基于射频识别的运动能耗信息采集系统的研究＊

吴彦文，舒武静，王贵才

（华中师范大学物理科学与技术学院，湖北 武汉430079）

1 引言

为保证运动员的训练效果，需要控制其运动强度与能耗。过低的运动强度与能耗，不利于运动员成绩的提高；而过度的运动强度与能耗，将可能影响运动员的身体，如姜传银指出，大强度训练将导致运动员短时间内免疫力下降［1］。可见，对运动员日常训练状态进行监控、定量了解运动员的运动强度［1］是十分必要的。

目前，运动员运动强度的定量测量方法是使用能耗监测仪，如国家体育科学研究所和北京中新惠尔健康科技有限公司研发的康动牌FitPod系列运动能量检测仪、飞利浦开发的袖珍塑料装置Directlife等。该类设备使用时佩戴在运动员身上，读取数据时通过数据线将设备与电脑连接。可见，该类设备由于需要有线传输方式，无法达到实时监测运动员运动强度的目标。

随着短距离无线通信技术的发展，蓝牙、Zigbee、RFID等技术逐渐渗透到人们的生活中，这些技术使得运动强度的实时化、无线化采集成为了可能。例如，史兵等［2］设计了一种基于无线传感网络的智能监控系统并应用于规模化水产养殖场，该系统实现了温度、PH值等参数的无线化采集，但采集的数据量少且实时性不高。而对于冷链控制中追溯食品来源及质量、产品温度记录、仓储与运输管理等数据量大的特点，而且在关键环节数据读取实时性高的要求下，汪庭满等［3］则采用了无线射频识别技术（RFID）来实现物流温度监控。借鉴以上类似的研究成果，我们认为无线实时运动能耗采集是可行的。为此，针对运动能耗采集实时性强、数据量大的特点，本文利用RFID技术设计了一款运动能耗信息采集系统。该系统可以唯一识别运动员并实时传输其运动量数据。运动能耗采集设备根据能耗测量理论进行人体能耗的估算，再将估算的结果传送至上位机进行分析、可视化显示等。

2 工作原理

射频识别技术是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。射频识别系统主要由三个部分组成，分别是阅读器、电子标签和计算机系统［4］，其基本原理如图1所示。

Figure 1 RFID system图1 射频识别系统

本能耗测量系统采用射频识别技术传输运动员的运动能耗信息。其运动能耗采集设备包括运动能耗检测模块、射频模拟前端单元、基带控制器单元、存储单元、时钟单元和电源单元等部分。上位机部分包括阅读器和计算机，实现能耗数据的可视化分析。其系统的总体框图如图2所示。其中，运动能耗检测模块用于测量人体运动的三个维度的加速度，射频模拟前端单元完成对传输信号的调制解调，基带控制器单元负责完成通信协议的处理、抗冲突、安全认证、CRC码校验和收发控制等工作，时钟电路为基带控制器提供稳定的时钟，电源单元对各模块提供所需工作电源。

Figure 2 Overall framework of energy expenditure measurement system图2 运动能耗测量系统总体框图

3 主要硬件模块设计

3.1 运动能耗检测模块设计

如今能量的消耗成为评估人体运动量的一种客观评价标准。早在1960年Brouha就首先提出了人体运动加速度绝对值对时间的积分与人体运动所消耗的能量之间有较好的线性关系［5］。Meijer和Westerterp等人进行试验研究证实了加速度计输出与运动能耗之间的关系如式（1）［6］所示。本研究采用三维加速度传感器测量人体运动时各维度的加速度，并通过能耗估算公式估算人体能量消耗，如式（2）所示［7］，即人体能量消耗与加速度绝对值对时间积分呈线性关系。

运动能耗检测通过三维加速度传感器检测人体运动时三个维度的加速度，通过加速度对时间的积分估算运动能量消耗。本系统采用加速度传感器ADXL345，启动时，器件进行调整，将X、Y、Z方向的偏移量存入偏移寄存器中，采样点存入DATAX、DATAY和DATAZ寄存器。置时钟线为高位，通知控制器开始接收数据。外围电路中，采用精密稳压源改变电压基准值来减小X、Y、Z轴方向的0g偏移量。其外围电路如图3所示。

3.2 射频模拟前端设计

射频模拟前端的设计主要包括上电复位电路、时钟电路、调制反射电路、解调器电路等。EPC Class1Generation 2规定下行链路采用 DSBASK、SSB－ASK 或PR－ASK 调制，而上行链路采用ASK调制或PSK调制［8］。

Figure 3 Circuit of the tri－axial acceleration sensor图3 三维加速度传感器外围电路

调制反射电路将返回的基带信号通过调制电路，并通过改变芯片自身阻抗来改变天线的反射系数，从而实现ASK调制完成上行链路数据的传输。调制电路以MC74HC4066D键控开关为核心，原理图如图4所示。

Figure 4 Modulation circuit module图4 调制电路模块

解调器的作用是将基带信号的包络从载频上提取出来，并恢复出原始的数字信号。解调电路的设计要考虑包络检波的灵敏度、比较器的迟滞性和灵敏度，其中包络检波的灵敏度即对接收的射频信号进行包络检波的最小功率范围。解调器由包络检波电路、低通滤波器、电压跟随电路和比较电路组成，其电路原理图如图5所示。

时钟电路应包括时钟校准时能模块、计数器、逐次逼近计数器、振荡器和频率选择模块。

3.3 基带控制器设计

基带控制器的设计主要包括对FMO编码、PIE解码、CRC编码、CRC校验及控制器的设计，其中控制器采用MSP430p149单片机进行控制。PIE解码是将脉冲间隔编码的数据解码成可识别的二进制数据。PIE解码电路原理图如图6所示［9］。

