運動位移無線檢測系統及其運行方法
2023-04-23 18:09:21 2
專利名稱：運動位移無線檢測系統及其運行方法
技術領域：
本發明涉及運動醫學工程領域中的運動員體能訓練運動位移的無線檢
測系統，特別是涉及一種基於Zigbee無線區域網路的運動位移無線才企測系 統。
背景技術：
當今，對運動員的體能訓練時，需要對其運動進行評估以獲取信息參數 以促進對運動訓練方案的調整，使得運動員獲得更好的訓練效果，取得優 異成績；對運動的評估方法有很多，其中運動位移是一個重要指標，由此 亦可根據相關算法得到消耗能量的指標，目前同類產品主要是智能體育器 材，如加速度計，在設備上直接顯示加速度值，但是不能將需要的參數指 標實時傳至運動教練室指導訓練。
發明內容
為了解決現有技術的問題，本發明提供了一種運動位移無線檢測系統， 通過採用無線傳輸技術，採集運動的位移量，從而能夠直觀的分析和顯示 運動員的運動情況，便於及時調整運動員的訓練方式和訓練方法。
本發明解決現有技術問題所採用的技術方案是 一種運動位移無線檢 測系統，包括電源模塊，運動位移檢測單元、路由節點以及監控中心；所 述運動位移檢測單元同所述路由節點通過無線連接；所述路由節點與所述 監控中心通過有線或無線連接；所述運動位移檢測單元包括傳感器模塊和 單片機模塊；所述傳感器和所述單片機模塊通過串口連接；所述單片機模 塊包括Zigbee無線射頻模塊和RF無線射頻阻抗匹配模塊；所述傳感器模 塊為三軸加速度傳感器。
本發明進一步的改進是所述監控中心包括所述單片機模塊、數據顯 示裝置以及串口轉換模塊；所述數據顯示裝置通過所述串口轉換模塊與所
述單片才A^莫塊連接。
本發明進一步的改進是所述監控中心與所述運動位移檢測單元進行 數據的傳輸，所述數據顯示裝置通過其設有的運動位移管理軟體顯示接收 的數據信息。
本發明進一步的改進是:所述電源模塊為電池電源和/或USB接口電源； 所述電源模塊通過撥碼開關設置。
本發明進一步的改進是所述運動位移;險測單元至少包括一個所述運動位移4企測單元。
本發明提供了 一種運動位移無線檢測系統的運行方法，包括如下步驟 (101)設於活動目標上的傳感器通過無線網絡發送參數信息到監控中心；
(102) 所述監控中心內設的軟體對接收到的所述參數信息按照特定的 計算方法進行位移計算；
(103) 所述監控中心對所述位移進行顯示和管理。 本發明進一步的改進是所述步驟(101)中的所述活動目標包括一個和
多個活動目標；所述傳感器為三軸加速度傳感器；所述參悽t信息為所述活 動目標的X軸、Y軸以及Z軸的三軸加速度信息。
本發明進一步的改進是所述無線網絡為zigbee無線網絡；所述無線 網絡中包括單個或者多個網絡路由節點；所述傳感器通過單個或者多個所 述路由節點將數據傳輸到所述監控中心。
本發明進一步的改進是所述步驟(102)中所述特定的計算方法具體 為將所述活動目標中一個周期的加速度的測量值減去其平均值，令其邊 界條件為零，對修正後的加速度積分得到其速度，將所求速度減去其平均 值，令邊界條件為零，對修正後的速度積分即可得到所述活動目標的相對位 移，然後將相對位移數據信息存儲於監控中心的數據存儲裝置中。
本發明進一步的改進是多個所述活動目標能夠通過所述監控中心進 行位移計算；所述監控中心設有所述傳感器、路由節點的唯一標識碼。
本發明的有益效果是該發明採用2.4G無線傳輸技術，因為該網絡頻 段幹擾信號比較少，因此可以用來實現短距離的高速無線數據傳輸；通過 採用加速度傳感器來獲取運動員的位移情況，將位移情況轉換為可識別的 信息進行顯示，從而便於指導訓練；而該裝置通過採用多路由節點的形式， 可以同時對多個運動員的運動情況進行檢測，通過批量分析運動員的位移 情況，從而指導運動員訓練，提高了教練員工作效率；本發明同時提供了 該系統的運行方法，提供多點多運動目標的檢測，為進一步分析和指導運 動員的訓練提供了有力的支撐，從而滿足了多點檢測，多點位移，活動目 標才全測的目的。
