CN104248837A

CN104248837A - 一种基于压力传感的运动员运动分析系统

Info

Publication number: CN104248837A
Application number: CN201410472787.1A
Authority: CN
Inventors: 张源; 钟晓辉; 陈宇清; 李磊
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2014-12-31

Abstract

本发明公开了一种基于压力传感的运动员运动分析系统，包括带无线充电发射线圈电路的适配器、智能设备终端以及集成在运动鞋上的薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块、可充电锂电池、无线充电接收线圈电路；所述薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块依次连接，并均由可充电锂电池供电；所述可充电锂电池连接无线充电接收线圈电路，通过适配器上的无线充电发射线圈电路与无线充电接收线圈电路的强磁耦合实现无线充电；所述单片机集成有AD转换器，并控制蓝牙模块发送数据至智能设备终端进行数据分析处理。本发明在不影响运动性能的条件下采集人体脚底受力状况，能方便对球员在场上场外的比赛和训练数据的采集和分析。

Description

一种基于压力传感的运动员运动分析系统

技术领域

本发明涉及信息采集分析的技术领域，尤其是指一种基于压力传感的运动员运动分析系统。

背景技术

随着巴西世界杯的顺利举办，足球运动向全世界展示着其独特的魅力。提到足球，大家脑海里出现的除了巨大的体育馆，便是亿万富翁球队老板和百万富翁明星球员。如果俱乐部想分析一下球员在90多分钟比赛里的运动情况，还要在统计系统上花一大笔钱。在训练和比赛中运动员的运动数据如此重要，对这些数据进行分析更直接关系到球员的运动习惯和技术特性的有效改善等，还可以更好的避免受伤或者不正当的训练方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数据精准、便携、分析可靠的基于压力传感的运动员运动分析系统，在不影响运动性能的条件下能有效采集人体脚底受力状况，能大大方便对球员在场上场外的比赛和训练数据的采集和分析，有利于推动足球事业的进一步发展。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于压力传感的运动员运动分析系统，包括有带无线充电发射线圈电路的适配器、用于数据分析处理的智能设备终端以及集成在运动鞋上的薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块、可充电锂电池、无线充电接收线圈电路；其中，所述薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块依次连接，并均由可充电锂电池供电；所述可充电锂电池连接无线充电接收线圈电路，通过所述适配器上的无线充电发射线圈电路与无线充电接收线圈电路的强磁耦合实现无线充电，所述适配器连接220V市电；所述薄膜压力传感器有多片装在鞋垫上的不同位置，负责采集使用者脚底各个点的受力信息，根据使用者行走时脚底所受压力而产生实时的不同电压，并将此电压传入所述电压跟随电路进行稳压、滤除环境噪声处理；所述单片机集成有AD转换器，用于对所述电压跟随电路处理后的电压进行AD转换，并控制所述蓝牙模块发送数据至智能设备终端进行数据分析处理。

所述智能设备终端为Android手机，包括有：

压力数据动态实时显示功能模块，用于显示实时脚底压力数据，并在手机终端上以色阶图的形式显示；

动作分类模块，利用分类算法根据压力数据判断出此时运动员的动作，并显示在界面上；其中，所述分类算法如下：

设自相关所求得步态周期为T，分类的阈值为Tth，短期压力峰值为A，分类的阈值为Ath，首先判断通过自相关计算的步伐周期T是否大于阈值Tth，若大于说明步伐较缓，认为在走路；否则可以视为在跑或跳此类较为剧烈的运动，此时判断足底压力峰值大小A是否大于阈值Ath，若大于说明压力较大，认为在跳；否则认为在跑；

压力中心计算及损伤预警模块，通过压力中心计算算法计算运动员的压力中心，根据压力中心数据以及损伤预警算法提醒运动员可能的损伤；其中，所述压力中心计算算法如下：

设每个薄膜压力传感器的压力值为P_i，平面坐标为(x_i,y_i)，则压力中心坐标(x,y)为

x = \frac{Σ_{i = 1}^{N} x_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}}, y = \frac{Σ_{i = 1}^{N} y_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}};

