CN101419078A - 运动位移无线检测系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动位移无线检测系统，包括电源模块、运动位移检测单元、路由节点以及监控中心；所述运动位移检测单元同所述路由节点通过无线连接；所述路由节点与所述监控中心通过有线或无线连接；所述运动位移检测单元包括传感器模块和单片机模块；所述传感器和所述单片机模块通过串口连接。本发明的有益效果是：该发明采用2.4G无线传输技术(Zigbee网络)，通过采用加速度传感器来获取运动员的位移情况，将位移情况转换为可识别的信息进行显示，从而便于指导训练；而该装置通过采用多路由节点的形式，可以同时对多个运动员的运动情况进行检测，通过批量分析运动员的位移情况，从而指导运动员训练，提高了教练员工作效率。

Description

运动位移无线检测系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及运动医学工程领域中的运动员体能训练运动位移的无线检测系统，特别是涉及一种基于Zigbee无线局域网络的运动位移无线检测系统。

背景技术

当今，对运动员的体能训练时，需要对其运动进行评估以获取信息参数以促进对运动训练方案的调整，使得运动员获得更好的训练效果，取得优异成绩；对运动的评估方法有很多，其中运动位移是一个重要指标，由此亦可根据相关算法得到消耗能量的指标，目前同类产品主要是智能体育器材，如加速度计，在设备上直接显示加速度值，但是不能将需要的参数指标实时传至运动教练室指导训练。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种运动位移无线检测系统，通过采用无线传输技术，采集运动的位移量，从而能够直观的分析和显示运动员的运动情况，便于及时调整运动员的训练方式和训练方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种运动位移无线检测系统，包括电源模块，运动位移检测单元、路由节点以及监控中心；所述运动位移检测单元同所述路由节点通过无线连接；所述路由节点与所述监控中心通过有线或无线连接；所述运动位移检测单元包括传感器模块和单片机模块；所述传感器和所述单片机模块通过串口连接；所述单片机模块包括Zigbee无线射频模块和RF无线射频阻抗匹配模块；所述传感器模块为三轴加速度传感器。

本发明进一步的改进是：所述监控中心包括所述单片机模块、数据显示装置以及串口转换模块；所述数据显示装置通过所述串口转换模块与所述单片机模块连接。

本发明进一步的改进是：所述监控中心与所述运动位移检测单元进行数据的传输，所述数据显示装置通过其设有的运动位移管理软件显示接收的数据信息。

本发明进一步的改进是：所述电源模块为电池电源和/或USB接口电源；所述电源模块通过拨码开关设置。

本发明进一步的改进是：所述运动位移检测单元至少包括一个所述运动位移检测单元。

本发明提供了一种运动位移无线检测系统的运行方法，包括如下步骤：(101)设于活动目标上的传感器通过无线网络发送参数信息到监控中心；

(102)所述监控中心内设的软件对接收到的所述参数信息按照特定的计算方法进行位移计算；

(103)所述监控中心对所述位移进行显示和管理。

本发明进一步的改进是：所述步骤(101)中的所述活动目标包括一个和多个活动目标；所述传感器为三轴加速度传感器；所述参数信息为所述活动目标的X轴、Y轴以及Z轴的三轴加速度信息。

本发明进一步的改进是：所述无线网络为zigbee无线网络；所述无线网络中包括单个或者多个网络路由节点；所述传感器通过单个或者多个所述路由节点将数据传输到所述监控中心。

本发明进一步的改进是：所述步骤(102)中所述特定的计算方法具体为：将所述活动目标中一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令其边界条件为零，对修正后的加速度积分得到其速度，将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即可得到所述活动目标的相对位移，然后将相对位移数据信息存储于监控中心的数据存储装置中。