圖l是本發明運動位移無線檢測系統的示意框圖2是本發明運動位移無線檢測系統的傳感器模塊電原理圖；圖3是本發明運動位移無線檢測系統的單片機電原理圖； 圖4是本發明運動位移無線檢測系統的轉換模塊原理圖； 圖5是本發明運動位移無線檢測系統的電源模塊控制單元原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖l所示， 一種運動位移無線檢測系統，包括電源模塊14，其特徵在 於所述運動位移無線裝置還包括運動位移檢測單元l、路由節點2以及監 控中心3;所述運動位移檢測單元1同所述路由節點2通過無線連接；所述路 由節點2與所述監控中心3通過有線或無線連接；所述運動位移檢測單元l包 括傳感器模塊ll和單片機模塊；所述傳感器ll和所述單片機模塊通過串口 連接。
所述單片機模塊包括Zigbee無線射頻模塊12和RF無線射頻阻抗匹配 模塊13。參見圖3， 一種實施例中，所述單片機採用韓國RadioPulse公 司晶片MG2455，實現無線短距離通信的解決方案，其完全兼容IEEE 802. 15. 4標準和ZigBee標準，工作頻段為2. 4GHz。在空日廣場合，通信距 離可以達到200m。其功耗^艮低，在睡眠模式下，電流消耗低於luA。在接 收狀態下，電流消耗為33.2mA。在發送狀態下，OdBm時的電流消耗為 30. 6mA， 8dBm時的電流消耗為43mA。
MG2455單片機集成了Zigbee無線通信模塊，是一款符合ZIGBEE協議標準 的射頻收發器和樣l處理器，內部資源豐富，包括96KB的內部Flash， 8KB的 內部SRAM,另外內部還有SPI、 A/D等資源，具有通訊距離遠、抗幹擾能力 強、組網靈活、性能可靠穩定等優點和特性；可實現點對點、 一點對多點、 多點對多點之間的設備間數據的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網 狀網絡結構。它可以實現數據的廣播方式發送、按照目標地址發送模式， 除可實現一般的點對點數據通信功能外，還可實現多點之間的數據通訊。 因此，符合運動位移無線檢測系統在訓練場館的遠距離才企測應用需求。
所述傳感器才莫塊ll為三軸加速度傳感器。如圖2， 一款低功耗三軸加速 度傳感器，電源電壓2. 35v—3. 6v,數字1/0電壓l. 7v—3. 6v，非常低能耗 (2.5v，480uA典型)，量程土2g，採用高速SPI數字串口通信接口與所述 單片機連接，運動和自由落體可觸發中斷信號，便於對於運動和墜落的探 測。晶片採用先進的矽電容3D-MEMS技術，抗衝擊能力強。接口電路如下， 採用SPI三總線接口，連接方法簡單可靠，MOSI連接單片機PO. 1， MISO連接 單片機PO. 2， SCK連接單片機PO. 3, CSB片選信號線連接單片機PO. 4， XRESET 復位引腳連接單片機PO. 5。採用I/0口模擬SPI時序完成加速度數位訊號的 採集。所述監控中心3包括所述單片才7l4莫塊、數據顯示裝置32以及串口轉換模 塊31;所述數據顯示裝置32通過所述串口轉換模塊31與所述單片機模塊連 接。所述監控中心3與所述運動位移檢測單元1進行數據的傳輸，所述數據 顯示裝置32通過其設有的運動位移管理軟體顯示接收的數據信息。運動員 終端節點檢測的運動位移參數需要經過傳輸模塊發送至遠端的監控中心 11,其間必須經過Zigbee網絡的路由節點2和傳輸以到達監控中心的中心節 點進行運動位移數據的串口傳輸至顯示裝置(如電腦)進行顯示。而轉換 模塊31，則通過採用串口轉usb的方式，將串口轉換成為usb接口，從而實 現與顯示裝置32的連接。在該轉換模塊的選擇上，可以採用cp2102，其是 高集成度USB-UART橋接電路。參見圖4，它們能夠用最筒單的外部電路、最 少的外部器件及最小的電路板面積簡便實現USB2. O到UART的轉換。其中 CP2102的引腳USB0-RXD-I連接單片機的串口引腳Pl. 1TXD,而CP2102的引腳 USBO-TXD-O連接單片機的串口引腳Pl. ORXD,監控中心還設有專門的數據 存儲裝置，用於存;^接收到的數據和計算出的位移信息。
所述單片枳4莫塊還包括用於指示工作狀態的LED指示才莫塊15，用於顯示 其工作狀態。
所述電源模塊l4設有電源模塊控制單元；所述電源模塊控制單元與所述 電源模塊14連接；所述電源模塊控制單元設定所述電源模塊14的供電方式； 所述電源模塊14的供電方式為電池電源和/或USRf妾口電源；所述電源模塊 14的供電方式通過所述電源模塊控制單元的撥碼開關設置。參見圖5，電源 模塊選用RT9163降壓穩壓晶片實現3. 3V的系統電源VCC-3V。而系統可選用 兩種電源，在運動員節點採用5V電池輸入VCC-5V，在路由節點或監控中心 節點採用上述USB接口的電源VUSBO-V作為系統電源，通過SW1撥碼開關選擇 設置。
