摘 要： 賽跑是運動會最常見的競技項目，然而專為跑步運動員訓(xùn)練設(shè)計的電子輔助系統(tǒng)卻很少，都使用有線傳輸數(shù)據(jù)且線路復(fù)雜，僅能顯示時間信息而未將資料數(shù)據(jù)做管理。這里采用ZigBee無線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，整合ZigBee無線傳輸技術(shù)、Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設(shè)計與實現(xiàn)跑步運動員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，不僅具有訓(xùn)練現(xiàn)場任意分段距離組合的精確計時功能，而且還有訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)資料分析與管理功能，可協(xié)助教練或個人在訓(xùn)練后分析訓(xùn)練情況以及如何提高成績。

關(guān)鍵詞： 輔助訓(xùn)練； 蜂窩網(wǎng)絡(luò)； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 紅外線感測

中圖分類號： TN911?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0062?03

Research on ZigBee?based training auxiliary system for running athletes

LI Shengpu， WANG Xiaohui

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467002， China）

Abstract： Race is one of the most common sport items， but there are few electronic aided systems for the running athletes training， in which wire is used to transmit data， its circuit is very complex， and only time information can be displayed， but the data management is not considered. Therefore， ZigBee wireless transmission technology was adopted to replace the wire transmission of the existing system， and the running athlete training aided system was designed and implemented by integrating the ZigBee wireless transmission technology， Megawin microcontroller， infrared sensing and voice sensing element. This system not only has precise timing function of any segment distance combination in the training spot， but also has data analysis and management functions after training， which can help coach or runner to analyze the training state and improve the training performance.

Keywords： auxiliary training； ZigBee； WSN； infrared sensing

跑步是最常見的運動形態(tài)，國內(nèi)外每年都舉辦有大大小小的各種運動賽事，而賽跑項目是每一個運動會上不可缺少的競技項目。運動員為了比賽時有好成績，平日無不積極訓(xùn)練，充分運用高科技的輔助系統(tǒng)對于運動員的訓(xùn)練有很大的幫助，然而專為跑步運動員訓(xùn)練設(shè)計的電子輔助系統(tǒng)并不多見。現(xiàn)今市場中可找到一些產(chǎn)品[1]，大都使用有線傳輸且其系統(tǒng)線路復(fù)雜，也僅能顯示時間信息而未將資料數(shù)據(jù)做管理。ZigBee為一種短距離、低傳輸率、架構(gòu)簡單以及低功率的無線通信技術(shù)，常被廣范應(yīng)用于智慧型住宅、醫(yī)療照護及工廠自動化等，并已發(fā)揮很好的功能效果[2]。對比現(xiàn)有跑步運動員訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能與系統(tǒng)架構(gòu)，本文以ZigBee無線傳輸技術(shù)取代現(xiàn)有系統(tǒng)的有線傳輸，并新增后端的數(shù)據(jù)資料管理功能，整合ZigBee 無線收發(fā)技術(shù)、Megawin 單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，設(shè)計與實現(xiàn)一個新型跑步運動員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，以改進現(xiàn)有訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)功能與硬件架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計的總體思路是：應(yīng)用ZigBee無線網(wǎng)路廣播功能，將起跑信號以無線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)，達到精確計時的目的，應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運動員的任意距離組合的分段計時。遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)則以點對點（peer?to?peer） 方式傳輸數(shù)據(jù)到后端資料管理系統(tǒng)，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲于后端資料管理系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)有助于分析影響跑步訓(xùn)練效果中的各種因素，例如運動強度（intensity）、頻率（frequency）和持續(xù)時間（duration）等，協(xié)助使用者了解個人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。系統(tǒng)主要劃分為3個子系統(tǒng)：

（1） 架設(shè)于起跑線處負(fù)責(zé)啟動計時的起跑端子系統(tǒng)；

（2） 架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處負(fù)責(zé)分段計時的遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)；

（3） 后端資料管理與分析系統(tǒng)。

跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的訓(xùn)練場布置如圖1所示。各子系統(tǒng)的功能分述如下：

起跑端子系統(tǒng)：架設(shè)于起跑線處，可以感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號為計時起點，開始啟動計時器并同時以ZigBee無線網(wǎng)路廣播的功能，將起跑信號以無線方式同步傳送到遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)同步啟動計時，并具計時顯示功能。

圖1 訓(xùn)練場布置

遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)：可以架設(shè)在任意設(shè)定的跑道位置處，并于此處跑道左右兩側(cè)架設(shè)紅外線感應(yīng)裝置。具備無線接收自起跑端子系統(tǒng)送來的起跑訊號，并啟動計時與顯示功能，當(dāng)紅外線偵測跑步者到達感測點時，系統(tǒng)儲存到達計時間并同時回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)，當(dāng)用于長距離跑步訓(xùn)練時，可以儲存多組時間資料并可隨時選擇讀取這些資料。

后端數(shù)據(jù)資料管理：接收各個遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料，并具備儲存、整理與分析的功能，協(xié)助使用者了解個人訓(xùn)練狀況。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

依據(jù)前述系統(tǒng)規(guī)劃建構(gòu)跑步運動員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的功能，硬件架構(gòu)設(shè)計如下：

起跑端子系統(tǒng)：子系統(tǒng)硬體架構(gòu)如圖2所示，采用Megawin MCU（MPC82G516）為控制芯片，控制ZigBee無線收發(fā)模塊、控制與選取電子起跑架以及語音感測IC。其中語音感測IC可以感測起跑鳴槍的槍聲，電子起跑架也可以提供起跑信號。確認(rèn)起跑信號以ZigBee同步傳送到各子系統(tǒng)，同時亦需計時與顯示。