本发明进一步的改进是：多个所述活动目标能够通过所述监控中心进行位移计算；所述监控中心设有所述传感器、路由节点的唯一标识码。

本发明的有益效果是：该发明采用2.4G无线传输技术，因为该网络频段干扰信号比较少，因此可以用来实现短距离的高速无线数据传输；通过采用加速度传感器来获取运动员的位移情况，将位移情况转换为可识别的信息进行显示，从而便于指导训练；而该装置通过采用多路由节点的形式，可以同时对多个运动员的运动情况进行检测，通过批量分析运动员的位移情况，从而指导运动员训练，提高了教练员工作效率；本发明同时提供了该系统的运行方法，提供多点多运动目标的检测，为进一步分析和指导运动员的训练提供了有力的支撑，从而满足了多点检测，多点位移，活动目标检测的目的。

附图说明

图1是本发明运动位移无线检测系统的示意框图；

图2是本发明运动位移无线检测系统的传感器模块电原理图；

图3是本发明运动位移无线检测系统的单片机电原理图；

图4是本发明运动位移无线检测系统的转换模块原理图；

图5是本发明运动位移无线检测系统的电源模块控制单元原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种运动位移无线检测系统，包括电源模块14，其特征在于：所述运动位移无线装置还包括运动位移检测单元1、路由节点2以及监控中心3；所述运动位移检测单元1同所述路由节点2通过无线连接；所述路由节点2与所述监控中心3通过有线或无线连接；所述运动位移检测单元1包括传感器模块11和单片机模块；所述传感器11和所述单片机模块通过串口连接。

所述单片机模块包括Zigbee无线射频模块12和RF无线射频阻抗匹配模块13。参见图3，一种实施例中，所述单片机采用韩国RadioPulse公司芯片MG2455，实现无线短距离通信的解决方案，其完全兼容IEEE802.15.4标准和ZigBee标准，工作频段为2.4GHz。在空旷场合，通信距离可以达到200m。其功耗很低，在睡眠模式下，电流消耗低于1uA。在接收状态下，电流消耗为33.2mA。在发送状态下，0dBm时的电流消耗为30.6mA，8dBm时的电流消耗为43mA。

MG2455单片机集成了Zigbee无线通信模块，是一款符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，内部资源丰富，包括96KB的内部Flash，8KB的内部SRAM，另外内部还有SPI、A/D等资源，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。它可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯。因此，符合运动位移无线检测系统在训练场馆的远距离检测应用需求。

所述传感器模块11为三轴加速度传感器。如图2，一款低功耗三轴加速度传感器，电源电压2.35v—3.6v，数字I/0电压1.7v—3.6v，非常低能耗(2.5v，480uA典型)，量程±2g，采用高速SPI数字串口通信接口与所述单片机连接，运动和自由落体可触发中断信号，便于对于运动和坠落的探测。芯片采用先进的硅电容3D-MEMS技术，抗冲击能力强。接口电路如下，采用SPI三总线接口，连接方法简单可靠，MOSI连接单片机P0.1，MISO连接单片机P0.2，SCK连接单片机P0.3，CSB片选信号线连接单片机P0.4，XRESET复位引脚连接单片机P0.5。采用I/0口模拟SPI时序完成加速度数字信号的采集。

所述监控中心3包括所述单片机模块、数据显示装置32以及串口转换模块31；所述数据显示装置32通过所述串口转换模块31与所述单片机模块连接。所述监控中心3与所述运动位移检测单元1进行数据的传输，所述数据显示装置32通过其设有的运动位移管理软件显示接收的数据信息。运动员终端节点检测的运动位移参数需要经过传输模块发送至远端的监控中心11，其间必须经过Zigbee网络的路由节点2和传输以到达监控中心的中心节点进行运动位移数据的串口传输至显示装置(如电脑)进行显示。而转换模块31，则通过采用串口转usb的方式，将串口转换成为usb接口，从而实现与显示装置32的连接。在该转换模块的选择上，可以采用cp2102，其是高集成度USB-UART桥接电路。参见图4，它们能够用最简单的外部电路、最少的外部器件及最小的电路板面积简便实现USB2.0到UART的转换。其中CP2102的引脚USB0-RXD-I连接单片机的串口引脚P1.1TXD，而CP2102的引脚USB0-TXD-0连接单片机的串口引脚P1.ORXD，监控中心还设有专门的数据存储装置，用于存放接收到的数据和计算出的位移信息。

