游泳项目电子训练诱导仪的研制与运用研究

王合霞，王　勇，唐　亮

(中国石油大学(北京) 体育部，北京　102249)



游泳项目电子训练诱导仪的研制与运用研究

王合霞，王勇，唐亮

(中国石油大学(北京) 体育部，北京102249)

针对传统游泳训练中，运动员对游泳节奏和强度把握不准的问题，设计了一种无线便捷游泳训练速度诱导器。通过该诱导器手持设备的输入键盘,教练根据运动员体能及训练需要，自主设定各项训练内容参数，并通过手持设备上的无线发送模块将命令传输给控制器；控制器部分上的无线接收模块接收指令后由单片机进行处理，然后通过数据线将控制信号传给LED灯带，实现对多路灯带亮灯速及间歇时间的控制，完成对多个游泳运动员游速的有效诱导。该诱导器不仅操作简单，而且对运动员的训练兴趣和训练效率都起到积极作用，可以很好地提高游泳训练的科学性。

游泳训练；速度；诱导仪 ；LED灯带

随着体育运动发展的现代化、社会化、国际化，科学技术在现代体育的发展中发挥着越来越重要的作用，金牌之争的背后是体育科技之争，电子技术、新材料的不断发展促使电子训练仪器在体育训练领域的应用将会更加广泛，电子仪器也由此引起了训练手段、训练方法的革新，国际体坛的竞争也越来越大程度上取决于先进训练仪器的运用，因此，在科学的现代训练中，先进训练仪器的运用将会对训练结果的提升起到至关重要的作用。

现代高水平竞技游泳比赛中，只有控制好泳速才能较好地发挥竞技水平，才能获得优异的成绩。在现代科学的游泳训练中，游泳运动员更加注意游程中体力的正确分配，更加注意按规定游速游进的能力。

在实际的游泳训练中，常用的方法是教练在岸边呼喊节奏的方式，游泳者在水中很难听到教练员在岸上的关于速度的声音提示，只能等到运动员到岸后教练员再给以提示，这样不但效果差，而且运动员很难掌控，需要进行大量的重复性的训练，造成训练效率低下。针对此种情况，为了使游泳训练更加科学化，根据教练员的实际需要，在此设计出一种游泳训练速度诱导仪，可以让教练员和运动员清晰感知游速的快慢及节凑的强度，以辅助教练员对运动员进行科学有效的训练。该仪器主要有手持设备、控制器、水下LED灯带3部分组成。通过无线传输技术控制改变水下灯带亮灯的快慢，以达到诱导的目的，此仪器操作方便，教练员可根据训练需要，通过手持设备自主设定此设定训练参数，进行分段、间歇等训练内容。可对6位运动员进行诱导训练，极大改善游泳训练的效率，提高游泳训练的科学性。

1　速度诱导仪设计原理

随着微电子技术的发展，电子器件的防水、稳定性能得到极大地改善，且其模块化的设计在应用中更加便利，这为我们设计游泳训练速度诱导提供了技术基础，在充分了解国家游泳队体能参数及部分省队教练员训练需求的基础上，并结合现代游泳理论研究成果，我们以技术和操作应用两方面为出发点，在考虑游泳训练场地大小及多水环境下，采用最新的无线传输技术和性能稳定的单片机控制技术，将设备分为3大部分:手持设备(键盘、单片机控制系统、液晶显示屏、无线模块);控制器(单片机控制系统、无线模块、温度传感器、语音播报模块);LED发光灯带(LED驱动电路、LED灯)。系统示意图如图1所示：

图1　无线便捷游泳训练诱导器方案框图

其工作原理:首先，通过该速度诱导第一模块手持设备的输入键盘，教练员可输入各项训练内容参数，输入完成后手持设备上的无线发送模块会自动将命令传输给第二模块控制器部分。其次，控制器部分上的无线接收模块接收指令后由单片机进行处理，然后通过数据线将控制信号传给第三部分LED灯带。最后，第三模块由多个lED灯组成的灯带依次接受控制信号并发光，实现多路灯带按设定的速度亮灯，完成对游泳运动员游速的有效诱导。

