鄭 凱

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

隨著傳感器技術、 信息與通信技術的快速發(fā)展，特別是物聯(lián)網技術和無線傳感網絡技術的發(fā)展給可穿戴式醫(yī)療保健裝置的研發(fā)提供了巨大的機遇和挑戰(zhàn).近年來，國內外眾多研究單位和企業(yè)都在可穿戴移動裝置上開展了較多研究，并取得了豐厚的研究成果和經驗.這類裝置主要監(jiān)測人體的運動信息(加速度、 速度、 位置等)、 生命體征信息(血糖、 血壓、 心率、 體溫、 血氧含量等)和環(huán)境信息(溫度、 濕度等)等，并結合相關理論進行數(shù)據(jù)分析，給出特定的反饋建議[1-3].

目前，不論是用于醫(yī)療中心的疾病康復治療和運動損傷恢復，還是用于專業(yè)運動員日常訓練中的損傷預防和動作評估，對體育運動的實時監(jiān)測已經成為了國內外研究的一個熱點[4-6].其中，由于游泳運動中的動作不對稱性可以反映出許多脊柱類疾病和運動損傷，游泳運動已經被認為是一種用于康復治療中非常重要的體育運動，且水療法也被認為是物理療法中主要的治療方式[7].在水中運動治療和游泳時，水的浮力減弱了人體重力的影響，這對脊柱和膝、 踝關節(jié)等有很好的保護作用[8]，這也是受傷或手術后康復治療選擇游泳的原因之一.此外，游泳運動對自閉癥患者也有很大的好處[9].

針對游泳運動的實時監(jiān)測問題，以醫(yī)療中心中物理康復治療和專業(yè)運動員訓練中的損傷預防為主要目的，本研究提出了一種基于物聯(lián)網的可穿戴式游泳姿態(tài)測量的設計方案，可在不影響游泳者進行游泳鍛煉的情況下實時獲取游泳時的運動信息(包括加速度信息和身體旋轉角信息)，并將其上傳至上位機監(jiān)測平臺，治療師或教練可在上位機平臺實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結果，并針對實際情況給出反饋意見.本文還對該方案進行了實驗驗證，并對實際測量的運動信息進行了分析處理，對康復治療中患者的身體狀況評估和對游泳運動員的動作評估有一定的參考價值.

1 測量系統(tǒng)結構與原理

本文設計的游泳姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由游泳姿態(tài)測量裝置、 無線網絡和上位機監(jiān)測平臺三部分組成，如圖 1 所示.在無線網絡覆蓋的情況下，游泳姿態(tài)測量裝置實時采集游泳者的運動信息，嵌入式Wi-Fi模塊通過IEEE 802.11標準協(xié)議將運動信息數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機監(jiān)測平臺，監(jiān)測軟件實時將接收到的運動信息進行顯示，供治療師或教練查看.

圖 1 基于物聯(lián)網的游泳姿態(tài)測量系統(tǒng)結構Fig.1 System structure of monitoring swimming posture based on internet of things

根據(jù)物聯(lián)網的體系結構[10]，游泳姿態(tài)測量裝置屬于感知延伸系統(tǒng)層，包括探測游泳者運動信息的三軸加速度傳感器、 三軸陀螺儀傳感器、 嵌入式Wi-Fi模塊和電池； 無線網絡屬于異構融合的通信網絡層，可為已有的無線路由器，為數(shù)據(jù)傳輸提供無線網絡覆蓋； 上位機監(jiān)測平臺屬于服務用戶的應用層，包括移動電腦和監(jiān)測軟件.

2 系統(tǒng)設計

2.1 游泳姿態(tài)測量裝置硬件設計

游泳姿態(tài)測量裝置的內部結構如圖 2 所示，傳感器部分采用6DOF集成傳感器模塊，處理器和通信部分采用嵌入式Wi-Fi模塊.嵌入式Wi-Fi模塊內嵌的處理器通過IIC總線協(xié)議對傳感器模塊進行設置和數(shù)據(jù)傳輸，內嵌的Wi-Fi模塊通過IEEE 802.11協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.

