基于无线传感技术的体育教学田径训练强度监测系统
时间：2023-06-25 17:10:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
熊恬
(陕西中医药大学，体育部， 陕西，咸阳 712046)
现阶段，体育类教学已成为我国重点的教育项目之一，但是由于长时间高强度的训练内容，就容易导致运动员在训练时出现肌肉损伤或其他劳损情况，但很难被及时发现，导致运动员身体内的损伤不断累积，长此以往形成严重的二次伤害，并且无法在短时间内准确判断出受损位置的，从而导致误导治疗，引起严重后果。此时就需要一种专业的基于田径运动的训练强度监测装置，对在运动员训练时身体表现的各类信号特征进行及时监测，并利用装置中的传感器及各种节点判定机制，对发出高强度信号的位置点进行详细分析，判定是否存在损伤信号，从而检测运动员是否超出正常训练强度，最大程度减少伤害、提高运动员自身安全。
文献[1]设计基于视频图像的运动训练中体质状况实时监测系统，采用物联网环境下的视频监控技术对体能运动训练的视频进行图像采集，对采集的运动训练视频监控实行三维轮廓特征提取和边缘信息融合处理，结合图像滤波检测技术对视频图像的运动训练中体质状况信息检测识别，采用角点检测方法针对运动训练视频监控部位的特别关键点做标定处理，根据标定结果进行区域重构，实现运动训练中体质状况实时监测的视频图像分析，在运动训练中采用VIX总线处理技术进行监测并处理体质状况实时信号，以PLC和DSP作为数据处理中心单元，在ARM嵌入式微处理器环境下对运动训练中体质状况实时监测系统的硬件模块化开发。但是上述系统的测试结果误差率较大。
针对上述情况，本文设计基于无线传感技术的体育教学田径训练强度监测系统。
通过对无线传感技术的有效分析，提出构建基于体育教学田径训练强度监测系统的整体框架构思，其具体分布如图1所示。
图1 系统的整体框架
从图1可以看出，整个监测系统主要是由基于无线传感技术的数据终端服务器、硬件结构及软件结构共同组成。
(1) 无线传感监测数据终端，是由配置在田径运动员身上的记录肌理特征参数[2]的节点装置组成，保证身体各类数据的传输和记录。
(2) 硬件结构能够直接连接医疗中心等急救部门的网络数据端，确保及时性。
(3) 软件结构能够通过采集取得全部的监测数据，完整的储存于数据库中，并通过网络线路连接至各个远程监测服务器中，这样就可完成整个基于无线传感技术的监测系统构架设计。
1.1 终端监测器
由于在体育教学的田径训练中，往往会因为训练强度较大而导致运动员出现肌肉损伤或其他伤害，所以，通过在运动员身上安装一种终端监测节点装置，来实时获取身体数据以及进行损伤判断，从而检测运动员训练强度是否超标，保证自身安全和健康。
此装置由监测电源、数据传感器、运动生理特征的信号显示器共同组成，并且该终端监测器的芯片采取低功率方式，降低耗用时间可延长一定的使用寿命，其具体模块思路设计如图2所示。
图2 终端监测器具体框架
1.2 监测供电源
由于无线传感服务器是需要在运动员身上佩戴安装的，为保证人身安全，所以在电源方面受到了一定的限制。所以在各方面都充分考虑后本文将利用小型的能量型电源来保证实施，此电源的能量是可以不断再生的[3]，并且还能进行各种供电模式的转换，保证长久供电与储存，其具体供电模式如图3所示。
图3 监测器电源供电线路
1.3 数据传感器
对上述无线传感终端监测装置中的数据传感器部分进行详细分析和解释。一般情况下在终端装置中，其数据集的接收、储存、发送部分的技术支持主要是由两种特殊技术芯片提供，分别为：数据处理芯片[4]以及信号射频芯片[5]。
它们的作用就是负责控制和传输无线接收器获取的资源信息，基本的处理操作主要包括：将信息标准化[6]、后续的收发、传输与储存等，这样就能够实现无线传感数据的测量、传输和记录，再通过特定的标准化信号接口与信息数据接收机制相关联，防止信号传输时信号丢失或异变，保证信息的完成性和时效性，其接口处传感器线板[7]的具体表述如表1所示。
表1 无线传感器数据接口
根据表1的接口表述中对信号电路的调整，就可以根据此无线接口完成模拟数据转换，再通过预测的形式模拟出数据经过传输接口及通道时的实时状态，降低传输误差，保证数据信号的接收器的实时连接，在最大程度上提高了数据传输的安全性。此外，还在无线接口处设置了电源供给，可以为传感器内的所有电路提供电源，确保发送或接收过程的有效实施。
