对“阳光体育长廊”信息系统的研究

曾桂生，周武能，刘江云，罗 蓉

对“阳光体育长廊”信息系统的研究

曾桂生1，周武能1，刘江云2，罗 蓉1

主要采用文献资料法、实地考察法、论证分析法、数理统计法，对现有“阳光体育健身长廊”的组成项目进行了优化和整合。并基于体育健身的一般规律，结合无线传感技术和心率摇杆测试仪器，设立了具有数字信息无线同步功能的“阳光体育健身长廊”系统。

阳光体育；健身；信息系统

自1981年中国体育仪器器材分会成立以来，我国体育仪器器材领域逐步发展壮大，现已研制开发包括训练辅助健身器材、比赛器材、裁判器材、测试器材与消除疲劳康复器材等五大类900多项科研成果，但这些成果80%以上都是属于竞技体育类，而大众体育类的仪器器材甚少，尤其是对青少年学生仪器器材的研发就更少，尽管有些研制，仅限于单项的研发，然而，针对青少年学生综合性身体素质器材的研制十分缺乏，就目前仅有江苏奥创体育设施有限公司针对青少年学生体质现状，研制了“阳光体育长廊”，其内涵还有待开发。

2006年教育部、国家体育总局、共青团中央联合下发的“关于开展全国亿万学生阳光体育运动的通知”是新时期对全民族素质提高的重大战略决策。阳光体育运动的开展，极大地推动了我国各类学校体育运动。为配合阳光体育运动的开展，经山东省体育局立项，中国海洋大学、南京理工大学和江苏奥创公司联合研制出了“阳光体育长廊”(以下简称长廊)，该长廊已获得《科学技术成果结题证书》(鲁体结字[2006]第7号)并在几所高等院校使用，且取得了积极的锻炼效果，该成果属江苏奥创体育设施有限公司。2010年11月，经江苏奥创体育设施有限公司与东华大学体育产业发展研究所商定，共同开发与研制此项目（协议已签）。然而，该长廊存在几个问题：（1）有些器件设计的科学性和美观性不足。（2）有些器件的设计对安全性考虑不足。（3）长廊的信息系统只是记录学生锻炼的次数和时间，而对学生的实时脉搏、卡路里、各项运动的时间、各项运动所达到的体育锻炼指标等都无法反映。

本课题拟针对长廊，充分考虑其美观性、安全性、科学性和趣味性等因素，特别要重新设计其信息管理系统，使之可用于各类学校。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本项目研究对象为阳光体育健身长廊的设计以及同步数据信息处理系统。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过访问中国期刊网、中国体育信息网，查阅1980-2010年国内外体育仪器器材的研制与开发的论著，围绕着我国大众体育仪器器材的研发现状与其中存在的问题，以及我国青少年学生体质现状等内容收集相关资料。

1.2.2 实地考察法

对上海市学校体育器材现状及运用情况进行实地考察。主要内容包括：最常用的体育设施、仪器器材、使用率、学校体育开展情况以及锻炼标准的达标情况等。

1.2.3 论证分析法

通过对运动系统和信息系统的理论设计与实践运用进行论证研究，并进行安装检测以及试用，得出最终的产品结果。

1.2.4 数理统计法

对不同运动能力的锻炼者进行相关能力的测试，并将长廊的整体（全程）和各项目（分段项目）所涉及的相关数据进行统计分析与研究，得出阳光体育长廊的等级指标和评价标准等。

1.3 实验设计——脉搏测量无线装置试验方案

本项目搭建以测脉腕表为节点的WSN。试验方案如下：

(1)搜集信息、查阅资料，前期准备工作：明确设计要求，确定软硬件功能，选取各功能模块等。

(2)设计智能腕表电路图，硬件电路设计制作，绘制硬件原理图，配置元器件，并形成PCB电路板等。

(3)购买无线通信模块，研究其与腕表及主系统的连接等。

(4)软件方面确定算法，程序模块划分，绘制程序流程图，程序编写和仿真调试，用调试仪器。

(5)软硬件修改和调试，以能够达到设计要求，组装定型，编制文件及说明书等。

2 阳光体育健身长廊功能的优化

在现有建成“阳光体育健身长廊”的基础上，根据研究的需要，课题组对现有长廊的组成项目进行了优化和整合。该“长廊”是宽5 m、长约120 m的封闭式通道，内设4道，其中男子2道，女子2道，内有10种锻炼项目组合，锻炼器械主要采用不锈钢铸件构成，“长廊”地面铺设人工草皮，两端设有电子管理装置。学生锻炼从单向入口进入(刷卡)，完成各项目锻炼后，由出口结束。

系统通过使用智能卡出入刷卡可自动记录学生锻炼的次数、时间等，并可通过设置于出口的显示屏显示本人本次锻炼所用时间、累计锻炼次数、最好成绩等信息，并可通过系统的管理分析软件对全校各院系学生锻炼情况进行统计分析，便于学校对各院系学生锻炼情况的考核。

