基于大數(shù)據(jù)的運動員折返跑測試系統(tǒng)的設計探析

摘要：本文闡述了基于大數(shù)據(jù)處理器的運動員折返跑電子測試系統(tǒng)的設計理念和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)以滿足測試主要功能要求為出發(fā)點，通過軟硬件的綜合設計，不僅能精確測量并醒目顯示運動員的折返跑成績，有效避免人工操作帶來的誤差，而且能將成績數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至PC上位機，為后續(xù)的統(tǒng)計和分析提供便利。此系統(tǒng)的運用，旨在提升運動員訓練和測試的準確性和效率。

關鍵詞：大數(shù)據(jù) 運動員 測試系統(tǒng) 自動測試 WIFI 傳感器

中圖分類號：G804 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8902-（2024）-19-104-3-TBB

隨著體育競技水平的不斷提高，對運動員的訓練和測試也提出了更高的要求。折返跑測試作為一種常見的體能訓練測試方法，對于評估運動員的速度、靈敏度和耐力等重要指標具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的折返跑測試方法通常依賴人工計時和記錄，不僅效率低下，而且容易受到人為因素的干擾，導致測試結(jié)果的不準確。因此，開發(fā)一種基于大數(shù)據(jù)的運動員折返跑測試系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化、準確的測試和數(shù)據(jù)記錄，具有重要的實際應用價值。

1、系統(tǒng)總體方案設計

基于大數(shù)據(jù)微處理器的運動員折返跑測試系統(tǒng)，旨在通過先進的總體方案設計，為運動員和教練提供一個精確、高效的測試解決方案。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對折返跑成績的準確測量，還能實時顯示測試數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC上位機進行進一步分析。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

如圖1所示該系統(tǒng)的核心組件包括跑步記錄器、兩個跑步傳感器測量柱、傳感器充電器、WIFI模塊以及PC上位機。這些組件協(xié)同工作，確保測試的準確性和可靠性。在系統(tǒng)的核心控制部分，選用了大數(shù)據(jù)F103RCT6微控制器。這款微控制器基于ARM Cortex-M3架構(gòu)，具備強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設接口。其高性能和低功耗特性使其成為該系統(tǒng)的理想選擇。為了實現(xiàn)對折返次數(shù)的精確檢測，系統(tǒng)采用了兩個跑步傳感器測量柱，內(nèi)置上下兩個光電傳感器。這種非接觸式檢測方式不僅提高了測試的準確性，還避免了傳統(tǒng)接觸式測試方法可能帶來的誤差。跑步記錄器負責實時顯示測試數(shù)據(jù)，包括折返次數(shù)、秒計時和0.01s計時等信息。該記錄器采用了ZLG7289數(shù)碼管驅(qū)動器，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，確保數(shù)據(jù)的清晰可讀。在數(shù)據(jù)傳輸方面，系統(tǒng)通過USR-WIFI232-A工業(yè)級WIFI模塊實現(xiàn)了跑步記錄器與PC上位機的無線連接。該WIFI模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI功能，使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷高效。PC上位機在接收到數(shù)據(jù)后，可進行進一步的數(shù)據(jù)處理和分析。此外，系統(tǒng)選用了上海閏安工業(yè)傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開關作為傳感器，其高達2m的檢測距離確保了測試的廣泛適用性和準確性。傳感器的穩(wěn)定性和高性能也為系統(tǒng)提供了可靠的測試支持。

2、硬件設計

2.1、大數(shù)據(jù)最小系統(tǒng)設計

首先，電源與穩(wěn)壓模塊。大數(shù)據(jù)的穩(wěn)定工作離不開穩(wěn)定的電源供應。由于大數(shù)據(jù)的供電電壓需求為3.3V，而系統(tǒng)采用的是7.2V鋰電池供電，因此必須設計一個有效的降壓穩(wěn)壓模塊。這一模塊的作用是將7.2V的電壓穩(wěn)定降至3.3V，以供單片機正常工作。這種設計不僅保證了單片機的工作電壓穩(wěn)定，還能有效防止因電壓過高而導致的單片機損壞，從而延長了單片機的使用壽命；

其次，晶振與時鐘準確性。晶振是維持單片機時鐘準確性的關鍵組件。在本系統(tǒng)中，選用了8MHz的晶振，以確保時鐘信號的穩(wěn)定性和準確性。晶振電路的設計對于單片機的性能至關重要，因為它直接影響到單片機的運行速度和時序控制。一個穩(wěn)定的晶振可以提供準確的時鐘信號，從而保證單片機在各種復雜環(huán)境下的可靠運行；