圖 2 游泳姿態(tài)測量裝置的內部結構Fig.2 Internal structure of swimming posture monitoring device

2.1.1 集成傳感器模塊

系統(tǒng)所選用的傳感器為MPU-6050傳感器模塊，如圖 3(a) 所示，它集成了16 bits的三軸MEMS加速度計和三軸MEMS陀螺儀，相比于多組件方案，免除了組合陀螺儀和加速度傳感器時的軸間誤差，可通過IIC接口以單一數(shù)據(jù)流的形式進行數(shù)據(jù)傳輸.MPU6050芯片中還內置了含數(shù)據(jù)濾波算法的數(shù)據(jù)處理子模塊，傳感器輸出的測量數(shù)據(jù)的精度很高.其中，三軸加速度計的測量范圍可配置為正負2/4/8/16 g，三軸陀螺儀的測量范圍可配置為正負250/500/1 000/2 000 dps(度/秒)，由于游泳運動中各方向上的加速度幅值和角速度幅值都分別低于2 g和360 dps，因此在本設計中將加速度計和陀螺儀的測量范圍分別設為2 g和500 dps.由于游泳運動信號的信號帶寬小于 50 Hz，在本設計中采用100 Hz的采樣頻率進行運動信息測量.

圖 3 游泳姿態(tài)測量裝置內部模塊Fig.3 Internal modules of swimming posture monitoring device

2.1.2 嵌入式Wi-Fi模塊

系統(tǒng)所選用的處理器和通信部分為低功耗嵌入式Wi-Fi模塊EMW3162，如圖 3(b) 所示，它集成了微控制器(STM32F205)和無線通信模塊，微控制器中內嵌了包含TCP/IP協(xié)議棧、 Wi-Fi射頻驅動等的軟件庫，具有快速聯(lián)網速度、 高效事件處理機制等特性，可實現(xiàn)20 Mbps的傳輸速度.內嵌處理器通過IIC接口讀取傳感器模塊的測量數(shù)據(jù)，WLAN子模塊將TTL電平數(shù)據(jù)轉化為符合以IEEE 802.11標準協(xié)議的基帶信號，經2.4 GHz 射頻調制后通過板載PCB天線或外置天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.該模塊內嵌的軟件庫采用標準的BSD socket API為基礎，結合簡單易用的無線網絡配置API，可以很方便地建立與上位機之間的通信，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的快速傳輸.

2.2 游泳姿態(tài)監(jiān)測軟件平臺設計

本系統(tǒng)的游泳姿態(tài)監(jiān)測軟件平臺采用NI公司的LabVIEW軟件進行設計，為避免軟件平臺運行時出現(xiàn)在多任務多線程下占用資源過多的問題，采用模塊化設計的原則，將其結構分為多個模塊，如圖 4 所示，包含網絡通信模塊、 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊.監(jiān)測軟件界面如圖 5 所示.

圖 4 游泳姿態(tài)監(jiān)測軟件平臺結構Fig.4 Structure of swimming posture monitoring software

圖 5 游泳姿態(tài)監(jiān)測軟件平臺界面Fig.5 Swimming posture monitoring platform

網絡通信模塊主要是基于TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)測平臺與游泳姿態(tài)測量裝置之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，主要包括無線網絡連接，波特率、 端口等網絡參數(shù)設置等任務.在本系統(tǒng)中，游泳姿態(tài)監(jiān)測軟件平臺被設置為TCP/IP服務器，游泳姿態(tài)測量裝置設置為TCP/IP客戶端，當客戶端通電運行后，會根據(jù)靜態(tài)IP自動連接服務器，建立網絡連接后在監(jiān)測軟件平臺上顯示網絡連接狀態(tài).

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊主要是實現(xiàn)對游泳姿態(tài)測量裝置的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)讀取功能.在監(jiān)測平臺與游泳姿態(tài)測量裝置之間建立無線網絡通信后，如果游泳姿態(tài)測量裝置獲取運動數(shù)據(jù)并向監(jiān)測平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，TCP接收緩存中會接收到數(shù)據(jù)，模塊實時從緩存中讀取數(shù)據(jù)并將其傳遞到下一個模塊.