圖2 起跑端子系統(tǒng)架構(gòu)圖

遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)：子系統(tǒng)硬體架構(gòu)圖如圖3所示，采用 Megawin MCU（MPC82G516）整合紅外線感測器與ZigBee無線收發(fā)模塊。Megawin MCU（MPC82G516）控制ZigBee無線收發(fā)模塊接收來自起跑端子系統(tǒng)的起跑信號，當(dāng)紅外線偵測跑步者到達感測點時，本子系統(tǒng)儲存到達計時間并同時回傳該資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)。

圖3 遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)架構(gòu)圖

后端數(shù)據(jù)資料管理： 服務(wù)器管理端架構(gòu)如圖4所示，包括后端數(shù)據(jù)資料管理平臺與 ZigBee 無線收發(fā)模塊。其中 ZigBee 無線收發(fā)模塊接收來自遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)的計時信號，并以筆記型電腦架設(shè)后端數(shù)據(jù)資料管理平臺，撰寫 LabVIEW及MySQL資料庫等軟體，完成人機操作界面以及資料分析處理功能。

圖4 后端數(shù)據(jù)資料管理架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

整合前述硬件架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)的硬件電路，配合硬件與功能需求撰寫程序，依各子系統(tǒng)的功能，其程序設(shè)計如下：

起跑端子系統(tǒng)：程序流程如圖5所示，先偵測起跑信號（感應(yīng)槍聲或電子起跑架信號），當(dāng)接收到起跑信號時開啟起計時器，并控制 ZigBee無線收發(fā)模塊以廣播方式傳送起跑信號到遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)：程序流程如圖 6所示，程序主要先判斷是否接收到起跑端子系統(tǒng)的起跑信號，當(dāng)接收到起跑信號時同步啟動計時器，當(dāng)紅外線偵測跑步者到達感測點時，系統(tǒng)儲存到達計時間并同時回傳此資料到后端數(shù)據(jù)資料管理系統(tǒng)；系統(tǒng)可以儲存多組時間資料并可隨時選擇讀取這些資料。

圖5 起跑端子系統(tǒng)流程圖

圖6 遠(yuǎn)端計時系統(tǒng)流程圖

后端數(shù)據(jù)資料管理流程如圖7所示。程序判斷是否接收到遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)的計時信號，以LabVIEW做資料整理與分析，分析的數(shù)據(jù)存入 MySQL資料庫。

圖7 后端數(shù)據(jù)管理流程圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

3.1 系統(tǒng)原型[3?6]

整合第2節(jié)的硬件設(shè)計及第2節(jié)軟件設(shè)計完成跑步訓(xùn)練輔助系統(tǒng)原型，包括起跑端、遠(yuǎn)端計時以及后端資料管理與分析等子系統(tǒng)，分別如圖8，圖9所示。

圖8 起跑端子系統(tǒng)原型

圖9 遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)原型

遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)的硬體外觀，當(dāng)開關(guān)開啟時計時歸零，并等待 ZigBee無線收發(fā)模塊接收起跑信號后開始計時；可使用按鍵控制選擇 Reset及讀取3次前次通過該點的碼表數(shù)據(jù)（每按1次按鍵顯示1次數(shù)值，第4次為返回碼表即初時顯示模式）。在系統(tǒng)原型制做與測試中，遇到 ZigBee無線收發(fā)受到雜訊與WiFi信號的干擾非常嚴(yán)重的情況，在此采用Shorted將外在雜訊透過鐵片接地方式降低雜訊干擾，并設(shè)計窄頻天線（天線的設(shè)計不在本文探討）改善接收信號效果，減少無線傳輸時發(fā)生資料遺失的機率。

3.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)原型進行以下功能測試，以驗證成品具有所規(guī)劃的功能并正常運作。

紅外線遮罩測試：當(dāng)紅外線產(chǎn)生遮罩時則點亮LED燈。

資料回傳測試：進行遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)回傳到后端資料數(shù)據(jù)管理的傳輸測試。

后端管理平臺：后端數(shù)據(jù)資料管理平臺中可輸入跑步者姓名、日期、總距離、各端距離。接收起跑端起跑信號同步開啟計時，平臺上具備整理與分析各個遠(yuǎn)端計時子系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)資料與顯示，并可依當(dāng)日測試狀況決定是否儲存到 MySQL 資料庫，同時具備分析平均速度與短距離的瞬時速度等功能。

4 結(jié) 語

本論文以循序漸進的方式設(shè)計與整合 ZigBee無線傳輸模塊、Megawin單片機（MPC82G516）、紅外線感測及語音感測等元件，從系統(tǒng)設(shè)計、程序撰寫與系統(tǒng)測試，完成跑步運動員的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)，可以應(yīng)用于訓(xùn)練跑步運動員的任意距離組合的分段計時，所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，協(xié)助使用者了解個人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。相較于現(xiàn)有其他系統(tǒng)，該系統(tǒng)具下列特色：

機動性：本系統(tǒng)使用 ZigBee 無線收發(fā)模塊取代有線傳輸，可以便捷布設(shè)并做任意距離的組合。

操作簡易：具備簡易操作的人機界面。

資料儲存、分析與管理功能：所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)存于后端資料管理系統(tǒng)，具備資料儲存、分析與管理功能，此功能有助于分析影響跑步訓(xùn)練效果中的各種因素，例如運動強度（intensity）、頻率（frequency）和持續(xù)時間（duration）等，協(xié)助使用者了解個人練習(xí)與訓(xùn)練狀況。

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