李圣普，王小辉
（平顶山学院计算机科学与技术学院，河南平顶山467002）
基于ZigBee的跑步训练辅助系统研究
李圣普，王小辉
（平顶山学院计算机科学与技术学院，河南平顶山467002）
赛跑是运动会最常见的竞技项目，然而专为跑步运动员训练设计的电子辅助系统却很少，都使用有线传输数据且线路复杂，仅能显示时间信息而未将资料数据做管理。这里采用ZigBee无线传输技术取代现有系统的有线传输，整合ZigBee无线传输技术、Megawin单片机（MPC82G516）、红外线感测及语音感测等元件，设计与实现跑步运动员训练辅助系统，不仅具有训练现场任意分段距离组合的精确计时功能，而且还有训练后的数据资料分析与管理功能，可协助教练或个人在训练后分析训练情况以及如何提高成绩。
辅助训练；蜂窝网络；无线传感网络；红外线感测
跑步是最常见的运动形态，国内外每年都举办有大大小小的各种运动赛事，而赛跑项目是每一个运动会上不可缺少的竞技项目。运动员为了比赛时有好成绩，平日无不积极训练，充分运用高科技的辅助系统对于运动员的训练有很大的帮助，然而专为跑步运动员训练设计的电子辅助系统并不多见。现今市场中可找到一些产品[1]，大都使用有线传输且其系统线路复杂，也仅能显示时间信息而未将资料数据做管理。ZigBee为一种短距离、低传输率、架构简单以及低功率的无线通信技术，常被广范应用于智慧型住宅、医疗照护及工厂自动化等，并已发挥很好的功能效果[2]。对比现有跑步运动员训练辅助系统的功能与系统架构，本文以ZigBee无线传输技术取代现有系统的有线传输，并新增后端的数据资料管理功能，整合ZigBee无线收发技术、Megawin单片机（MPC82G516）、红外线感测及语音感测等元件，设计与实现一个新型跑步运动员的训练辅助系统，以改进现有训练辅助系统的功能。
1 系统功能与硬件架构设计
1.1系统功能设计
系统功能设计的总体思路是：应用ZigBee无线网路广播功能，将起跑信号以无线方式同步传送到远端计时子系统，达到精确计时的目的，应用于训练跑步运动员的任意距离组合的分段计时。远端计时子系统则以点对点（peer⁃to⁃peer）方式传输数据到后端资料管理系统，所有训练数据存储于后端资料管理系统。此数据有助于分析影响跑步训练效果中的各种因素，例如运动强度（intensity）、频率（frequency）和持续时间（duration）等，协助使用者了解个人练习与训练状况。系统主要划分为3个子系统：
（1）架设于起跑线处负责启动计时的起跑端子系统；
（2）架设在任意设定的跑道位置处负责分段计时的远端计时子系统；
（3）后端资料管理与分析系统。
跑步训练辅助系统的训练场布置如图1所示。各子系统的功能分述如下：
起跑端子系统：架设于起跑线处，可以感应枪声或电子起跑架信号为计时起点，开始启动计时器并同时以ZigBee无线网路广播的功能，将起跑信号以无线方式同步传送到远端计时子系统同步启动计时，并具计时显示功能。
图1 训练场布置
远端计时子系统：可以架设在任意设定的跑道位置处，并于此处跑道左右两侧架设红外线感应装置。具备无线接收自起跑端子系统送来的起跑讯号，并启动计时与显示功能，当红外线侦测跑步者到达感测点时，系统储存到达计时间并同时回传此资料到后端数据资料管理系统，当用于长距离跑步训练时，可以储存多组时间资料并可随时选择读取这些资料。
后端数据资料管理：接收各个远端计时子系统回传的数据资料，并具备储存、整理与分析的功能，协助使用者了解个人训练状况。
1.2系统硬件架构设计
依据前述系统规划建构跑步运动员的训练辅助系统和各子系统的功能，硬件架构设计如下：
起跑端子系统：子系统硬体架构如图2所示，采用Megawin MCU（MPC82G516）为控制芯片，控制ZigBee无线收发模块、控制与选取电子起跑架以及语音感测IC。其中语音感测IC可以感测起跑鸣枪的枪声，电子起跑架也可以提供起跑信号。确认起跑信号以ZigBee同步传送到各子系统，同时亦需计时与显示。
远端计时子系统：子系统硬体架构图如图3所示，采用Megawin MCU（MPC82G516）整合红外线感测器与ZigBee无线收发模块。Megawin MCU（MPC82G516）控制ZigBee无线收发模块接收来自起跑端子系统的起跑信号，当红外线侦测跑步者到达感测点时，本子系统储存到达计时间并同时回传该资料到后端数据资料管理系统。
后端数据资料管理：服务器管理端架构如图4所示，包括后端数据资料管理平台与ZigBee无线收发模块。其中ZigBee无线收发模块接收来自远端计时子系统的计时信号，并以笔记型电脑架设后端数据资料管理平台，撰写LabVIEW及MySQL资料库等软体，完成人机操作界面以及资料分析处理功能。
图4 后端数据资料管理架构图
2 软件设计
整合前述硬件架构设计实现跑步训练辅助系统的硬件电路，配合硬件与功能需求撰写程序，依各子系统的功能，其程序设计如下：
起跑端子系统：程序流程如图5所示，先侦测起跑信号（感应枪声或电子起跑架信号），当接收到起跑信号时开启起计时器，并控制ZigBee无线收发模块以广播方式传送起跑信号到远端计时子系统。
