數(shù)據(jù)展現(xiàn)及訓練數(shù)據(jù)分析平臺，各平臺功能如表1、表2、表3 所示.

表1 訓練課程制定平臺

表2 訓練數(shù)據(jù)展現(xiàn)平臺

表3 訓練數(shù)據(jù)分析平臺

2.2.3 設備連接功能設計

設備連接顯示授權(quán)賬號下綁定的可登錄所有采集終端，在授權(quán)賬號下也可綁定新設備名稱.船速傳感器通過網(wǎng)絡將設備編號發(fā)送至服務器.服務器接收到設備編號后，查詢設備表，并將數(shù)據(jù)內(nèi)容封裝在JSON 字符串內(nèi)，反饋給船速儀終端.船速儀終端接收服務器返回的攜帶設備信息的JSON 格式字符串，即response 字符串，解析后，信息顯示在ListView表中［6］.設備連接功能流程圖如圖5 所示.

圖5 設備連接功能流程圖

2.3 服務器

系統(tǒng)服務器部署在云端，編程設計基于java 語言實現(xiàn)，使用MySQL 和Tomcat 組成，具有固定IP 地址.服務器主要負責與智能終端和軟件平臺進行數(shù)據(jù)交互，連接數(shù)據(jù)庫，并對接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫相關操作.

3 系統(tǒng)應用

3.1 實時數(shù)據(jù)展示

教練員通過軟件平臺進入所創(chuàng)建的水上訓練課，可查看正在進行的訓練課實時數(shù)據(jù)，包括船速、槳頻、心率、劃行距離、排名等信息.圖6 為訓練中運動員的實時數(shù)據(jù).

圖6 運動員訓練實時數(shù)據(jù)展示

3.2 詳細數(shù)據(jù)分析

訓練課結(jié)束后，對應的每條賽艇會生成詳細數(shù)據(jù)分析報告，教練員可對訓練日期、訓練人員、訓練艇只進行篩查并查看詳細數(shù)據(jù)分析.

3.2.1 船速數(shù)據(jù)

船速信息包括每槳平均船速、每槳最高船速、最大船速、起航最大船速等數(shù)據(jù)信息.教練員通過全程曲線可以分析得出運動員在整個訓練過程中的船速整體趨勢，亦可通過局部船速變化的趨勢，判斷運動員槳入水到拉槳變化中的運動表現(xiàn).圖7 顯示了某運動員全程船速信息.

圖7 某運動員全程船速數(shù)據(jù)

3.2.2 槳頻數(shù)據(jù)

槳頻數(shù)據(jù)包括平均槳頻、最大槳頻、總槳數(shù)等數(shù)據(jù)信息.教練員制定賽艇水上訓練課時，槳頻是很重要的負荷強度參數(shù).通過全程槳頻的變化，教練員可判斷運動員的訓練效果.圖8 為某運動員全程槳頻數(shù)據(jù).

圖8 某運動員全程槳頻數(shù)據(jù)

3.2.3 心率數(shù)據(jù)

運動員心率數(shù)據(jù)包括平均心率、最大心率、心率百分比等數(shù)據(jù)信息.心率信息是教練員判斷運動員訓練狀態(tài)的關鍵內(nèi)負荷指標，教練員通過全程心率的變化可以隨時調(diào)整訓練計劃.圖9 為某運動員全程心率數(shù)據(jù).

圖9 某運動員全程心率數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

賽艇水上訓練監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助教練員全過程監(jiān)控運動員的水上訓練，不受訓練范圍、訓練天氣等客觀因素的制約，具有定位精準、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、操作簡易、傳輸迅速等特點.系統(tǒng)通過多傳感器實時獲取數(shù)據(jù)并展現(xiàn)，幫助教練員和運動員在賽艇水上訓練后對訓練數(shù)據(jù)進行分析與歸檔，幫助教練員和運動員實時掌握訓練狀況，提高訓練效果，從而為進行有針對性的訓練提供科學依據(jù).