一般情况下，数据传感器会出现因数据特征的重复而导致的增加信号查找误差率的问题。所以，提出通过对数据进行特征重复性的计算来解决此类问题，其计算式如下：
(1)
其中，ΔRmax表示基于信号查找过程中最大数据重复特征的偏差值。
基于式(1)可得数据的无线传感器中基于静态特征[8]属性数据的查找误差计算式为
(2)
其中，γ表示静态特征的重复率,n表示数据的检测数量。这样就将待测数据的数量输入到上述公式中，根据静态特征属性计算出传感器内的数据的重复率γ，以及误差值。使得数据的传输更为精准，降低监测难度，使系统具有更高的可靠性和准确性，保持系统状态的稳定。
1.4 运动生理特征的信号显示器
在无线传感的终端监测装置中，信号显示器作为其最为重要的组成设备之一，可以根据传感器记录实时记录的田径运动员训练强度的完整信息，再通过一定的调理及整合给出最后的信号显示。
其主要负责的是心电类信号，该信号中含有运动员的各种生理状况的信息，根据心电特征进行显示模块的构建，心脏的收缩或是舒张都能引起心电图曲线的变化，并且还能引起人体皮肤表面的微电流的带电变化，基于此就能根据实时记录的心电状态变化曲线的波动程度及幅度大小，来判定运动员基于各种训练强度的情况下，心跳频率及其他身体特征的实时变化，最后再通过信号显示器加以标注显示，其具体的心电频率波动效果如下图4所示。
图4 运动员心电变化频率波动
从图4中可以看出，心电频率的时效周期一般包括几个片段，在图中分别是A、B、C、D、E这5个跳动变化的波形，它们都分别表示心脏实时跳动变化的区域和活动范围。
A段波形表示在心脏中左右心房电位的实时变化。
B段波形和C段波形都表示左右心房在去电极时时间和电位的变化。
D段波形表示在去极电路之前的时间和电位的实时变化。
E段波形则表示去极电路之后的时间和电位的实时变化。
从图中可以清晰地看出，每一段波形所形成的波组距表示一个心脏实时跳动的周期，且每组含有A、B、C、D、E这5个波群。
由于此设备需要在运动员身上安装，保证监测时效性，但是由于大量的活动容易形成电路噪声影响信号质量，所以通过设立噪声滤波器来降低信噪比，提高监测的实际效果，具体设计如下图5所示。
图5 噪声滤波电路设计
1.5 数据采集模块
一般情况下，基于监测类的系统数据采集基本有两种方法：一种是循环式监测采集方法；
另一种是随机训练采集的方法。由于第一种对于人员基数较大的运动员来讲，很难查找目标，难度较大。而且运动员训练的各种参数以及位置、起跑和终点线时间都是随机的，所以本文采取第二种随机采样的方式来进行监测系统的数据采集。对于上述数据传感器传输的数据，本文通过基于RS485的16路数字量采集器进行数据采集，基于RS485的16路数字量采集器如图6所示。
图6 数字采集器
采集的方法主要是计算机CPU持续进程工作中，进行数据的地址选取、传送、接收、整合处理的唯一制定的工作通道。而在田径项目运动员的训练强度系统中就可将其表达为，在模拟的百米赛跑运动中，起跑的一瞬间就像计算机中输入一个标记信号，并且这时开始感知计时，以此为基础，同样方法在运动员接触终点线时，也向计算机内输入一个结束信号，并全面记录该运动员所用的时间。将这些数据进行整合分类，放置到采集子系统内的数据储存类项目单元去。这样就可完成数据采集，这种基于随机采样的数据采集方式，不受外界各类因素的干扰，可保证数据的完整性和时效性，还可提升数据的抗干扰能力，其具体记录方式如下。
表2 基于随机采样的数据采集模式
1.6 监测电路
在基于体育教学的田径运动训练强度系统中，根据无线传感技术为各个子系统提供传输连接电路，通过各电路的连接实现数据关联，保证系统的稳定性及数据的安全性。
本文采取桥压式电路作为设计重点，利用该电路的自身属性特征对系统电路中的其他器件源路进行表达，实现器件间电源线路的精准性，降低功耗并确保线路稳定，保证后续数据处理操作的可靠性。采用一款zbw800kw可调节式线路稳压器，其主要工作模式就是利用电路外部的两个可自动设定的电阻，并将其范围调至3～40 V的电压基准值，这时内部的温度电压系数较小约为20 Ω，动态范围内的阻抗较低，基本数值约为0.321 Ω。