最后，復位電路與下載器接口。復位電路是單片機系統(tǒng)中的重要部分，它負責在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時重置單片機，使其恢復到初始狀態(tài)。考慮到大數(shù)據(jù)采用低電平復位，復位電路設計時需確保在復位時RESET引腳接地（GND），正常工作狀態(tài)下則接高電平（3.3V）。此外，復位電路中增加的電容（C37）起到了消除干擾和雜波的作用，進一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下載器接口則關系到程序的下載與調(diào)試。本系統(tǒng)采用了標準的JTAG連接方式，這種方式不僅穩(wěn)定可靠，還支持SWD模式調(diào)試。這種靈活的程序開發(fā)與調(diào)試選項為開發(fā)者提供了極大的便利，使得開發(fā)過程更加高效和順暢。

2.2、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊是折返跑測試系統(tǒng)的關鍵部分，負責捕捉運動員在跑步過程中的動作。本模塊選用了上海閏安工業(yè)傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開關，這款傳感器具備優(yōu)異的技術參數(shù)，適用于本系統(tǒng)的需求。GC16-M2000-DN1光電開關的工作電壓范圍為10-30VDC，工作電流為200mA，最大測量量程為2m。它屬于直流三線PNP常開型，即在信號觸發(fā)時，信號輸出線與電源線連接，輸出高電平；而在無信號觸發(fā)時，輸出線懸空，即與電源線斷開。本系統(tǒng)采用反射板反射型檢測方式，即在傳感器正面設置反光板。當運動員跑過傳感器時，會遮擋反光板返回的信號，從而觸發(fā)傳感器動作。這種檢測方式具有高靈敏度和準確性，能夠確保系統(tǒng)精確捕捉運動員的折返動作。為了更全面地檢測運動員的折返動作，系統(tǒng)設置了兩個相隔15m的跑步傳感器測量柱。每個測量柱內(nèi)部配置了兩個上下布置且并聯(lián)的光電開關。這種設計考慮到了運動員跑步時動作習慣的差異，無論是腳尖還是小腿部分先觸碰折返位置，都能被系統(tǒng)準確捕捉。當運動員身體的任意部分遮擋到任一光電開關時，該開關會動作，通過光耦將信號傳遞給微控制器進行計數(shù)。兩個光電開關并聯(lián)連接，確保任一開關的動作都能被系統(tǒng)捕捉到。如圖2所示。

2.3、數(shù)碼管顯示模塊

該系統(tǒng)能夠?qū)崟r且準確地顯示運動員的折返跑成績，具體涵蓋折返次數(shù)、秒計時以及0.01s精確計時。鑒于測試數(shù)據(jù)僅限于數(shù)字，無需文字展示，因此選用數(shù)碼管作為顯示設備，足以滿足所有數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)需求。為實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和時間的清晰顯示，系統(tǒng)采用了共陰式八段數(shù)碼管。這種數(shù)碼管以發(fā)光二極管為基本單元，通過向不同管腳輸入相應的電流來控制其點亮狀態(tài)，從而準確展示數(shù)字參數(shù)。在數(shù)碼管的驅(qū)動方式上，系統(tǒng)選擇了動態(tài)顯示驅(qū)動。該方法通過分時輪流控制所有數(shù)碼管的COM端，實現(xiàn)各個數(shù)碼管的順序顯示。相較于直流驅(qū)動，動態(tài)顯示驅(qū)動方式在I/O端口資源有限的情況下更具優(yōu)勢，能夠控制更多的數(shù)碼管，既節(jié)省了I/O端口，又簡化了外設電路的設計。為驅(qū)動數(shù)碼管，系統(tǒng)選用了ZLG7289A芯片。該芯片配備串行接口，具備同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的能力，并支持包括消隱、閃爍、左移、右移及段尋址等多種控制指令。ZLG7289A需外接一個12MHz的晶振電路以確保其正常工作。由于測試過程中需同時顯示3種數(shù)據(jù)，共需用到9位數(shù)碼管，因此系統(tǒng)配置了兩片驅(qū)動芯片：其中一片負責驅(qū)動6個數(shù)碼管，另一片則驅(qū)動剩余的3個數(shù)碼管。如圖3所示。

2.4、WIFI無線通訊模塊

為滿足系統(tǒng)需求，即在運動員測試完成后能將測試成績無線發(fā)送給PC上位機進行保存、統(tǒng)計和分析，特別選用了WIFI無線通訊模塊。WIFI技術因其獨特的優(yōu)勢而被選中。首先，WIFI無線電波的覆蓋范圍廣泛，遠超藍牙等其他無線技術，這確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和覆蓋能力；其次，WIFI的傳輸速度非?？?，滿足了實時傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯崟r性；此外，WIFI模塊的集成度高，易于與現(xiàn)有系統(tǒng)進行集成，降低了開發(fā)和維護的復雜性。同時，WIFI技術的普及程度高，兼容性好，能夠與各種設備和網(wǎng)絡進行無縫連接。WIFI模塊的連接電路圖如圖4所示。