远端计时子系统：程序流程如图6所示，程序主要先判断是否接收到起跑端子系统的起跑信号，当接收到起跑信号时同步启动计时器，当红外线侦测跑步者到达感测点时，系统储存到达计时间并同时回传此资料到后端数据资料管理系统；系统可以储存多组时间资料并可随时选择读取这些资料。
图5 起跑端子系统流程图
图6 远端计时系统流程图
后端数据资料管理流程如图7所示。程序判断是否接收到远端计时子系统的计时信号，以LabVIEW做资料整理与分析，分析的数据存入MySQL资料库。
图7 后端数据管理流程图
3 系统实现与测试
3.1系统原型[3⁃6]
整合第2节的硬件设计及第2节软件设计完成跑步训练辅助系统原型，包括起跑端、远端计时以及后端资料管理与分析等子系统，分别如图8，图9所示。
图8 起跑端子系统原型
图9 远端计时子系统原型
远端计时子系统的硬体外观，当开关开启时计时归零，并等待ZigBee无线收发模块接收起跑信号后开始计时；可使用按键控制选择Reset及读取3次前次通过该点的码表数据（每按1次按键显示1次数值，第4次为返回码表即初时显示模式）。在系统原型制做与测试中，遇到ZigBee无线收发受到杂讯与WiFi信号的干扰非常严重的情况，在此采用Shorted将外在杂讯透过铁片接地方式降低杂讯干扰，并设计窄频天线（天线的设计不在本文探讨）改善接收信号效果，减少无线传输时发生资料遗失的机率。
3.2系统测试
系统原型进行以下功能测试，以验证成品具有所规划的功能并正常运作。
红外线遮罩测试：当红外线产生遮罩时则点亮LED灯。
资料回传测试：进行远端计时子系统回传到后端资料数据管理的传输测试。
后端管理平台：后端数据资料管理平台中可输入跑步者姓名、日期、总距离、各端距离。接收起跑端起跑信号同步开启计时，平台上具备整理与分析各个远端计时子系统回传的数据资料与显示，并可依当日测试状况决定是否储存到MySQL资料库，同时具备分析平均速度与短距离的瞬时速度等功能。
4 结语
本论文以循序渐进的方式设计与整合ZigBee无线传输模块、Megawin单片机（MPC82G516）、红外线感测及语音感测等元件，从系统设计、程序撰写与系统测试，完成跑步运动员的训练辅助系统，可以应用于训练跑步运动员的任意距离组合的分段计时，所有训练数据存于后端资料管理系统，协助使用者了解个人练习与训练状况。相较于现有其他系统，该系统具下列特色：
机动性：本系统使用ZigBee无线收发模块取代有线传输，可以便捷布设并做任意距离的组合。
操作简易：具备简易操作的人机界面。
资料储存、分析与管理功能：所有训练数据存于后端资料管理系统，具备资料储存、分析与管理功能，此功能有助于分析影响跑步训练效果中的各种因素，例如运动强度（intensity）、频率（frequency）和持续时间（dura⁃tion）等，协助使用者了解个人练习与训练状况。
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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）
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 transmis⁃sion of the existing system，and the running athlete training aided system was designed and implemented by integrating the Zig⁃Bee wireless transmission technology，Megawin microcontroller，infrared sensing and voice sensing element.This system not on⁃ly has precise timing function of any segment distance combination in the training spot，but also has data analysis and manage⁃ment functions after training，which can help coach or runner to analyze the training state and improve the training performance.
auxiliary training；ZigBee；WSN；infrared sensing
TN911⁃34
A
1004⁃373X（2016）02⁃0062⁃03
10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.02.017
李圣普（1983—），男，河南封丘人，硕士研究生，讲师。研究方向为无线传感器网络及应用。
王小辉（1980—），女，河南滑县人，硕士研究生，讲师。研究方向为人工智能及应用。
2015⁃08⁃22
河南省重点科技攻关项目（142102210225）；平顶山学院青年基金资助项目（20120016）