“长廊”中所设的锻炼项目是经过多方论证，在征集体育教学、机械设计、体育器械制造等方面专家的意见基础上，结合学校实际情况选取的，设计中既考虑到了锻炼的科学性与全面性，集力量、速度、弹跳、协调等素质锻炼于一体，又充分考虑到锻炼过程的趣味性和娱乐性，使学生在快乐的游戏中增强了体质、锻炼了身体（见表1）。同时，由于选取的锻炼项目多是全身综合性练习，更多地是要求手、眼、脚等全方位的配合来完成锻炼，所以更加注重身体的全面发展，而不是某一块肌肉或某一部位的局部练习，比单一的练习方法或单一的运动项目更能增强锻炼的效果。

表1 “阳光体育健身长廊”的功能一览表Table Ⅰ Functions of Sunshine Sports Corridor Information System

“长廊”中所设的项目看似简单，实际上许多项目都具有一定的挑战性，不是轻易就能完成的，尤其是在较严格时间限制的条件下，完成每个项目要承受一定的压力并付出一定的努力，有的项目(如攀越2 m多高的软网)对于胆小的同学而言，心理的挑战更多于对体力的挑战。通过对锻炼项目多次的参与，学生的锻炼过程更多地是在和自己进行比赛的过程，学生在锻炼中体验拼搏、体验成功、体验快乐,通过身体运动的形式来培养学生拼搏进取、不畏困难、敢于挑战自我的精神。

对比传统的体育器材生产领域，“长廊”提出一种新的体育器材开发思路，即根据学校的情况和要求，开发适合不同学校、不同类型的封闭式组合锻炼器械。这种封闭式组合锻炼器械与开放式单个的健身器材相比，除了包含锻炼项目众多,能更充分锻炼学生身体之外，还因为其独具的“封闭”特色，形成了许多新的特点：如锻炼效果的综合性、项目设置的科学性、锻炼成绩的可考核性、锻炼项目趣味性，这些特点明显优于简单的单个锻炼项目的叠加。这种以“封闭式体育锻炼长廊”为代表的体育器材开发的“组合拳”在体育器材市场上将产生更大的威力。

3 阳光体育健身长廊信息系统的研制

3.1 基于OMNeT++的“实代码仿真模式”研究

尝试搭建一个基于OMNET++仿真器的“实代码仿真模式”的研究，将整套UCOS系统上运行的协议代码封装成动态链接库，加载到仿真器上利用其离散仿真事件队列机制进行调试，运行通过后可以直接在实际硬件芯片上运行，无需二次修改，大大提高研究开发进度。成功地将UCOS上运行的aloha协议栈封装成DLL加载到OMNET++，调试运行通过并且已经投入到实际应用中。

无线传感器网络由称为“微尘(mote)”的微型计算机构成。这些微型计算机通常指带有无线链路的微型独立节能型计算机。无线链路使得各个微尘可以通过自我重组形成网络，彼此通信并交换有关现实世界的信息。目前，对于传感网的研究越来越受到关注，其中网络协议算法更是其中的热点之一。

为评价传感器网络协议算法的性能，仅通过实验是无法实现的，特别是包含大量节点的大规模无线传感器网络，更是很难通过实验来实现(实际上，上百个节点的实验已经比较难以管理与实现)。为了实现无线传感器网络的仿真，研究人员设计开发了许多仿真平台(或在现有平台建立无线传感器网络模型)，包括NS-2、OPNET、SensorSim、EmStar、OMNet++、GloMoSim,TOSSIM、PowerTOSSIM等。OMNeT++[2-31 fObjective Modular Network TestBed in C++)是开源的基于组件的模块化的开放网络仿真平台，是近年来在科学和工业领域里逐渐流行的一种优秀的网络仿真平台。OMNeT++作为离散事件仿真器，具备强大完善的图形界面接口和可嵌入式仿真内核，同NS2[41、OPNETL5和JavaSim等仿真平台相比，OMNeT++可运行于多个操作系统平台，可以简便定义网络拓扑结构，具备编程、调试和跟踪支持等功能。OMNeT++主要用于通信网络和分布式系统的仿真。OMNeT++具有模块化的结构。

本项目的主要贡献就在于提出了一种全新的验证协议代码的方案。它实现了在OMNeT++这款离散仿真软件的基础上，对运行在UCOS上的协议栈代码直接仿真调试，将其封装成为动态链接库的形式在OMNeT++上调试运行，协议栈等代码无需二次修改，运行后的代码可以直接在节点上运行。具体思路已经如上验证通过，并且已经将Aloha简单的协议运行在芯片上。