各个模块主要组成部分及功能：模块1 手持设备主要有键盘、单片机处理芯片、无线发射模块、液晶显示屏组成；键盘作用是输入各项训练内容参数，单片机处理芯片作用是将各项训练内容参数传输给液晶显示屏显示出来，并将各项训练内容参数传输给无线发射模块，无线发射模块将各项训练内容参数指令发送模块2可编程控制器；

模块2可编程控制器主要有无线接收模块、蜂鸣器、温度传感器、可编程控制器。无线接收模块作用是接收手持设备发送的各项训练内容参数指令，可编程控制器对无线模块接受到的指令进行处理并将相关指令信号传输给LED驱动。温度传感器作用是采集泳池内水的温度，并通过液晶屏显示，蜂鸣器主要起到语音播报作用是提示运动员进入训练状态。

模块3水下LED发光灯带主要有驱动电路和LED灯组成，驱动电路主要作用接受控制的信号并驱动多路LED安设定序列发光。让运动员通过视觉可以直观清晰地感知亮灯诱导的速度的节凑。

2　诱导仪硬件实现

2.1手持设备

手持设备主要有键盘、液晶屏、无线发射模块部分组成。通过手持设备教练员可远距离自主设定训练内容，其设计方案如图2所示。

图2　手持设备的设计方案

单片机控制系统主要由单片机、晶体振荡电路、串口通信电平转换电路、扩展插针接口构成。单片机控制系统的具体电路及信号传输如附图3所示。

短距离无线收发模块包括无线发射器和无线接收器两部分组成，其通信的基本原理是发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的、经过检验的准确数据。该模块的通信示意图如图4所示。

考虑从到游泳池的大小。我们选用CC1101-232无线发射接受模块。CCl101集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500 kb/s，。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到+10 dBm，且接收灵敏度可达110 dBm，抗干扰能力强，功耗较低，能够很好满足游泳训练数据传输的需要。

图3　单片机的系统框图

图4　模块的通信示意图

图5　CC1101无线模块实物图

2.2可编程控制器

可编程控制器主要由SCT89C52单片机系统、CC1101无线模块、温度传感器(DS18B20)、语音播报电路、LED驱动控制电路构成。起到接收处理训练指令的作用，并输出一定时序的控制信号传送水下灯带。可编程控制器组成电路框图如图6所示。

图6　可编程控制器组成电路框图

可编程控制器接收到手持设备输入的训练信号后，判断相应的工作模式，控制LED灯带相应的灯依次亮灭，并将采集到的水的温度实时显示。同时在训练员间歇及训练完成时，蜂鸣器给予必要的声音提示。可编程控制器算法流程图如图7所示。

图7　可编程控制器算法流程图

2.3LED灯带

LED灯带主要由多个LED灯组成，每个LED灯为作为最小的控制单元并按设计好的线路接收控制器输出的控制信号，实现单个LED灯导通发光。LED灯带LED灯带采用ucs1908驱动芯片级联方式控制5050灯珠亮灭。LED灯带共有6通道，单通道长度为50米。可满足6个运动员同时训练的需要。单段LED灯带的实物图如图8所示。

图8　LED灯带实物图

3　诱导仪功能测试

经初步测试，速度诱导仪的功能显示界面如图9、图10所示。日常游泳训练中，该设计为游泳教练提供最基本的以下4种训练模式。同时教练员也可根基训练需要自主设定训练模式。

图9　主界面显示图

图10　功能选择界面图

模式一为往返无间歇匀速训练状态。 根据游泳池泳道长度，将定制50米长的LED灯带铺在泳道下边，接通电源后，通过手持设备设定本次训练内容，如：设定1 500米速度诱导，总时间设定游速15分钟匀速完成(距离 时间可根据需要设定)。设定完成后。按下开始按钮，则灯带从初始端依次匀速亮灯到尽头末端，灯带全亮。再由末端按匀速时间开始熄灭至初始端，完成一个往返的速度诱导训练。计数器记下往返数1并显示，如此匀速循环之至达到1 500米15分钟结束，完成一组速度诱导训练。