所述损伤预警算法为：首先通过测量得到正常步行状态下压力中心所在的区间范围，当压力中心坐标离开这个区间时，即认为可能受伤，发出预警信号；

运动参数计算模块，计算包括体重、计步、体能消耗、跑动距离数据，其中，体重计算首先是对各个点的压强做长期均值，然后对压强求和即为重力，除以重力加速度即可估算体重，而计步则是每次压强达到极大值，视作走了一步，计步加一；

分类运动时间和距离统计模块，用于统计不同运动状态的距离和时间，并显示在界面上，其中，运动状态分有站立、走动、跑动、跳跃；

蓝牙管理模块，用于管理蓝牙连接状态，负责蓝牙设备的配对、连接、数据传送；

休眠控制模块，用于检测系统是否空载，若系统空载预设时间，则所述单片机进入休眠模式；

社交网络分享及云平台数据同步模块，用于对接多种社交平台，可以上传压力数据到云平台dropbox上。

所述电压跟随电路包括集成有多个运放的LM324芯片以及多个分压贴片电阻，其中，一片薄膜压力传感器对应一个运放以及一个分压贴片电阻，所述薄膜压力传感器的一只管脚连接LM324芯片的VCC脚，其另一只管脚连接相应的分压贴片电阻；所述分压贴片电阻的一只管脚接地，并将其上的电压接入到相应运放的同相输入端，所述运放的反相输入端与其输出端相连，所述运放的输出端与单片机集成有AD转换器的相应管脚连接，由所述单片机对电压进行AD转换。

所述单片机为MSP430G2553单片机，其P1.0～P1.7管脚都集成有AD转换器，其中，P1.1和P1.2是串口复用的接口，P1.1为RXD接口，P1.2为TXD接口；所述蓝牙模块设置有VCC、GND、TXD、RXD四个接口，其TXD和RXD接口分别与所述MSP430G2553单片机的P1.1和P1.2连接，其GND接口与所述MSP430G2553单片机的GND相连。

所述单片机采用可休眠的模式，客户端可以直接发送休眠指令使单片机进入深度休眠状态，在休眠模式下电流只有270uA。

所述无线充电接收线圈电路包括有接收线圈、谐振回路、整流稳压电路以及用于显示充电状态的LED，其中，所述接收线圈、谐振回路、整流稳压电路、LED依次连接，所述整流稳压电路的正端与可充电锂电池的正极连接，其负端与可充电锂电池的负极连接。

所述无线充电发射线圈电路包括有依次连接的功率放大电路、谐振回路、发射线圈，所述功率放大电路连接适配器，所述适配器将220V市电适配至12V直流电。

所述电压跟随电路、蓝牙模块和单片机最小系统一同集成并放置于鞋舌内侧。

所述接收线圈固定于运动鞋的外侧后套的位置。

所述可充电锂电池为3.6V的Lir2302锂电池。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、在不影响运动性能的条件下，通过采用薄膜压力传感器大大减小了鞋子重量，并能精确测量人体脚底受力状况；

2、可以利用手机app对数据实时处理并显示结果，让用户在随身佩戴的过程中就能了解到自己的运动状态，也可以使状态监测者如教练等更好地了解被监测者的实时运动状态，从而合理地调整；