3.2 无线传感器网络在睡眠机制、固定及变拓扑下的拟平均趋同

课题组研究发现高阶无线传感器网络的拟平均趋同，所研究的是网络或系统基于连续时间且在Leader-Follower型拓扑结构下的同步行为。在该拓扑结构下，部分节点承担着的Leader功能而其他节点承担着Follower功能。分别对由所有Leader和Follower组成的完备子图执行唤醒—睡眠机制，我们得到变Leader、变Follower的拓扑结构，在基于唤醒—睡眠机制的控制协议下，系统达到拟均方趋同。固定整个拓扑结构，我们得到固定Leader、固定Follower的拓扑结构，在通常的趋同协议下，系统达到拟平均趋同。单独固定由Leader组成的子图，我们得到固定Leader、变Follower的拓扑结构，在控制协议下，系统达到拟均方趋同。

对于上述的3种拓扑结构，文中分别给出了趋同的充分必要条件。最后，给出了数据仿真的例子以验证结果的可靠性。

3.3 搭建脉搏测量无线装置

该系统结构如图1所示：所设计的阳光体育长廊信息系统中有一个脉搏测量环节。本项目对此环节设计了无线装置，称之为“智能腕表”，它由脉搏传感器、滤波器、单片机、无线信号接收和发送元件及后台PC组成。

对于脉搏测量无线传输系统，通过上面所述的实验步骤，项目组自选设计通信协议，进行后台界面设计，实验效果良好，有待于调试与加工。该系统的实物图如图2所示。

3.4 阳光体育健身长廊信息系统设计

本项目设计了新的阳光体育长廊信息系统。该系统主要由主系统、锻炼者各项目时间的采集系统和脉搏、卡路里数据采集系统及终端等4个部分组成，如图3所示。已有的阳光体育长廊评价及软件只能通过刷卡在系统中录入锻炼者的信息，显示每个锻炼者每次锻炼的时间和总的锻炼次数，因而只能查询某一学生或某班级参加长廊锻炼的次数和总的时间。本项目设计新的长廊信息系统，该系统反映了锻炼者的实时脉搏、卡路里、各项运动的时间、各项运动所达到的体育锻炼指标等，主要由主系统、锻炼者各项目时间的采集系统和脉搏、卡路里数据采集系统及终端等4个部分组成。

图中各部分的功能见图上说明。我们还设计了门禁、测身高和体重、触摸屏等设备，主系统可与因特网或手机联络，从而大大加强了长廊的信息功能。通过因特网和手机，个人或单位可查询本人或各级单位锻炼者的有关信息，并进行统计分析，为个人或单位提供有价值的锻炼数据，提供建议或改进措施等。

4 结论

课题组基于体育健身的一般规律，结合无线传感技术和心率摇杆测试仪器，设立了具有数字信息无线同步功能的阳光体育健身长廊系统，它是根据人体运动系统的跑、钻、跳、爬等各种运动技能，并且进行了功能整合，具有上下坡跑、蹬台跳下、平行云梯(男)、抓踩前行(女)、蛇形跑、腾空跳跃、软网攀爬、荡桥急行、梅花桩、支撑跳跃和穿越隧道等二十几种。优化了现有长廊的运动模式，使之进一步符合体育锻炼标准，提高了美观性、安全性和趣味性，在此基础上严格按照相关要求进行施工安装。同时，为进一步提高健身的效果，锻炼者可佩戴研制的心率摇感手表，对其运动状况进行实时监测、评价，完善了运动监测手段，并根据监测结果进行分析，给出实验结果。该系统从根本上改变了已往的健身长廊实用效率低下的状况。其主要科学意义和应用前景如下：

（1）新型的阳光体育健身长廊充分考虑了青少年学生身体素质的全面发展的需要及其对体育锻炼兴趣，能有效提高学生体育锻炼积极性，提高身体素质，为终身体育打下良好的基础。

（2）无线数字同步监测系统能对学校甚至更广大群体对于体育健身数据信息的全面管理与调控，真正实现学校体育课程内外一体化工作的全面实施，使学校体育教育工作健康可持续发展。

（3）本项目设计的信息系统综合评价体系，有助于提高锻炼者、班级、院系、学校乃至区域的锻炼水平。体系中的数据还可用于体育科学研究，为政府决策部门及教育行政部门提供理论与实践依据。

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(责任编辑：陈建萍)

Study on the Information System of "Sunshine Sports Corridor"

ZENG Gui-sheng , ZHOU Wu-neng, LIU Jiang-yun, et al.
(Donghua University, Shanghai 201100, China)

Adopting the ways of literature study, on-the-spot investigation, demonstration and statistics, the author optimizes and integrates the component parts of the present "Sunshine Sports Corridor". Based on the general laws of physical fitness, the author establishes a Sunshine Sports Corridor System which has the function of digital information wireless synchronization, using wireless sensor technology and the instrument for heart rate remote sensing test.

Sunshine Sports; fitness; information system

G807.01

A

1006-1207(2012)03-0100-04

2012-01-27

2011年上海市体育社会科学、决策咨询课题（TYSKYJ2011012）

曾桂生，男，教授，硕士生导师。主要研究方向：体育教育学.

1.东华大学 体育部， 上海 201600；2.上海师范大学青年学院，上海 200234