曾桂生，周武能，劉江云，羅 蓉

對“陽光體育長廊”信息系統(tǒng)的研究

曾桂生1，周武能1，劉江云2，羅 蓉1

主要采用文獻(xiàn)資料法、實地考察法、論證分析法、數(shù)理統(tǒng)計法，對現(xiàn)有“陽光體育健身長廊”的組成項目進行了優(yōu)化和整合。并基于體育健身的一般規(guī)律，結(jié)合無線傳感技術(shù)和心率搖桿測試儀器，設(shè)立了具有數(shù)字信息無線同步功能的“陽光體育健身長廊”系統(tǒng)。

陽光體育；健身；信息系統(tǒng)

自1981年中國體育儀器器材分會成立以來，我國體育儀器器材領(lǐng)域逐步發(fā)展壯大，現(xiàn)已研制開發(fā)包括訓(xùn)練輔助健身器材、比賽器材、裁判器材、測試器材與消除疲勞康復(fù)器材等五大類900多項科研成果，但這些成果80%以上都是屬于競技體育類，而大眾體育類的儀器器材甚少，尤其是對青少年學(xué)生儀器器材的研發(fā)就更少，盡管有些研制，僅限于單項的研發(fā)，然而，針對青少年學(xué)生綜合性身體素質(zhì)器材的研制十分缺乏，就目前僅有江蘇奧創(chuàng)體育設(shè)施有限公司針對青少年學(xué)生體質(zhì)現(xiàn)狀，研制了“陽光體育長廊”，其內(nèi)涵還有待開發(fā)。

2006年教育部、國家體育總局、共青團中央聯(lián)合下發(fā)的“關(guān)于開展全國億萬學(xué)生陽光體育運動的通知”是新時期對全民族素質(zhì)提高的重大戰(zhàn)略決策。陽光體育運動的開展，極大地推動了我國各類學(xué)校體育運動。為配合陽光體育運動的開展，經(jīng)山東省體育局立項，中國海洋大學(xué)、南京理工大學(xué)和江蘇奧創(chuàng)公司聯(lián)合研制出了“陽光體育長廊”(以下簡稱長廊)，該長廊已獲得《科學(xué)技術(shù)成果結(jié)題證書》(魯體結(jié)字[2006]第7號)并在幾所高等院校使用，且取得了積極的鍛煉效果，該成果屬江蘇奧創(chuàng)體育設(shè)施有限公司。2010年11月，經(jīng)江蘇奧創(chuàng)體育設(shè)施有限公司與東華大學(xué)體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究所商定，共同開發(fā)與研制此項目（協(xié)議已簽）。然而，該長廊存在幾個問題：（1）有些器件設(shè)計的科學(xué)性和美觀性不足。（2）有些器件的設(shè)計對安全性考慮不足。（3）長廊的信息系統(tǒng)只是記錄學(xué)生鍛煉的次數(shù)和時間，而對學(xué)生的實時脈搏、卡路里、各項運動的時間、各項運動所達(dá)到的體育鍛煉指標(biāo)等都無法反映。

本課題擬針對長廊，充分考慮其美觀性、安全性、科學(xué)性和趣味性等因素，特別要重新設(shè)計其信息管理系統(tǒng)，使之可用于各類學(xué)校。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本項目研究對象為陽光體育健身長廊的設(shè)計以及同步數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

通過訪問中國期刊網(wǎng)、中國體育信息網(wǎng)，查閱1980-2010年國內(nèi)外體育儀器器材的研制與開發(fā)的論著，圍繞著我國大眾體育儀器器材的研發(fā)現(xiàn)狀與其中存在的問題，以及我國青少年學(xué)生體質(zhì)現(xiàn)狀等內(nèi)容收集相關(guān)資料。

1.2.2 實地考察法

對上海市學(xué)校體育器材現(xiàn)狀及運用情況進行實地考察。主要內(nèi)容包括：最常用的體育設(shè)施、儀器器材、使用率、學(xué)校體育開展情況以及鍛煉標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)情況等。

1.2.3 論證分析法

通過對運動系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的理論設(shè)計與實踐運用進行論證研究，并進行安裝檢測以及試用，得出最終的產(chǎn)品結(jié)果。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計法