根据系统中需要低电压、低功耗的电路要求本文利用上述观点构建了基于桥压式的电路模型如下图7所示。
图7 桥压式的电路模型
从图中可以看出，电路采取的是电力为2N222的三极管进行电流的调节，输入电阻R和电压V1为稳压器TL431提供高效的工作电流，再通过电阻R1,R2的实时调节使得电压稳定在V0=3 V。至此完成可调节电路信号的供电线路设计。
2.1 测试背景
为了验证本文设计的基于无线传感技术的体育教学田径训练强度监测系统在实际应用中的有效性，选取某体育学校学生300名进行仿真实验测试。实验对象在6 km/h(a)、8 km/h(b)、10 km/h(c) 三种不同田径运动速度下各采集数据600组，并通过如下图8所示的数据传感结构拓扑图来进行性能测试。
图8 结构拓扑图
图中1～16个端点是由纤维材料做成的电阻隔片，并且每隔4个隔片就可组成一个以顶点为基准的电阻方格，图中电阻方格分别贴附在左右手臂和左右大腿上，每个电阻方格存在3个电阻隔片，贴附在上臂肌肉、小臂肌肉、手肘以及大腿肌肉、小腿肌肉和膝盖，在区域通道内配置2个基元无线传感的供应节点装置，和10个采集数据的节点，其中模拟损伤位置为3、7、8、10、11、14。
2.2 训练强度监测结果
在拓扑结构中随机布置相应的电阻隔片，让信号之间可以实现数据连接，并在12个电阻方格内的中心位置，依次放置加载数据为40 N载荷的模拟肌理损伤信号，传送命令至无线传感数据采集节点，在节点取得信号命令后，就对肌理数据进行采集、发送、接收以及储存，将此步骤循环重复3～10次，保证每个方格内的节点都能均匀获取数据信息。
模拟测试中把所有节点方格看作是各类传感模式，表3是最终基于信号传感器的训练强度过高可能会引起肌理损伤定位结果，0表示损伤可能性较低，训练强度较小；
1表示发生损伤可能性较高，训练强度较高。
表3 训练强度损伤位置判定
表3是基于本文监测系统对运动员的身体损伤及训练强度的判定结果，与设定的定位完全一致，可得整体训练强度已经超出运动员安全训练范围，应该立即发出警报，降低训练强度或停止训练。
2.3 外界刺激下身体特征信号监测结果
在进行体育教学时，对田径运动员的训练过程利用本系统实施数据监测。一般情况下，在运动时会产生一些监测数据例如：运动员的心跳、身体实时的温度以及皮肤电阻等信息。本文测试将对皮肤产生的电阻信号作为监测数据，为了保证实验结果的直观性和准确性，将对信号电路中加入一定的皮肤刺激，分析其状态之间的变化数值及数据间相互产生的关联，经过不断的调整电路中信号的阻值数量及大小，再循环测试，最终得出实际电阻信号如图9所示。
图9 经过刺激后的皮肤电阻信号
从图9中可以看出，未受到外界刺激时的皮肤电阻信号监测曲线的频率一直稳定在2.6～2.8 Hz之间，一般来说，在受到外界刺激后皮肤会出现一定的肌理反应从而影响监测装置的波频，但从图中本文监测器在受到刺激后的曲线来看，其并未受到太大的影响，整体波动幅度还是稳定在2.6～2.8 Hz内，且每个时间段内的信号差异不大，这是因为本文在信号显示步骤时，加入了噪声滤波器的设计，可在一定程度上减轻因运动员大量的活动而形成电路噪声，从而降低信噪比、降低监测误差、减少电阻信号间的波形频谱差异。
测试证明，本文监测系统拥有较高的信号控制能力，且信号的监测和传输过程一直保持着稳定状态，保证数据的完整性和安全性，监测准确率较高、整体效果优异。
通过对本文提出的基于无线传感技术的体育教学田径训练强度监测系统进行有效研究和分析，得出以下几点结论：
(1) 基于无线传感监测的终端服务器可以实时获取运动员的身体数据，并且通过低功率供电电源的设计可降低功耗，延长使用寿命。其中，数据传感器通过特定的接口处理有效防止信号丢失和异变，保证信息的安全性。
(2) 利用随机采样的数据采集方式可以有效确保数据信息的完整性和时效性。而建立的桥压式电路确保各器件间的线路稳定，提高后续数据处理操作的可靠性。
(3) 性能测试证明，本文系统可以有效降低电路中的信噪比，并且数据监测的准确性较高、能够满足各个领域的特殊化或个性化要求。
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