所述運動位移檢測單元l至少包括一個所述運動位移檢測單元l;在運動 員訓練中，多個運動員同時進行訓練時，通過每個運動員攜帶的所述運動 位移檢測單元l,可以分別對他們的位移情況進行檢測，通過相同或者不同 的路由節點將數據信息傳輸到監控中心11 ，從而對訓練進行監控和指導， 教練員能夠通過運動員的位移情況，及時調整訓練方式或方法，提高其工 作效率。
具體實施過程中，在zigbee網絡通暢的情況下，運動員的訓練情況被三 軸加速度傳感器採集，其採集信息通過單機片上的無線射頻模塊在zigbee 網絡中進行傳輸，監控中心的無線射頻模塊則會接收到該傳輸信息，通過 串口轉換，將信息傳輸到電腦上面，電腦通過其控制l欠件，對數據進行轉 換、分析、管理，從而實現對運動員的運動位移情況進行監控和指導，而RF無線射頻阻抗匹配模塊則提供強大的抗幹擾能力，保證傳輸數據的準確 以及保證各個運動位移檢測單元正常工作。
本發明同時提供了該系統的運行方法，包括如下步驟(101)設於活 動目標上的傳感器通過無線網絡發送參數信息到監控中心；
(102 )所述監控中心內設的軟體對接收到的所述參數信息按照特定的 計算方法進行位移計算；
(103)所述監控中心對所述位移進行顯示和管理。
所述步驟(101)中的所述活動目標包括一個和多個活動目標；所述傳感 器為三軸加速度傳感器；所述參數信息為所述活動目標的X軸、Y軸以及Z 軸的三軸加速度信息。所述步驟(102)中所述特定的計算方法具體為將所 述活動目標中一個周期的加速度的測量值減去其平均值，令其邊界條件為 零，對修正後的加速度積分得到其速度，將所求速度減去其平均值，令邊界 條件為零，對修正後的速度積分即可得到所述活動目標的相對位移。由於
加速度的二重積分就是位移，因此利用所述加速度傳感器11可以測量活動 目標的運動位移，只需將加速度參數傳送至監控中心，由該監控中心完成 運動位移的計算、顯示和管理；三軸傳感器測出物體X、 Y、 Z三軸的加速 度，分別考慮物體的方向變化，加速度對時間^L一次積分，將得到V(t)函 數關係，再對時間進行積分，就可以得到X(t)函數；用加速度傳感器測量 位移的算法可簡要表述為將一個周期的加速度的測量值減去其平均值， 令邊界條件為零，對修正後的加速度積分得到速度，將所求速度減去其平 均值，令邊界條件為零，對修正後的速度積分即得到相對位移，然後將相對 位移數據信息存儲於監控中心的數據存儲裝置中。
所述無線網絡為zigbee無線網絡；所述無線網絡中包括單個或者多個 網絡路由節點；所述傳感器通過單個或者多個所述i^由節點將數據傳輸到 所述監控中心；多個所述活動目標能夠通過所述監控中心進行位移計算； 所述監控中心設有所述傳感器、路由節點的唯一標識碼。在多個活動目標 的監控和數據採集過程中，由於活動目標上的傳感器以及無線射頻模塊上 設有防幹擾模塊，可以避免傳輸時因被幹擾而出現傳輸數據出錯，同時也 能將不同的傳輸數據信息準確無誤的傳到監控中心，保證監控中心能夠識 別不同的活動目標的數據信息；能夠區分不同的體育運動場地以及不同的 訓練項目，能夠給教練員提供更多的參考信息，同時進行橫向或者縱向信 息的比較，便於教練員對工作的指導。該運行方法能夠實現多個活動目標通過一個或者多個路由節點將數據 信息傳輸到監控中心，監控中心設有專門的數據存儲裝置，用於存放接收 到的數據和計算出的位移信息，通過監控中心對數據進行計算和分析整理， 提供一個比較直觀的運動位移情況。例如教練員利用無線監測區域網路， 能夠在辦公室監控訓練場館中運動員(如舉重運動員)的運動位移等指標 狀況，隨時可以獲得信息並調整下階段的指導訓練。傳感器以及無線射頻
模塊可直接攜帶於運動員身體，釆集數據及時準確，數據傳輸通過zigbee 無線網絡，功耗低，誤碼率低，便於計算機仿真處理顯示，結果直觀，可 更方便教練員使用；因其利用Zigbee無線區域網的先進路由技術，能夠對 於移動中的運動員進行聯網檢測舉重運動位移參數指標，因此適應目前舉 重運動訓練指導的需求，將更廣泛地應用於全國各省、市體育運動員的訓 練指導中，應用前景廣闊。
不僅僅在體育運動員的項目上，針對與活動目標的監控和檢測，都可以 通過該系統來實現，從而實現對活動目標能量消耗、位移的檢測。