對不同運動能力的鍛煉者進行相關(guān)能力的測試，并將長廊的整體（全程）和各項目（分段項目）所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與研究，得出陽光體育長廊的等級指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)等。

1.3 實驗設(shè)計——脈搏測量無線裝置試驗方案

本項目搭建以測脈腕表為節(jié)點的WSN。試驗方案如下：

(1)搜集信息、查閱資料，前期準(zhǔn)備工作：明確設(shè)計要求，確定軟硬件功能，選取各功能模塊等。

(2)設(shè)計智能腕表電路圖，硬件電路設(shè)計制作，繪制硬件原理圖，配置元器件，并形成PCB電路板等。

(3)購買無線通信模塊，研究其與腕表及主系統(tǒng)的連接等。

(4)軟件方面確定算法，程序模塊劃分，繪制程序流程圖，程序編寫和仿真調(diào)試，用調(diào)試儀器。

(5)軟硬件修改和調(diào)試，以能夠達(dá)到設(shè)計要求，組裝定型，編制文件及說明書等。

2 陽光體育健身長廊功能的優(yōu)化

在現(xiàn)有建成“陽光體育健身長廊”的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究的需要，課題組對現(xiàn)有長廊的組成項目進行了優(yōu)化和整合。該“長廊”是寬5 m、長約120 m的封閉式通道，內(nèi)設(shè)4道，其中男子2道，女子2道，內(nèi)有10種鍛煉項目組合，鍛煉器械主要采用不銹鋼鑄件構(gòu)成，“長廊”地面鋪設(shè)人工草皮，兩端設(shè)有電子管理裝置。學(xué)生鍛煉從單向入口進入(刷卡)，完成各項目鍛煉后，由出口結(jié)束。

系統(tǒng)通過使用智能卡出入刷卡可自動記錄學(xué)生鍛煉的次數(shù)、時間等，并可通過設(shè)置于出口的顯示屏顯示本人本次鍛煉所用時間、累計鍛煉次數(shù)、最好成績等信息，并可通過系統(tǒng)的管理分析軟件對全校各院系學(xué)生鍛煉情況進行統(tǒng)計分析，便于學(xué)校對各院系學(xué)生鍛煉情況的考核。

“長廊”中所設(shè)的鍛煉項目是經(jīng)過多方論證，在征集體育教學(xué)、機械設(shè)計、體育器械制造等方面專家的意見基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校實際情況選取的，設(shè)計中既考慮到了鍛煉的科學(xué)性與全面性，集力量、速度、彈跳、協(xié)調(diào)等素質(zhì)鍛煉于一體，又充分考慮到鍛煉過程的趣味性和娛樂性，使學(xué)生在快樂的游戲中增強了體質(zhì)、鍛煉了身體（見表1）。同時，由于選取的鍛煉項目多是全身綜合性練習(xí)，更多地是要求手、眼、腳等全方位的配合來完成鍛煉，所以更加注重身體的全面發(fā)展，而不是某一塊肌肉或某一部位的局部練習(xí)，比單一的練習(xí)方法或單一的運動項目更能增強鍛煉的效果。

表1 “陽光體育健身長廊”的功能一覽表Table Ⅰ Functions of Sunshine Sports Corridor Information System

“長廊”中所設(shè)的項目看似簡單，實際上許多項目都具有一定的挑戰(zhàn)性，不是輕易就能完成的，尤其是在較嚴(yán)格時間限制的條件下，完成每個項目要承受一定的壓力并付出一定的努力，有的項目(如攀越2 m多高的軟網(wǎng))對于膽小的同學(xué)而言，心理的挑戰(zhàn)更多于對體力的挑戰(zhàn)。通過對鍛煉項目多次的參與，學(xué)生的鍛煉過程更多地是在和自己進行比賽的過程，學(xué)生在鍛煉中體驗拼搏、體驗成功、體驗快樂,通過身體運動的形式來培養(yǎng)學(xué)生拼搏進取、不畏困難、敢于挑戰(zhàn)自我的精神。