模式二为往返有间歇匀速训练状态。根据游泳池泳道长度，将定制50米长的LED灯带铺在泳道下边，接通电源后，通过手持设备设定本次游泳训练内容,如设定10个100米，每个100米设定游速1分钟匀速完成，间歇30秒(可根据需要自行设定个数 距离 时间 间歇时间)。设定完成后。按下开始按钮，则灯带从初始端依次匀速亮灯到尽头末端，灯带全亮。再由末端按匀速时间开始熄灭至初始端，按事先设定1分钟完成一个往返100米的速度诱导训练，完成一个回合的诱导训练。计数器记下次数1并显示，并保持间歇30秒钟(用运动员休息)，30秒时间到后，发出提示音后(提示运动员开始下一个100米开始)，灯带再次从初始端依次匀速亮灯到尽头末端，灯带全亮。再由末端按匀速时间开始熄灭至初始端，按事先设定1分钟完成一个往返100米的速度间歇30秒钟速度诱导训练，然后继续下一个回合的速度速度诱导训练。如此循环之至达到与其设定的效果，完成一组诱导训练。

模式三为往返有间歇分段非匀速状态。根据游泳池泳道长度，将定制50米长的LED灯带铺在泳道下边，接通供电电源，通过手持设备设定本次游泳训练内容，如设定10个100米，每个100米设定总游速1分钟非匀速完成如前段50米设置为27秒时间，后段50米设置为33秒时间(10个100米每个100米可单设定不同快慢训练模式)，间歇30秒(可根据需要自行设定个数 距离 时间 间歇时间 分段时间最多9段)。设定完成后。按下开始按钮，则灯带从初始端依次按27秒时间匀速亮灯到尽头末端，灯带全亮。再由末端按33秒匀速时间开始熄灭至初始端，按事先设定100米总时间1分钟完成一个往返的速度诱导训练，完成一个回合的诱导训练。计数器记下次数1并显示，并保持间歇30秒钟(用运动员休息)，30秒时间到，发出提示音后(提示运动员开始下一个100米开始)，灯带再次从初始端依次匀速亮灯到尽头末端，灯带全亮。再由末端按匀速时间开始熄灭至初始端，按事先设定快慢1分钟完成一个往返100米的速度间歇30秒钟速度诱导训练，然后继续下一个回合的速度诱导训练。如此循环之至达到与其设定的效果，完成一组速度诱导训练。

模式四为以上3种状态训练间歇时间，亮灯时间，回合次数可根据训练需要自主设定，并任意组合，提供多种状态训练。

经测试，该无线便捷游泳训练速度诱导器可实现4种模式的速度诱导训练。

4　结论

本成果设计的无线便捷游泳训练速度诱导器操控简单便捷；可根据运动员情况，在提供4种基本训练模式的基础上，教练员可自主设定训练参数；同时该速度诱导器具有有水温测量功能，语音播报提示功能；教练员可以远距离操控设备，该设计人性化、智能化、便捷化，且维护、更换成本低，能够很好满足专业游泳训练中精确控制训练强度、节奏等重要训练要素的需求；改善我国单纯依靠人工把控训练的落后局面，提高游泳训练效率，缩短与国外训练仪器应用的差距，提升游泳训练的科学性，进一步提高训练的时效性。

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Research on the development and application of swimming electronic training induction machine

WANG He-xia, WANG Yong, TANG Liang

(Dept.ofP.E.,ChinaUniversityofPetrolium-Beijing,Beijing102249,China)

In view of the problem in traditional swimming training that athletes have poor handling of swimming rhythm and strength and artificial training cannot solve it well, this paper designs a convenient wireless swimming training speed induction machine. Through the keyboard input of handheld devices, and according to the needs of physical ability and training of athletes, coach can set the training parameters independently, and then transmit commands to the controller through the wireless sending module on the handheld device; after receiving instructions from wireless receiving module of the controller, single-chip microcomputer deals with them, and then pass control signals to the LED lamp belt through the data line, implement the control of multiple street lamps with light speed and intermittent time, complete effective induction of multiple swimmers speed. The machine, not only being easy to operate but also playing a positive role in improving training interest and training efficiency, is a good way to improve the scientific nature of swimming training.

swimming training; speed; induction unit; LED lamps

2016-01-06

中国石油大学校基本科研业务费项目；申请国家专利号：2014101323556。

王合霞(1976-)，女，山东烟台人，副教授，体育教育训练学。

G818.3

A

1009-9840(2016)04-0051-04