3、采用无线充电模式，可以方便地为智能运动鞋提供充足的电量，同时除去了本有的充电接口，减轻了鞋子体积，增强了舒适度和便捷性。

附图说明

图1为本发明所述运动员运动分析系统的结构框图。

图2为本发明所述薄膜压力传感器的分压示意图。

图3为本发明所述单片机的芯片示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的基于压力传感的运动员运动分析系统，包括有带无线充电发射线圈电路的适配器、用于数据分析处理的智能设备终端以及集成在运动鞋上的薄膜压力传感器、电压跟随电路、MSP430G2553单片机、超低功耗的蓝牙模块、可充电锂电池(具体为3.6V的Lir2302锂电池)、无线充电接收线圈电路；其中，所述薄膜压力传感器、电压跟随电路、MSP430G2553单片机、蓝牙模块依次连接，并均由可充电锂电池供电；所述可充电锂电池连接无线充电接收线圈电路，通过所述适配器上的无线充电发射线圈电路与无线充电接收线圈电路的强磁耦合实现无线充电，所述适配器连接220V市电；所述薄膜压力传感器有三片分别安装在鞋垫上的足跟、第一跖骨头和第五跖骨头这三处不同位置，负责采集使用者脚底各个点的受力信息(当使用者穿上配有该鞋垫的鞋子，踩在薄膜压力传感器上的时候，相应地会引起薄膜压力传感器阻值的变化)，根据使用者行走时脚底所受压力而产生实时的不同电压，并将此电压传入所述电压跟随电路进行稳压、滤除环境噪声处理，从而得到较为精准的实时的受力变化，提高系统的稳定性；所述MSP430G2553单片机集成有AD转换器，用于对所述电压跟随电路处理后的电压进行AD转换，并控制所述蓝牙模块发送数据至智能设备终端进行数据分析处理；所述电压跟随电路、蓝牙模块和单片机最小系统一同集成并放置于鞋舌内侧。

所述智能设备终端为Android手机，包括有：

x = \frac{Σ_{i = 1}^{N} x_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}}, y = \frac{Σ_{i = 1}^{N} y_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}};

在Android手机收到数据后，经过一系列数据处理，可以完成球员脚底爆发力检测，若超过一个阈值可能会导致球员受伤，此时可以发出受伤警告；可以完成球员计步功能，进而计算球员卡路里消耗情况；可以估算球员的体能情况等等。得到球员卡路里消耗情况、受伤风险提示、压力中心、计步、运动状态识别、运动距离估算、报警、作曲线图、脚掌受力强度图等关键指标。这样球员可以非常方便地了解到自己当前的各种信息，教练也可以很方便地了解到场上球员的实时情况，从而合理地调整，在球场上做出更好的战术和人员轮换。

所述电压跟随电路包括集成有四个运放的LM324芯片以及三个2K欧姆的分压贴片电阻RM，其中，一片薄膜压力传感器对应一个运放以及一个分压贴片电阻，如图2所示，所述薄膜压力传感器FSR的一只管脚连接LM324芯片的VCC脚，其另一只管脚连接相应的分压贴片电阻RM，所述分压贴片电阻RM的一只管脚接地，并将其上的电压接入到相应运放的同相输入端，所述运放的反相输入端与其输出端相连，所述运放的输出端与单片机集成有AD转换器的相应管脚连接，由所述单片机对电压进行AD转换。所述LM324芯片的4脚为VCC(由3.6V的Lir2302锂电池供电)，11脚为GND，3、5、12、10脚为四个运放的同相输入端，2、6、9、13为四个运放的反相输入端，1、7、8、14为四个运放的输出端。三个分压贴片电阻RM的电压分别输入到LM324芯片的3、5、12管脚，而所述LM324芯片的1脚和2脚直接相连，其6脚和7脚相连，其13脚和14脚相连。

由于只用到LM324芯片的三个运放，于是将该三个运放的输出管脚1、7、14分别连接到MSP430G2553单片机集成有AD转换器的相应管脚，由MSP430G2553单片机分别对该三个电压进行AD转换，每个引脚的电压采样速率为20次/秒。如图3所示，MSP430G2553单片机的P1.0～P1.7管脚都集成有AD转换器，在本实施例中采用P1.0、P1.3、P1.4管脚与三个运放的输出管脚1、7、14连接，而P1.1和P1.2是串口复用的接口，P1.1为RXD接口，P1.2为TXD接口；所述蓝牙模块设置有VCC、GND、TXD、RXD四个接口，其TXD和RXD接口分别与所述MSP430G2553单片机的P1.1和P1.2连接，其GND接口与所述MSP430G2553单片机的GND相连。另外，为了降低功耗，本系统所述MSP430G2553单片机采用了可休眠的模式，客户端可以直接发送休眠指令使单片机进入深度休眠状态。在休眠模式下电流只有270uA,可大大降低功率。同时为降低单片机的功耗，并没有在单片机中做数据处理，而是直接将采集到的数据通过蓝牙模块以串口方式不断地发送到Android手机，在手机端做所有的数据的处理。