明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若 幹簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種運動位移無線檢測系統，包括電源模塊(14)，其特徵在於所述運動位移無線系統還包括運動位移檢測單元(1)、路由節點(2)以及監控中心(3)；所述運動位移檢測單元(1)同所述路由節點(2)通過無線連接；所述路由節點(2)與所述監控中心(3)通過有線或無線連接；所述傳感器模塊(11)為三軸加速度傳感器。
2. 根據權利要求1所述的運動位移無線檢測系統，其特徵在於所述運動 位移檢測單元(l)包括傳感器模塊(ll)和單片機模塊；所述傳感器(ll) 和所述單片4n4莫塊通過串口連接；所述單片機模塊包括Zigbee無線射頻 模塊(12 )和RF無線射頻阻抗匹配模塊(13 )。
3. 根據權利要求2所述的運動位移無線檢測系統，其特徵在於所述監 控中心(3 )包括所述單片機模塊、數據顯示裝置(32)以及串口轉換模塊 (31);所述數據顯示裝置(32)通過所述串口轉換模塊(31)與所述單片機 模塊連接；所述監控中心(3)與所述運動位移檢測單元(1)進行數據 的傳輸，所述數據顯示裝置(32)通過其設有的運動位移管理軟體顯示 接收的數據信息。
4. 根據權利要求3所述的運動位移無線檢測系統，其特徵在於所述電 源模塊設有電源模塊控制單元；所述電源模塊控制單元與所述電源模塊 連接；所述電源;漠塊控制單元設定所述電源;漠塊的供電方式；所述電源 模塊(14)的供電方式為電池電源和/或USB接口電源；所述電源模塊(14) 的供電方式通過所述電源模塊控制單元的撥碼開關設置。
5. 根據權利要求4所述的運動位移無線檢測系統，其特徵在於所述運 動位移檢測單元(1)至少包括一個所述運動位移檢測單元(1)。
6. —種運動位移無線檢測系統的運行方法，其特徵在於包括如下步驟(101)設於活動目標上的傳感器通過無線網絡發送參數信息到監控中心；(102 )所述監控中心內設的軟體對接收到的所述參數信息按照特定的計 算方法進行位移計算；(103)所述監控中心對所述位移進行顯示和管理。
7. 根據權利要求6所述運動位移無線檢測系統的運行方法，其特徵在於 所述步驟(101)中的所述活動目標包括一個和多個活動目標；所述傳感器 為三軸加速度傳感器；所述參數信息為所述活動目標的X軸、Y軸以及Z 軸的三軸加速度信息。
8. 根據權利要求7所述運動位移無線檢測系統的運行方法，其特徵在於 所述無線網絡為zigbee無線網絡；所述無線網絡中包括單個或者多個網 絡路由節點；所述傳感器通過單個或者多個所述路由節點將數據傳輸到 所述監控中心。
9. 根據權利要求8所述運動位移無線檢測系統的運行方法，其特徵在於 所述步驟(102)中所述特定的計算方法具體為將所述活動目標中一個周 期的加速度的測量值減去其平均值，令其邊界條件為零，對修正後的加 速度積分得到其速度，將所求速度減去其平均值，令邊界條件為零，對修 正後的速度積分即可得到所述活動目標的相對位移，然後將相對位移數 據信息存儲於所述監控中心的數據存儲裝置中。
10. 根據權利要求9所述運動位移無線檢測系統的運行方法，其特徵在 於多個所述活動目標能夠通過所述監控中心進行位移計算；所述監控 中心設有所述傳感器、路由節點的唯一標識碼。
全文摘要
本發明公開了一種運動位移無線檢測系統，包括電源模塊、運動位移檢測單元、路由節點以及監控中心；所述運動位移檢測單元同所述路由節點通過無線連接；所述路由節點與所述監控中心通過有線或無線連接；所述運動位移檢測單元包括傳感器模塊和單片機模塊；所述傳感器和所述單片機模塊通過串口連接。本發明的有益效果是該發明採用2.4G無線傳輸技術(Zigbee網絡)，通過採用加速度傳感器來獲取運動員的位移情況，將位移情況轉換為可識別的信息進行顯示，從而便於指導訓練；而該裝置通過採用多路由節點的形式，可以同時對多個運動員的運動情況進行檢測，通過批量分析運動員的位移情況，從而指導運動員訓練，提高了教練員工作效率。
文檔編號H04W88/00GK101419078SQ20081021778
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者楊宏麗, 柴繼紅 申請人:深圳職業技術學院