基于骑行IM的自行车比赛系统的设计

杨 琳 杨 艳 张 娜 刘 皎 韩美林 党琪暄 李 媛 乔成芳

（1.商洛学院电子信息与电气工程学院 商洛 726000）（2.商洛学院体育教学研究部 商洛 726000）（3.商洛学院化学工程与现代材料学院 商洛 726000）

1 引言

自二十世界九十年代以来，中国一直被称作自行车王国，根据相关统计，我国的自行车保有量排名全世界第一（4亿），且自行车相关企业数的年增长率在7.4%，年均产量的增长率在7.8%［1］。丰盈的自行车储备量为自行车运动的普及化与群众化奠定了基础。与此同时，不同类型的自行车比赛如雨后春笋般涌现［2］，越来越多的人参与到专业的自行车比赛中。各种各样的骑行装备应运而生，骑行器［3］、骑行服［4］、码表［5］、电子定位器，这些装备为自行车比赛和训练提供了极大的便利。但是比赛当中，无论是日常训练还是比赛的过程都迫切需要智能的骑行系统来辅助自行车运动的训练和比赛的过程控制。近些年，用于健康检测的智能手环［6～7］、计步器［8］等装备和 APP［9～10］得到了空前的发展，公共电视对自行车比赛的发展也起到了一定的推动作用［11～12］。然而针对自行车运动员的状态检测设备的研究仍是一个空缺［13～15］。本文提出结合码表、电子定位器、健康监测手环各种装备的优势，开发一种骑行穿戴设备——骑行IM，对运动员的生理指标（心率、血糖）、环境信息（海拔、位置、温度、湿度）、运动指标（瞬时速度、踏频、平均速度）等信息实时监测，在此基础上，开发一个比赛监控系统，用于运动员日常训练的过程监控和比赛实时直播以及实时数据显示。该系统的应用让运动员的日常训练更加智能，让赛事观看更加便捷，更加公开透明。

2 系统架构

本系统主要由数据采集端、服务器、数据显示终端三大部分组成，系统架构如图1所示。

第一部分：数据采集端，由骑行IM（Intelligent Monitor）和摄像机组成，其中骑行IM佩戴于运动员身上，将运动员的健康状态、骑行环境、运动数据和冲刺预测全方位监测数据采集起来，并传输给服务器。摄像机将直播信号发送到服务器。

第二部分：服务器，存储骑行IM采集到的数据信息和直播视频资料，并发送给显示终端，作为数据采集端与数据显示终端的中转站。

第三部分：数据显示终端，将服务器传输过来的数据以网页、APP的形式展现在大屏幕、手机、平板电脑等多媒体设备，以方便更多的观赛人员进行直观赛事观看和结果评判，更为透彻地掌握每个选手的比赛状况。

图1 自行车比赛统系统框图

3 网络体系结构

体育赛事，对系统有很高的实时性和数据流畅性要求，对数据量和用户量的要求不是很高，基于此在对比了分布式、B/S、C/S、P2P等多种网络结构的优劣势后，选择如图2所示的C/S结构作为系统的网络结构体系。这种系统最大的优势就是，服务器运行时的数据量小，因此实时性和流畅性较好。

图2 网络体系结构图

4 骑行IM

4.1 骑行IM功能设计

骑行IM（Intelligent Monitor），即运动员穿戴设备，用于采集运动员比赛过程中的各项信息。是一款简单、轻巧同时具有多功能的骑行监测仪，将运动类、身体类和环境类三类数据合一，同时与网络系统相连接，成为为自行车赛事服务的一款智能系统。骑行IM的主要功能如图3所示。

图3 骑行IM功能图

1）赛前会对整场赛事的比赛路线进行存储。

2）骑行运动开始后，骑行IM立刻对运动员信息进行收集。

（1）身体状态主要是监测运动员的心率、血压、血糖三方面数据。

（2）骑行状态主要根据骑行过程中的瞬时速度、脚踏频率、平均速度进行分析，提供给观赛人员最精确的骑行状态信息，从而对参赛选手的体能素质有更好的掌握。

（3）环境状态主要获取比赛过程中运动员所处位置的坐标、温度、海拔、风向、风速信息、并实时更新，使每位选手能够对赛事过程中天气的突变做出应对措施。

（4）以上数据将同步传输到服务器。

3）能量补给呼叫功能。根据能量损耗情况，运动员可选择手动操作呼叫或骑行IM智能算法呼叫。手动操作即运动员通过骑行IM的按键发出呼叫信息；智能算法呼叫即系统根据运动员身体状态信息判断运动员需要补给能量的时间，从而发出呼叫信息。两种方法均能及时地给补给车发出信号，从而提高能量补给效率。

4）最佳冲刺点计算功能。拥有了存储路线、运动员信息后，骑行IM计算出骑行最佳冲刺点，冲刺点的选取对每一个运动员都是至关重要的，计算出最佳冲刺点后骑行IM会对运动员进行语音提醒。