此外，本系统采用的是基于“强磁耦合”技术的无线充电模式，可以对集成在鞋子内部的Lir2302锂电池进行无插口的充电，既方便又安全。其中，所述无线充电发射线圈电路包括有依次连接的功率放大电路、谐振回路、发射线圈(相当于电感)，所述功率放大电路连接适配器，所述适配器能将220V市电适配至12V直流电，该12V直流电通过功率放大电路和谐振电路最终由发射线圈将能量发往无线充电接收线圈电路的接收线圈。所述无线充电接收线圈电路包括有接收线圈(固定于运动鞋的外侧后套的位置，同时起到美化鞋面的效果)、谐振回路、整流稳压电路以及用于显示充电状态的LED，所述接收线圈、谐振回路、整流稳压电路、LED依次连接，在谐振回路之后加入整流稳压电路得到4.2V的直流稳压电源，所述整流稳压电路的正端与Lir2302锂电池的正极连接，其负端与Lir2302锂电池的负极连接，充电电流越大则LED越亮，最终实现对Lir2302锂电池的正常充电。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：包括有带无线充电发射线圈电路的适配器、用于数据分析处理的智能设备终端以及集成在运动鞋上的薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块、可充电锂电池、无线充电接收线圈电路；其中，所述薄膜压力传感器、电压跟随电路、单片机、蓝牙模块依次连接，并均由可充电锂电池供电；所述可充电锂电池连接无线充电接收线圈电路，通过所述适配器上的无线充电发射线圈电路与无线充电接收线圈电路的强磁耦合实现无线充电，所述适配器连接220V市电；所述薄膜压力传感器有多片装在鞋垫上的不同位置，负责采集使用者脚底各个点的受力信息，根据使用者行走时脚底所受压力而产生实时的不同电压，并将此电压传入所述电压跟随电路进行稳压、滤除环境噪声处理；所述单片机集成有AD转换器，用于对所述电压跟随电路处理后的电压进行AD转换，并控制所述蓝牙模块发送数据至智能设备终端进行数据分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于，所述智能设备终端为Android手机，包括有：

x = \frac{Σ_{i = 1}^{N} x_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}}, y = \frac{Σ_{i = 1}^{N} y_{i} P_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} P_{i}};

3.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述电压跟随电路包括集成有多个运放的LM324芯片以及多个分压贴片电阻，其中，一片薄膜压力传感器对应一个运放以及一个分压贴片电阻，所述薄膜压力传感器的一只管脚连接LM324芯片的VCC脚，其另一只管脚连接相应的分压贴片电阻；所述分压贴片电阻的一只管脚接地，并将其上的电压接入到相应运放的同相输入端，所述运放的反相输入端与其输出端相连，所述运放的输出端与单片机集成有AD转换器的相应管脚连接，由所述单片机对电压进行AD转换。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述单片机为MSP430G2553单片机，其P1.0～P1.7管脚都集成有AD转换器，其中，P1.1和P1.2是串口复用的接口，P1.1为RXD接口，P1.2为TXD接口；所述蓝牙模块设置有VCC、GND、TXD、RXD四个接口，其TXD和RXD接口分别与所述MSP430G2553单片机的P1.1和P1.2连接，其GND接口与所述MSP430G2553单片机的GND相连。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述单片机采用可休眠的模式，客户端可以直接发送休眠指令使单片机进入深度休眠状态，在休眠模式下电流只有270uA。

6.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述无线充电接收线圈电路包括有接收线圈、谐振回路、整流稳压电路以及用于显示充电状态的LED，其中，所述接收线圈、谐振回路、整流稳压电路、LED依次连接，所述整流稳压电路的正端与可充电锂电池的正极连接，其负端与可充电锂电池的负极连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述无线充电发射线圈电路包括有依次连接的功率放大电路、谐振回路、发射线圈，所述功率放大电路连接适配器，所述适配器将220V市电适配至12V直流电。

8.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述电压跟随电路、蓝牙模块和单片机最小系统一同集成并放置于鞋舌内侧。

9.根据权利要求6所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述接收线圈固定于运动鞋的外侧后套的位置。

10.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的运动员运动分析系统，其特征在于：所述可充电锂电池为3.6V的Lir2302锂电池。