對比傳統(tǒng)的體育器材生產(chǎn)領(lǐng)域，“長廊”提出一種新的體育器材開發(fā)思路，即根據(jù)學(xué)校的情況和要求，開發(fā)適合不同學(xué)校、不同類型的封閉式組合鍛煉器械。這種封閉式組合鍛煉器械與開放式單個的健身器材相比，除了包含鍛煉項目眾多,能更充分鍛煉學(xué)生身體之外，還因為其獨具的“封閉”特色，形成了許多新的特點：如鍛煉效果的綜合性、項目設(shè)置的科學(xué)性、鍛煉成績的可考核性、鍛煉項目趣味性，這些特點明顯優(yōu)于簡單的單個鍛煉項目的疊加。這種以“封閉式體育鍛煉長廊”為代表的體育器材開發(fā)的“組合拳”在體育器材市場上將產(chǎn)生更大的威力。

3 陽光體育健身長廊信息系統(tǒng)的研制

3.1 基于OMNeT++的“實代碼仿真模式”研究

嘗試搭建一個基于OMNET++仿真器的“實代碼仿真模式”的研究，將整套UCOS系統(tǒng)上運行的協(xié)議代碼封裝成動態(tài)鏈接庫，加載到仿真器上利用其離散仿真事件隊列機制進行調(diào)試，運行通過后可以直接在實際硬件芯片上運行，無需二次修改，大大提高研究開發(fā)進度。成功地將UCOS上運行的aloha協(xié)議棧封裝成DLL加載到OMNET++，調(diào)試運行通過并且已經(jīng)投入到實際應(yīng)用中。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由稱為“微塵(mote)”的微型計算機構(gòu)成。這些微型計算機通常指帶有無線鏈路的微型獨立節(jié)能型計算機。無線鏈路使得各個微塵可以通過自我重組形成網(wǎng)絡(luò)，彼此通信并交換有關(guān)現(xiàn)實世界的信息。目前，對于傳感網(wǎng)的研究越來越受到關(guān)注，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法更是其中的熱點之一。

為評價傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法的性能，僅通過實驗是無法實現(xiàn)的，特別是包含大量節(jié)點的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，更是很難通過實驗來實現(xiàn)(實際上，上百個節(jié)點的實驗已經(jīng)比較難以管理與實現(xiàn))。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真，研究人員設(shè)計開發(fā)了許多仿真平臺(或在現(xiàn)有平臺建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型)，包括NS-2、OPNET、SensorSim、EmStar、OMNet++、GloMoSim,TOSSIM、PowerTOSSIM等。OMNeT++[2-31 fObjective Modular Network TestBed in C++)是開源的基于組件的模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，是近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域里逐漸流行的一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。OMNeT++作為離散事件仿真器，具備強大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內(nèi)核，同NS2[41、OPNETL5和JavaSim等仿真平臺相比，OMNeT++可運行于多個操作系統(tǒng)平臺，可以簡便定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備編程、調(diào)試和跟蹤支持等功能。OMNeT++主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真。OMNeT++具有模塊化的結(jié)構(gòu)。

本項目的主要貢獻(xiàn)就在于提出了一種全新的驗證協(xié)議代碼的方案。它實現(xiàn)了在OMNeT++這款離散仿真軟件的基礎(chǔ)上，對運行在UCOS上的協(xié)議棧代碼直接仿真調(diào)試，將其封裝成為動態(tài)鏈接庫的形式在OMNeT++上調(diào)試運行，協(xié)議棧等代碼無需二次修改，運行后的代碼可以直接在節(jié)點上運行。具體思路已經(jīng)如上驗證通過，并且已經(jīng)將Aloha簡單的協(xié)議運行在芯片上。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在睡眠機制、固定及變拓?fù)湎碌臄M平均趨同

課題組研究發(fā)現(xiàn)高階無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的擬平均趨同，所研究的是網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)基于連續(xù)時間且在Leader-Follower型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的同步行為。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，部分節(jié)點承擔(dān)著的Leader功能而其他節(jié)點承擔(dān)著Follower功能。分別對由所有Leader和Follower組成的完備子圖執(zhí)行喚醒—睡眠機制，我們得到變Leader、變Follower的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在基于喚醒—睡眠機制的控制協(xié)議下，系統(tǒng)達(dá)到擬均方趨同。固定整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們得到固定Leader、固定Follower的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在通常的趨同協(xié)議下，系統(tǒng)達(dá)到擬平均趨同。單獨固定由Leader組成的子圖，我們得到固定Leader、變Follower的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在控制協(xié)議下，系統(tǒng)達(dá)到擬均方趨同。