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊主要是實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、 存儲和顯示等.根據(jù)6DOF集成傳感器的數(shù)據(jù)標準，提取三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的單軸數(shù)據(jù)，然后將其以波形圖的方式進行顯示，并存儲為表格文件，便于未來分析和查閱數(shù)據(jù).

3 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗測試與結果

本實驗選擇人體下背部(約位于人體重心垂線上)為游泳姿態(tài)測量裝置佩戴部位，完成防水防護后用定制的腰帶將其固定在被測試者身上，如圖 6 所示.為了獲得標準的游泳姿態(tài)信號，測試者選擇為專業(yè)的游泳教練(男，36歲)，采用不同泳姿在中北大學游泳館(游泳池長度為50 m，如圖 7 所示)進行實驗測試.

圖 6 游泳姿態(tài)測量裝置佩戴圖Fig.6 Wearing diagram of monitoring device

圖 7 中北大學游泳館Fig.7 Swimming pool of NUC

實驗一為測試者分別采用高強度蝶泳、 仰泳、 蛙泳和自由泳4種泳姿進行測試，測量裝置連續(xù)監(jiān)測測試者身體的加速度信號和陀螺儀信號，如圖 8 所示.由于仰泳和自由泳是游泳康復治療鍛煉中最受歡迎的泳姿，實驗二針對這兩種泳姿開展進一步實驗，測試者分別采用3種游泳強度的仰泳和自由泳進行測試(測試順序為低強度仰泳、 中強度仰泳、 高強度仰泳，低強度自由泳、 中強度自由泳、 高強度自由泳)，連續(xù)監(jiān)測的加速度信號和陀螺儀信號如圖 9 所示.

圖 8 蝶泳、 仰泳、 蛙泳、 自由泳對應的運動信號Fig.8 Signals of butterfly, backstroke, breaststroke and front crawl

圖 9 低、 中、 高強度的仰泳和自由泳對應的運動信號Fig.9 Signals of backstroke and front crawl with three swimming intensities

由上述兩組實驗數(shù)據(jù)可知，本文中的游泳姿態(tài)測量裝置，可以實時獲取人體游泳時的三軸加速度信息和三軸陀螺儀信息，經簡單分析后可為康復治療師提供準確的人體身體狀況信息.其中，人體游泳時的各軸加速度AX,XY和AZ大小都不超過±2g0，各軸角速度ωX,ωY和ωZ大小不超過±340 deg/s，且游泳動作的頻率f在2 Hz以下.

3.2 數(shù)據(jù)分析

由于佩戴的游泳姿態(tài)測量裝置中傳感器的X軸與人體中軸線對齊，所以X軸數(shù)據(jù)表示人體前進方向上的運動信息，Y軸數(shù)據(jù)表示人體左右兩側方向上的運動信息，Z軸表示人體上下垂直方向上的運動信息.

根據(jù)圖 8 中4種泳姿的運動信息可知，只有仰泳對應的Z軸加速度數(shù)據(jù)為負值，這恰好與只有仰泳面部朝上的游泳姿勢相符合； 只有仰泳和自由泳對應的Y軸陀螺儀數(shù)據(jù)幅值很大，這與仰泳與自由泳需要左右轉動身體的特點相符合； 只有蝶泳和蛙泳對應的X軸陀螺儀數(shù)據(jù)和Z軸加速度數(shù)據(jù)的幅值很大，這與蝶泳和蛙泳主要依靠XZ平面運動的特點相符合； 但是蝶泳和蛙泳對應的X軸陀螺儀數(shù)據(jù)的波形形狀明顯不同，這是由于這兩種泳姿的肢體動作不同.因此，可以直接根據(jù)以上運動信息特點進行人體泳姿識別.