FMO编码，即双向间隔码编码，其原理是一个位窗内采用电平变化来表示逻辑，如果电平从位窗的起始处翻转表示逻辑1，如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗的中间翻转则表示为逻辑0。FMO编码电路由两个DFF及少量门电路组成，电路输入1MHz的时钟2CP，经DFF二分频后得到CP，CP频率为512KHz。FMO编码电路原理如图7所示。

Figure 7 FMO coding circuit module图7 FMO编码电路模块

4 主要软件设计

本研究中的控制器采用的是TI公司的MSP430系列单片机，其软件部分在MSP430 MCU的IAR集成环境下采用C语言来及模块化编程思想实现［10］。

4.1 数据采集及处理

ADXL345内部采用SPI通信方式，通过设置DATA＿FORMAT中的D7和D6位选择FIFO模式，并完成DATAX、DATAY、DATAZ寄存器及存储在FIFO中的数据的读取工作。通过中断方式完成外部数据的采集，其中断子程序流程及相应程序如图8所示。

Figure 8 Interrupt subroutine flow chart图8 中断子程序流程图

其读出ADXL345中地址范围为0x32～0x37存储的加速度数字数据，关键代码如下：

for（i＝0；i＜6；i＋＋）

｛

BUF［i］＝readIbyte（）；／＊BUF［0］存储0x32地址中的数据＊／

if（i＝＝5）

nack（）；

else

ack（）；

｝

stop（）； ／／停止信号

delayus（100）；

数据处理流程主要是对采集的数据做有效处理，如图9所示，它通过多次测量来更新采样数据。如果加速度变化大于预定义精度，则将最新的采样结果RESULT移入NEW 中存储，否则NEW保持不变。

数据处理步骤的关键代码如下：

int COUNTER；

double NEWFIXED，RESULT，NEW，OLD；

for（COUNTER＝0；COUNTER＜50；COUNTER ＋＋）

RESULT＋＝BUF［0］；

RESULT＝RESULT／COUNTER；

if（｜RESULT－NEWFIXED｜＞3.9）

｛NEW→OLD；

RESULT→NEW；

｝

Figure 9 Data processing flow chart图9 数据处理流程图

else

｛

NEW→OLD；

NEW→NEW；

｝

运动能耗采集设备将采集到的数据根据能耗公式得出能量消耗，其关键代码如下：

float F（float a1，float a2，float u）

｛

EE0＋＝umg＊（a2－a1）／4；

for（；SCL＝1；）

｛

a1＝OLD；

a2＝NEW；

EEx＝F（a1，a2，u）／4.18；

｝

return EE0；

｝

EE＝F（ax1，ax2，u1）＋F（ay1，ay2，u2）＋F（az1，az2，1）；

4.2 上位机显示

运动能耗采集设备利用采集到的数据进行能耗计算，并将运动中所消耗的能量传至上位机可视化显示，其上位机显示如图10所示。

本页面主要显示有运动能耗情况、运动强度情况和历史数据的查询。通过运动能耗页面可以了解运动员在该次运动中所累计消耗能量的情况；在运动强度页面不仅可以查看运动员在本次运动中的运动强度为低强度、中强度还是高强度，还可以查看本次运动后结合教练的指导给出的建议；在历史数据查询页面可以查询以往运动所消耗的能量情况以及给出的历史建议等。

Figure 10 Visual display of energy consumption图10 能耗可视化显示

5 结束语

本研究基于超高频射频识别技术标准ISO18000C设计了一款运动能耗信息采集系统，文中详细阐述了运动能耗检测、射频模拟前端、基带控制器等模块的设计与实现。ADXL345作为信息采集的核心部件，通过设定速率代码可以选择相应的输出速率，以及选择分辨率来满足系统设计要求。本研究后续将对无线充电进行深入研究，以期能够长时间不间断地检测人体的运动消耗。

众多相关调查研究显示，缺乏锻炼极易导致能量代谢失衡，而能量代谢失衡是导致慢性代谢疾病的一个重要原因。因此，本系统稍加改进还可以用于测量人们日常生活中的能量消耗，督促人们经常锻炼来保持身体健康。

［1］ Hartmann U，Mester J.Characteristics of training and over training［J］.Sport Science Research，2006，27（1）：44－49.（in Chinese）

［2］ Shi Bing，Zhao De－an，Liu Xing－qiao，et al.Intelligent monitoring system for industrialized aquaculture based on wireless sensor network［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27（9）：136－140.（in Chinese）

［3］ Wang Ting－man，Zhang Xiao－shuan，Chen Wei，et al.RFID－based temperature monitoring system of frozen and chilled tilapia in cold chain logistics［J］.Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27（9）：141－146.（in Chinese）

［4］ Ci Xin－xin，Wang Su－bin，Wang Shuo.The technology and application of wireless radio frequency identification system［M］.Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2007.（in Chinese）

［5］ Brouha L.Evaluation of requirements of jobs［M］.UK：Pergamon，1960.［6］ Meiger G A，Westerterp K R，Korper H，et al.Assessment of energy expenditure by recording heart rate and body acceleration［J］.Medicine and Science in Sports and Exercise，1986，21：343－347.

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［9］ Ma Chang－ming.Wu Xing－jun，Hao Xian－ren.The decoder suitable for PIE code：CN：20082－0123714［P］.2008－11－12.（in Chinese）

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附中文参考文献：

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［3］ 汪庭满，张小栓，陈炜，等.基于无线射频识别技术的罗非鱼冷链物流温度监控系统［J］.农业工程学报，2011，27（9）：141－146.

［4］ 慈新新，王苏滨，王硕.无线射频识别（RFID）系统技术与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

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［10］ 谢兴红，林凡强.MSP430单片机基础与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.