對于上述的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文中分別給出了趨同的充分必要條件。最后，給出了數(shù)據(jù)仿真的例子以驗證結(jié)果的可靠性。

3.3 搭建脈搏測量無線裝置

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：所設(shè)計的陽光體育長廊信息系統(tǒng)中有一個脈搏測量環(huán)節(jié)。本項目對此環(huán)節(jié)設(shè)計了無線裝置，稱之為“智能腕表”，它由脈搏傳感器、濾波器、單片機、無線信號接收和發(fā)送元件及后臺PC組成。

對于脈搏測量無線傳輸系統(tǒng)，通過上面所述的實驗步驟，項目組自選設(shè)計通信協(xié)議，進行后臺界面設(shè)計，實驗效果良好，有待于調(diào)試與加工。該系統(tǒng)的實物圖如圖2所示。

3.4 陽光體育健身長廊信息系統(tǒng)設(shè)計

本項目設(shè)計了新的陽光體育長廊信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主系統(tǒng)、鍛煉者各項目時間的采集系統(tǒng)和脈搏、卡路里數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及終端等4個部分組成，如圖3所示。已有的陽光體育長廊評價及軟件只能通過刷卡在系統(tǒng)中錄入鍛煉者的信息，顯示每個鍛煉者每次鍛煉的時間和總的鍛煉次數(shù)，因而只能查詢某一學(xué)生或某班級參加長廊鍛煉的次數(shù)和總的時間。本項目設(shè)計新的長廊信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)反映了鍛煉者的實時脈搏、卡路里、各項運動的時間、各項運動所達(dá)到的體育鍛煉指標(biāo)等，主要由主系統(tǒng)、鍛煉者各項目時間的采集系統(tǒng)和脈搏、卡路里數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及終端等4個部分組成。

圖中各部分的功能見圖上說明。我們還設(shè)計了門禁、測身高和體重、觸摸屏等設(shè)備，主系統(tǒng)可與因特網(wǎng)或手機聯(lián)絡(luò)，從而大大加強了長廊的信息功能。通過因特網(wǎng)和手機，個人或單位可查詢本人或各級單位鍛煉者的有關(guān)信息，并進行統(tǒng)計分析，為個人或單位提供有價值的鍛煉數(shù)據(jù)，提供建議或改進措施等。

4 結(jié)論

課題組基于體育健身的一般規(guī)律，結(jié)合無線傳感技術(shù)和心率搖桿測試儀器，設(shè)立了具有數(shù)字信息無線同步功能的陽光體育健身長廊系統(tǒng)，它是根據(jù)人體運動系統(tǒng)的跑、鉆、跳、爬等各種運動技能，并且進行了功能整合，具有上下坡跑、蹬臺跳下、平行云梯(男)、抓踩前行(女)、蛇形跑、騰空跳躍、軟網(wǎng)攀爬、蕩橋急行、梅花樁、支撐跳躍和穿越隧道等二十幾種。優(yōu)化了現(xiàn)有長廊的運動模式，使之進一步符合體育鍛煉標(biāo)準(zhǔn)，提高了美觀性、安全性和趣味性，在此基礎(chǔ)上嚴(yán)格按照相關(guān)要求進行施工安裝。同時，為進一步提高健身的效果，鍛煉者可佩戴研制的心率搖感手表，對其運動狀況進行實時監(jiān)測、評價，完善了運動監(jiān)測手段，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行分析，給出實驗結(jié)果。該系統(tǒng)從根本上改變了已往的健身長廊實用效率低下的狀況。其主要科學(xué)意義和應(yīng)用前景如下：

（1）新型的陽光體育健身長廊充分考慮了青少年學(xué)生身體素質(zhì)的全面發(fā)展的需要及其對體育鍛煉興趣，能有效提高學(xué)生體育鍛煉積極性，提高身體素質(zhì)，為終身體育打下良好的基礎(chǔ)。

（2）無線數(shù)字同步監(jiān)測系統(tǒng)能對學(xué)校甚至更廣大群體對于體育健身數(shù)據(jù)信息的全面管理與調(diào)控，真正實現(xiàn)學(xué)校體育課程內(nèi)外一體化工作的全面實施，使學(xué)校體育教育工作健康可持續(xù)發(fā)展。

（3）本項目設(shè)計的信息系統(tǒng)綜合評價體系，有助于提高鍛煉者、班級、院系、學(xué)校乃至區(qū)域的鍛煉水平。體系中的數(shù)據(jù)還可用于體育科學(xué)研究，為政府決策部門及教育行政部門提供理論與實踐依據(jù)。

[1]白鳳瑞,彭延春,鄭柏香.高校陽光體育校園體育文化探析[J].體育與科學(xué)，2009,30(2)：95-96.