根據(jù)圖 9 中不同強度仰泳和自由泳的運動信息明顯可知，兩種泳姿的X軸加速度幅值與角速度頻率都隨著游泳強度的增加而增加.根據(jù)仰泳和自由泳泳姿的特點，人體左右兩側動作相似且交替發(fā)生； 同時測量裝置的X軸方向與人體中軸線一致，Y軸的運動信息(特別是Y軸角速度信息)是一個有較強規(guī)律性的簡單周期信號，表示人體在游泳時的左右旋轉角速度，利用式(1)對其積分可得人體游泳時的旋轉角.本文提取實驗二中不同強度和泳姿的旋轉角數(shù)據(jù)，并以其為基本數(shù)據(jù)進行分析，圖10中為中強度仰泳和自由泳過程中人體相對于中軸線的旋轉角曲線.

(1)

圖 10 中強度仰泳和自由泳的旋轉角信號Fig.10 Rotation angle for backstroke and front crawl with medium swimming intensities

由圖 10 可看出，旋轉角可清楚地記錄人體的游泳節(jié)奏，具有良好的信號特征.結合信號分析技術，還可提取信號周期、 最大值和最小值，用于表示游泳動作周期和向左右兩側旋轉角大小.這些信息很難直接通過人眼進行準確觀察，可以作為反饋信息提供給康復治療師用于游泳康復治療訓練，或者提供給專業(yè)教練用于預防專業(yè)運動員的日常訓練損傷.

如圖 10 所示，分別對中強度仰泳和自由泳的旋轉角信號進行最大值(左手動作旋轉角)、 最小值(右手動作旋轉角)提取，根據(jù)旋轉角信號過零點的時間確定左手動作周期TL(左手動作的持續(xù)時間)和右手動作周期TR(右手動作的持續(xù)時間).同理，分別提取低、 中、 高強度的仰泳和自由泳運動信息中人體旋轉角信號，并求取最大值、 最小值和左右手動作周期.

圖 11 表示低、 中、 高強度的兩種泳姿下左手和右手動作旋轉角曲線圖.明顯可知，低強度游泳的旋轉角比高強度游泳的要大.圖 12 表示低、 中、 高強度的兩種泳姿左手和右手的動作周期散點圖.明顯可知，低強度游泳的動作周期比高強度游泳的要長.綜合圖 11 和圖 12 的結果可知，低強度游泳的動作幅度要大于高強度游泳，且低強度游泳的動作周期要比高強度游泳長，這與測試者實際的游泳動作特點相符合.

圖 12 低、 中、 高強度仰泳和自由泳的左右手的動作周期散點圖Fig.12 Stroke periods for backstroke and front crawl with three swimming intensities

在游泳康復治療訓練中，治療師通常會要求游泳者按照某特定強度和頻率去游泳； 在專業(yè)運動員的日常訓練和動作評估中，教練也會要求運動員按照特定強度和頻率去完成一系列游泳動作.因此，在特定強度和頻率的游泳過程中，游泳者左右手動作的旋轉角大小和動作周期基本保持一個穩(wěn)定的數(shù)值.如果游泳者在游泳過程中疲勞程度增加，游泳者會用盡全力維持原來的運動狀態(tài)，但在動作控制的精度上會有越來越大的偏差，因此可用一定時間內旋轉角大小的方差來評估游泳者的疲勞程度.如果游泳者的身體存在某些脊柱疾病、 損傷或肢體損傷，在游泳過程中會產生一定程度上的左右手動作不對稱，因此可以用左右手動作旋轉角的差值和左右手動作周期的差值來評估游泳左右動作的不對稱性.

4 結 論

本文設計了一種基于物聯(lián)網的可穿戴式游泳姿態(tài)測量系統(tǒng)，可在不影響游泳運動的情況下實時獲取游泳者的運動加速度信息和身體旋轉角速度信息，并將其上傳至上位機監(jiān)測軟件平臺進行數(shù)據(jù)處理分析，文中提出的數(shù)據(jù)分析方法對游泳者的身體狀況和游泳動作的評估有一定的參考價值.該系統(tǒng)可應用于游泳康復治療和游泳運動員訓練中的動作對稱性、 疲勞程度和動作幅度等評估，也可應用于專業(yè)游泳教學和訓練中的動作規(guī)范等.