所述单片机模块还包括用于指示工作状态的LED指示模块15，用于显示其工作状态。

所述电源模块14设有电源模块控制单元；所述电源模块控制单元与所述电源模块14连接；所述电源模块控制单元设定所述电源模块14的供电方式；所述电源模块14的供电方式为电池电源和/或USB接口电源；所述电源模块14的供电方式通过所述电源模块控制单元的拨码开关设置。参见图5，电源模块选用RT9163降压稳压芯片实现3.3V的系统电源VCC-3V。而系统可选用两种电源，在运动员节点采用5V电池输入VCC-5V，在路由节点或监控中心节点采用上述USB接口的电源VUSB0-V作为系统电源，通过SW1拨码开关选择设置。

所述运动位移检测单元1至少包括一个所述运动位移检测单元1；在运动员训练中，多个运动员同时进行训练时，通过每个运动员携带的所述运动位移检测单元1，可以分别对他们的位移情况进行检测，通过相同或者不同的路由节点将数据信息传输到监控中心11，从而对训练进行监控和指导，教练员能够通过运动员的位移情况，及时调整训练方式或方法，提高其工作效率。

具体实施过程中，在zigbee网络通畅的情况下，运动员的训练情况被三轴加速度传感器采集，其采集信息通过单机片上的无线射频模块在zigbee网络中进行传输，监控中心的无线射频模块则会接收到该传输信息，通过串口转换，将信息传输到电脑上面，电脑通过其控制软件，对数据进行转换、分析、管理，从而实现对运动员的运动位移情况进行监控和指导，而RF无线射频阻抗匹配模块则提供强大的抗干扰能力，保证传输数据的准确以及保证各个运动位移检测单元正常工作。

本发明同时提供了该系统的运行方法，包括如下步骤：(101)设于活动目标上的传感器通过无线网络发送参数信息到监控中心；

(102)所述监控中心内设的软件对接收到的所述参数信息按照特定的计算方法进行位移计算；

(103)所述监控中心对所述位移进行显示和管理。

所述步骤(101)中的所述活动目标包括一个和多个活动目标；所述传感器为三轴加速度传感器；所述参数信息为所述活动目标的X轴、Y轴以及Z轴的三轴加速度信息。所述步骤(102)中所述特定的计算方法具体为：将所述活动目标中一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令其边界条件为零，对修正后的加速度积分得到其速度，将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即可得到所述活动目标的相对位移。由于加速度的二重积分就是位移，因此利用所述加速度传感器11可以测量活动目标的运动位移，只需将加速度参数传送至监控中心，由该监控中心完成运动位移的计算、显示和管理；三轴传感器测出物体X、Y、Z三轴的加速度，分别考虑物体的方向变化，加速度对时间做一次积分，将得到V(t)函数关系，再对时间进行积分，就可以得到X(t)函数；用加速度传感器测量位移的算法可简要表述为：将一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的加速度积分得到速度，将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即得到相对位移，然后将相对位移数据信息存储于监控中心的数据存储装置中。

所述无线网络为zigbee无线网络；所述无线网络中包括单个或者多个网络路由节点；所述传感器通过单个或者多个所述路由节点将数据传输到所述监控中心；多个所述活动目标能够通过所述监控中心进行位移计算；所述监控中心设有所述传感器、路由节点的唯一标识码。在多个活动目标的监控和数据采集过程中，由于活动目标上的传感器以及无线射频模块上设有防干扰模块，可以避免传输时因被干扰而出现传输数据出错，同时也能将不同的传输数据信息准确无误的传到监控中心，保证监控中心能够识别不同的活动目标的数据信息；能够区分不同的体育运动场地以及不同的训练项目，能够给教练员提供更多的参考信息，同时进行横向或者纵向信息的比较，便于教练员对工作的指导。

