无线传感器网络下的体育运动训练系统设计与实现

2018-12-15梁园

电子设计工程 2018年23期

梁园

（宝鸡职业技术学院陕西宝鸡721000）

目前，我国体育事业在现代知识经济及社会信息化的推动中已经接受并且引入了信息技术，开始朝着体育信息化的道路发展[1]。实时运动数据网络检测目前已经被广泛应用到体育运动训练过程中，其属于体育信息化发展的核心内容，其能够利用先进的信息收集手段对运动数据进行及时的获得，并且从大量数据中实现对运动员科学决策有效的信息提取，从而制定体育训练科学管理决策[2]。无线传感器网络能够实现物质世界及数字世界的连接，其使用范围较为广泛，包括身体护理、环境监测、工业生产监控、设施农业、交通控制等[3]。目前，人们在生活过程中都可以看到无线传感器网络的使用。基于此，本文就实现基于无线传感器网络的体育运动训练系统设计。

1 无线传感网络

无线传感器网络指的是通过在检测区域中部署的微型传感器节点构成的自组织网络，并且其能够实现信息收集、数据处理和无线的接收与发送。图1为无线传感器网络的典型结构，使大量传感器能够到监测区域部署，对对象进行实时的检测和手机，之后通过相应的系统实现收集信息的处理，从而实现对远程目标实时的监控[4]。

图1 无线传感器网络的典型结构

无线传感器网络属于和使用具有密切联系的网络，对于不同使用需求，无线传感器网络节点硬件结构也各不相同，但是其核心组成部分都是相同的。在指定环境中，某个节点需求的能量、处理能力及通信距离都比较强，并且还具有GPS定位能力[5]。传感器节点硬件主要包括处理单元、数据收集单元、无线通信单元及电源模块。电源属于传感器节点是否能够工作的主要条件，通过电池进行供电。数据收集模块主要通过两个子模块构成，分别为A/D转换器及传感器。其中处理单元的主要目的就是对传感器节点运行进行控制，对收集数据及其他节点数据进行存储和处理。无线通信单元的主要目的就是和其他节点进行通信[6]。图2为无线传感器节点的硬件结构。

图2 无线传感器节点的硬件结构

无线传感器网络软件主要包括应用程序、操作系统、数据收集程序、底层驱动程序等，图3为无线传感器节点的软件结构，其中网络通信协议属于无线传感器网络软件结构中的主要部分，其对网络性能具有直接的影响。图4为无线传感器网络协议的体系结构，其主要包括数据链路层、物理层、应用层及网络层，网络管理模块主要包括拓扑、能量、移动及安全等管理[7]。

图3 无线传感器节点的软件结构

2 体育运动训练系统的设计

2.1 系统总体的设计

图4 无线传感器网络协议的体系结构

图5为体育运动训练系统的总体结构，其主要通过无线通信模式对运动员的运动参数及生理参数进行全面的检测，比如血压、心电、加速度和速度等参数。实现不同类型传感器节点的集成，其能够在运动员身体及路径中安装，对运动员的运动参数进行收集。之后将收集的参数利用射频模块到基站中发送，利用内部管理软件对数据进行收集及处理，之后利用LCD屏进行展示。基站收集运行数据能够到数据库系统中长期的保存，从而对相关人员分析体育运动训练提供基础，并且利用运动员数据资料的积累为基础，创建专家系统[8-9]。

图5 体育运动训练系统的总体结构

2.2 系统硬件的设计

2.2.1 传感器节点

传感器节点硬件结构主要包括传感器、处理器、电源及射频模块构成，图6为体育运动系统传感器节点的结构，节点的核心处理器为单片机，选择AT6254型号；传感器使用低功耗三轴电容加速度传感器，其具有温度补偿、单机低通滤波器及信号调理，其能够有效满足本文所设计系统的需求。其中的电源模块主要目的就是为系统节点提供精准稳定的能源，并且也是节点是否能够稳定工作的基础[10]。

图6 体育运动系统传感器节点的结构

2.2.2 基站的设计

基站属于无线传感器网络中尤为重要的模块，也是网络控制的核心内容，其能够实现操作管理、路由维护及网络唤醒的功能。图7为系统基站的硬件结构，通过图7可以看出来，基站主要包括射频、处理器、数据通信、存储、显示及键盘等模块，其体积较小，并且具有较强的处理能力，而且便于扩展[11]。

图7 系统基站的硬件结构

其中USB主机接口及复用接口的主要目的就是连接存储设备，从而促进基站容量的有效扩展，并且实现基站及数据管理的通信连接，图8为USB主机接口的电路设计。

图8 USB主机接口的电路设计

以太网属于现代局域网中常用通信协议，其能够实现以太网和基站相互连接。在设计过程中使用CS584以太网控制器，内部中的介质访问控制模块主要目的就是实现数据帧的接受及发送，对连接状态进行全面的检查[12]。

图9 键盘接口的电路设计

为了能够实现用户可视化的操作，基站中具有小键盘及触摸屏的交互接口设计，从而将现场收集运动参数进行充分的展现出来，用户能够利用此种交互方式设置基站。键盘使用4*4的方式和处理器相互连接，使用查询方式判断键盘的按键[13]。图9为键盘接口的电路设计。

2.3 系统软件的设计

2.3.1 节点和基站的软件设计

本文所设计的节点和基站都是使用OS-II操作系统实现，以两者功能需求及硬件结构为基础，实现硬件驱动及应用软件的开发。此操作系统属于多任务、完整性及多进程嵌入式操作系统，其性能较为稳定，并且具有源代码开放性的优势。图10为系统基站软件的工作流程，图11为系统节点软件的工作流程。

在启动基站程序之后，利用Network函数实现网络的创建，然后就会使节点融入到网络中。如果有节点没有融入到网络中，那么基站就会实现广播报文的发送，直到超出四件或者全部节点都融入到网络中，之后实现协议栈运行，对节点实现数据收集命令的发送，利用中断程序处理节点接收事件及数据。在初始化节点之后，实现函数调用，然后进行加入网络申请。最后，等待基站命令，对相应数据进行收集，实现数据的传送及判断[14]。

图10 系统基站软件的工作流程

图11 系统节点软件的工作流程

2.3.2 数据库管理系统的设计

数据库系统主要包括USB及以外网接口，利用数据库管理系统的运行，能够实现运动数据的分析及处理。使用BorlandC++实现数据库管理系统的开发，其主要功能就是接收数据并且对其进行存储及分析。数据库管理系统主要包括数据接收模块、存储模块、分析模块及参数设置模块。图12为数据库管理系统的结构，图13为数据库管理系统的主界面。