4.2 骑行IM硬件设计

硬件电路设计核心处理器采用HT6023芯片，通过相关的传感器采集运动员的心率、速度、踏频等指标，通过控制W5500网络模块上传数据到服务器，通过引脚来控制按键电路和存储电路，其硬件模块组成如图4所示，其中箭头方向是指控制信号的流向。

图4 骑行IM的硬件模块组成图

4.2.1 主控芯片电路设计

骑行IM的内核是主控芯片HT6023，其外围连接的有电源电路、无线传输模块电路、时钟电路。无线传输模块选用Mini GPRS/GSM，以太网接口电路选用HR911105A。

4.2.2 计量电路

计量电路如图5所示，采用智能高精度的ATT7022E作为计量芯片，提供RMS、PQS两种电能来满足谐波、基波的不同要求。心率检测电路如图6所示，在心脏跳动时，检测处血液体积发生变化，而红外线对这种变化较为敏感，检测到的信号经过转换、滤波、放大等步骤，最终形成电压脉冲信号来反映心率。

图5 计量电路图

图6 心率检测电路

4.2.3 电源电路

如图7所示，电源电路为整个系统供电。为了削弱前后级的牵制，将1K的电阻RP放置在MMBT2907A的基级。电路采用HT7550作为电源电路的稳压元件。

4.2.4 按键电路

按键电路如图8所示，电路中共有四个按键，分别实现开机复位、关机、下载地图、能量呼叫四个作用。

4.2.5 存储电路

存储电路如图9所示，采用MX25L3208E、AT24C512、FM24CL16作为主要的存储芯片，其中FM24CL16用于存储时间，骑行地图、线路存储在AT24C512，运动员的其他各项信息、视频信息存储在MX25L3208E中。

图9 存储电路图

5 软件系统

5.1 系统软件界面设计

图10 系统软件界面

系统界面如图10所示，有直播、车队、赛事日程、比赛线路、比赛结果五个一级菜单。主界面的上半部分，播放实时直播录像画面，比赛线路中显示整个比赛的线路地图，各个车队的每个队员的位置坐标点用不同的颜色显示在线路中。选中其中一个运动员坐标点，界面中可以弹出这个运动员的个人信息、位置、速度、名次信息。在界面的最右侧显示当前排名的前三名运动员信息。

5.2 数据库设计

本系统选择关系数据库SQLite3作为数据存储媒介，共包含车队表、运动员表、用户表、赛事表、互动平台表，各个表的字段和表之间的关系如图11所示。

1）车队表：存储车队的成员、领队、历史记录、荣誉等各种信息；

2）运动员表：存储每个运动员的个人信息、当前骑行信息，其中个人信息是姓名、性别、年龄、历史记录等静态的信息，当前骑行信息是指骑行过程中的平均速度、瞬时速度、踏频、海拔、温度、位置等实时变化的信息；

3）用户表：存储观众或管理人员的各项信息；4）互动平台：存储赛事新闻和互动论坛；

图11 数据库关系图

5）赛事表：存储承办单位、赞助单位、比赛线路、赛事日程、赛事文化、当前赛事排名、赛事相册和视频记录。

6 系统测试

6.1 测试对象

将系统架构搭建好以后，选择一个商洛学院大学生自行车队的运动员训练过程数据作为测试对象。

6.2 测试环境

本系统运行的环境包括PC机端和安卓客户端两种。PC机端分别选择了Windows XP、Win7、Win10、Linux四种系统下的IE7、IE8、IE9、IE10、火狐、搜狗、谷歌等10种四种浏览器作为运行环境。Android系统中，分别选择模拟器、华为、小米、三星等多个品牌不同型号的50个手机作为系统运行环境。

6.3 功能测试

将骑行IM佩戴于运动员手腕处，骑行过程中，运动员的位置、所处环境的海拔、温度、运动员的心率、踏频、瞬时速度、平均速度等数据实时发送到服务器，PC机终端网页、移动终端APP均可将这些数据显示出来。直播视频能够流畅清晰地显示，延迟在5.63s以内。运动员排名准确率在99.87%。

6.4 压力测试

并发数的上限预计在5000左右，所以，将并发数上限设定为5000，也就是说从0开始，每隔6s添加50个用户，持续对系统进行加压处理，一直到5000时，停止并发用户，循环操作，找到系统的最大并发量。压力测试的结果可以满足系统需求。

7 结语

本文融合了智能手环、数据库、物联网等技术，设计了一套智能骑行平台。该系统完成了骑行IM的设计、系统数据库的设计，网站与APP的开发。实现了运动员信息实时传输和显示，运动员能量呼叫功能，规划比赛线路、比赛过程实时直播、实时排名、评论系统、新闻推送等功能。经测试，该系统软硬件运行正常，能满足车队日常训练和自行车比赛的过程控制的实际需求，提高了传统自行车赛事系统的实用价值和附加价值，将会带来一定的市场价值和经济效益。