3、軟件設計

該系統(tǒng)軟件部分采用C語言編寫，以Keil uvision4為開發(fā)環(huán)境。軟件設計主要包含系統(tǒng)初始化、顯示控制、計時程序、傳感器信號接收及與PC上位機通訊等多個模塊。系統(tǒng)初始化模塊負責配置微控制器的啟動模式、設置定時器參數(shù)以及確定通訊協(xié)議等。完成這些基本設置后，系統(tǒng)會進行硬件自檢，特別是針對傳感器等重要組件的檢查，確保它們能夠正常工作。在準備工作完成后，系統(tǒng)會等待運動員首次觸發(fā)1號測量柱的傳感器。一旦觸發(fā)，計時模塊將立即開始工作，并且顯示模塊會實時展示所經(jīng)過的時間。隨后，1號和2號測量柱會輪流檢測信號。每當檢測到信號時，折返次數(shù)的計數(shù)就會增加1，同時兩個測量柱都設計為不能連續(xù)檢測信號，以確保計數(shù)的準確性。當折返次數(shù)達到17次時，計時模塊會自動停止計時。此時，與PC通訊模塊將被激活，負責將運動員的成績數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機進行保存，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和評估。整個軟件設計流程清晰，各模塊功能明確，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性。軟件流程圖如圖5所示。

4、結(jié)語

本系統(tǒng)通過集成數(shù)碼管顯示、WIFI無線通訊以及精確的計時和傳感器技術，為運動員折返跑測試提供了一個全面、高效的解決方案。軟件設計采用C語言和Keil uvision4開發(fā)環(huán)境，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性。通過精心設計的軟件流程，系統(tǒng)能夠準確記錄并實時顯示運動員的折返次數(shù)和所用時間，同時通過WIFI模塊將測試成績無線發(fā)送給PC上位機，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。本系統(tǒng)的成功實施不僅提升了運動員訓練效果評估的效率和準確性，也為教練員提供了有力的數(shù)據(jù)支持，有助于制訂更科學的訓練計劃，從而推動運動員競技水平的提升。

參考文獻：

[1]王艷.體操運動員踏跳動作數(shù)據(jù)的空間軌跡檢索方法[J].科學技術與工程，2017，17（08）.

[2]許波，于善.基于大數(shù)據(jù)分析技術的運動員平衡能力評估 [J].信息技術，2023，47（03）.

[3]李嚴，楊改紅.基于大數(shù)據(jù)分析技術的運動員成績建模與估計研究[J].微型電腦應用，2022，38（06）.

[4]張帆，魏星.大數(shù)據(jù)分析的體育運動員訓練進度智能化模型設計[J].大眾標準化，2021（02）.

[5]康江龍.基于大數(shù)據(jù)分析的體育運動員訓練進度智能化模型設計[J].自動化技術與應用，2020，39（10）.

[6]徐偉康，徐艷杰，鄭芳.大數(shù)據(jù)時代運動員數(shù)據(jù)的法律保護[J].天津體育學院學報，2019，34（05）.

[7]楊斌.大數(shù)據(jù)環(huán)境下校園足球運動員選材模式的構(gòu)建[J].自動化與儀器儀表，2018（07）.

[8]王慧.基于大數(shù)據(jù)分析的運動員損傷康復建模研究[J].現(xiàn)代電子技術，2018，41（11）.

[9]馬麗君.基于大數(shù)據(jù)的運動員訓練進度智能制定系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2018，26（05）.

[10]歸予恒，馬玉龍，溫曉黛，等.青少年女籃運動員速度耐力評價方法研究[C]//中國體育科學學會運動生理與生物化學分會.第四屆（2016）全國運動生理與生物化學學術會議——運動·體質(zhì)·健康論文摘要匯編.福建省籃排球運動管理中心;福建師范大學體育科學學院;福建衛(wèi)生職業(yè)技術學院;廈門理工學院，2016.

[11]楊旸，曹友祥，胡廣璇，等.高強度間歇訓練和中等強度持續(xù)訓練對老年人群心肺能力改善效果的META分析[C]//中國體育科學學會.第十三屆全國體育科學大會論文摘要集——墻報交流（體能訓練分會）（二）.沈陽體育學院;上海體育學院運動健康學院，2023.

[12]何衛(wèi)龍，黃克銘，葉展紅，等.廣東青少年男子籃球運動員體能現(xiàn)狀研究[C]//中國體育科學學會.2013年全國競技體育科學論文報告會論文摘要集.廣州市體育科學研究所;廣州體育職業(yè)技術學院，2013.

作者簡介：林樂群（2001-），男，漢族，黑龍江大慶人，本科，研究方向：電子信息工程。