该运行方法能够实现多个活动目标通过一个或者多个路由节点将数据信息传输到监控中心，监控中心设有专门的数据存储装置，用于存放接收到的数据和计算出的位移信息，通过监控中心对数据进行计算和分析整理，提供一个比较直观的运动位移情况。例如教练员利用无线监测局域网络，能够在办公室监控训练场馆中运动员(如举重运动员)的运动位移等指标状况，随时可以获得信息并调整下阶段的指导训练。传感器以及无线射频模块可直接携带于运动员身体，采集数据及时准确，数据传输通过zigbee无线网络，功耗低，误码率低，便于计算机仿真处理显示，结果直观，可更方便教练员使用；因其利用Zigbee无线局域网的先进路由技术，能够对于移动中的运动员进行联网检测举重运动位移参数指标，因此适应目前举重运动训练指导的需求，将更广泛地应用于全国各省、市体育运动员的训练指导中，应用前景广阔。

不仅仅在体育运动员的项目上，针对与活动目标的监控和检测，都可以通过该系统来实现，从而实现对活动目标能量消耗、位移的检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种运动位移无线检测系统，包括电源模块(14)，其特征在于：所述运动位移无线系统还包括运动位移检测单元(1)、路由节点(2)以及监控中心(3)；所述运动位移检测单元(1)同所述路由节点(2)通过无线连接；所述路由节点(2)与所述监控中心(3)通过有线或无线连接；所述传感器模块(11)为三轴加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的运动位移无线检测系统，其特征在于：所述运动位移检测单元(1)包括传感器模块(11)和单片机模块；所述传感器(11)和所述单片机模块通过串口连接；所述单片机模块包括Zigbee无线射频模块(12)和RF无线射频阻抗匹配模块(13)。

3.根据权利要求2所述的运动位移无线检测系统，其特征在于：所述监控中心(3)包括所述单片机模块、数据显示装置(32)以及串口转换模块(31)；所述数据显示装置(32)通过所述串口转换模块(31)与所述单片机模块连接；所述监控中心(3)与所述运动位移检测单元(1)进行数据的传输，所述数据显示装置(32)通过其设有的运动位移管理软件显示接收的数据信息。

4.根据权利要求3所述的运1动位移无线检测系统，其特征在于：所述电源模块设有电源模块控制单元；所述电源模块控制单元与所述电源模块连接；所述电源模块控制单元设定所述电源模块的供电方式；所述电源模块(14)的供电方式为电池电源和/或USB接口电源；所述电源模块(14)的供电方式通过所述电源模块控制单元的拨码开关设置。

5.根据权利要求4所述的运动位移无线检测系统，其特征在于：所述运动位移检测单元(1)至少包括一个所述运动位移检测单元(1)。

6.一种运动位移无线检测系统的运行方法，其特征在于：包括如下步骤：

(101)设于活动目标上的传感器通过无线网络发送参数信息到监控中心；

(102)所述监控中心内设的软件对接收到的所述参数信息按照特定的计算方法进行位移计算；

(103)所述监控中心对所述位移进行显示和管理。

7.根据权利要求6所述运动位移无线检测系统的运行方法，其特征在于：

所述步骤(101)中的所述活动目标包括一个和多个活动目标；所述传感器为三轴加速度传感器；所述参数信息为所述活动目标的X轴、Y轴以及Z轴的三轴加速度信息。

8.根据权利要求7所述运动位移无线检测系统的运行方法，其特征在于：所述无线网络为zigbee无线网络；所述无线网络中包括单个或者多个网络路由节点；所述传感器通过单个或者多个所述路由节点将数据传输到所述监控中心。

9.根据权利要求8所述运动位移无线检测系统的运行方法，其特征在于：所述步骤(102)中所述特定的计算方法具体为：将所述活动目标中一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令其边界条件为零，对修正后的加速度积分得到其速度，将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即可得到所述活动目标的相对位移，然后将相对位移数据信息存储于所述监控中心的数据存储装置中。

10.根据权利要求9所述运动位移无线检测系统的运行方法，其特征在于：多个所述活动目标能够通过所述监控中心进行位移计算；所述监控中心设有所述传感器、路由节点的唯一标识码。

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