[2]劉小俊. “陽光體育"內(nèi)涵與發(fā)展探析[J]. 沈陽體育學(xué)院學(xué)報，2009,28(1)：25-27.

[3]林順治，吳冰. 我國“陽光體育”長效機制與戰(zhàn)略對策[J].河北體育學(xué)院學(xué)報，2010,24(1)：49-53.

[4]陳平，許冠忠，朱俊英.“封閉式學(xué)生體育鍛煉長廊”對大學(xué)生體育鍛煉態(tài)度的影響[J].體育學(xué)刊，2009,26(3)：55-58.

[5]許冠忠,陳平,朱俊英.封閉式學(xué)生體育鍛煉長廊的設(shè)計與研制[J].山東體育科技，2007,29(4)：55-56.

[6]解立新,許冠忠,王宗平.封閉式學(xué)生體育鍛煉長廊[J].學(xué)校體育,2007,9：48-49.

[7]張 筠.美國人爭奪奧運金牌的秘密武器[J].科學(xué)與生活,2001（10）:12-15.

[8]李元偉.科技與體育[J].中國體育科技,2002,38（16）：3-8.

[9]楊要武.德國奧運代表團的秘密工廠——德國運動器材研究所簡介[EB/OL].

[10]曾五一.運動泳裝的演變與發(fā)展[J].文體用品與科技體育，2002（5）:15-16.

[11]周 濂.2008北京：科技奧運的餐餐大餐[J].科學(xué)世界,2001，（8）：14-22.

[12]宗亮.運動鞋技術(shù)新突破[J].文體用品與科技,2000(3):45-46.

[13]AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y,et a1. Wireless sensor networks:a survey[J].Computer Networks,2002, 38:393-422.

[14]OMNeT++Home Page.http://www.omnetpp.org，2007(9)．

[15]VARGA A.(2001).The OMNeT++discrete event simulation system.In the proceedings of the european simulation Multiconference(ESM 6-9,2001(6).Prague,Czech Republic).

[16]BAJAJ S,BRESLAU L,ESTRIN D.hnproving simulation for network research.IEEE Computer.to appear,a preli-minary draft is currently available as USC technical report,2000:99-702.

[17]OPNET Technologies,Inc.OPNET Modeler[[EB/OL].http:// www.opnet.con.2007(9).

[18]KRUGLINSKI D L.Visual C++技術(shù)內(nèi)幕[M].潘愛民,王國印,譯．北京：清華大學(xué)出版社,2000．

[19]費佩燕.VC++中動態(tài)鏈接庫的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003,28(8)：7-18．

[20]李海霞．VC中的動態(tài)鏈接庫應(yīng)用[M].軟件應(yīng)用,2004．

[21]MATr PIETREK.Windows 95系統(tǒng)程式設(shè)計大奧秘[M].臺灣：旗標(biāo)出版有限公司，1997．

(責(zé)任編輯：陳建萍)

Study on the Information System of "Sunshine Sports Corridor"

ZENG Gui-sheng , ZHOU Wu-neng, LIU Jiang-yun, et al.
(Donghua University, Shanghai 201100, China)

Adopting the ways of literature study, on-the-spot investigation, demonstration and statistics, the author optimizes and integrates the component parts of the present "Sunshine Sports Corridor". Based on the general laws of physical fitness, the author establishes a Sunshine Sports Corridor System which has the function of digital information wireless synchronization, using wireless sensor technology and the instrument for heart rate remote sensing test.

Sunshine Sports; fitness; information system

G807.01

A

1006-1207(2012)03-0100-04

2012-01-27

2011年上海市體育社會科學(xué)、決策咨詢課題（TYSKYJ2011012）

曾桂生，男，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：體育教育學(xué).

1.東華大學(xué) 體育部， 上海 201600；2.上海師范大學(xué)青年學(xué)院，上海 200234