基于UWB的校园足球运动负荷监测系统开发与应用研究

李国民,张 新

(浙江理工大学 体育教研部,浙江 杭州 310018)

0 前 言

2015年3月，国务院发布《中国足球改革总体方案》，对我国足球改革发展进行了顶层设计和战略部署，同时将校园足球活动上升至国家战略层面。《中国足球中长期发展规划( 2016-2050年)》强调：“推动互联网技术与足球产业深度融合，重点引入移动互联网、大数据等新技术与新业态，促进足球运动多点创新”。由此可见，利用科学技术推动校园足球发展已成为重要手段和校园足球工作者的研究热点。

准确掌握足球运动特征和训练规律是进行科学训练的前提条件，只有全面、深入地认识和了解足球运动特征，才能做到准确地选择与足球专项相符合的训练内容、手段及制定相应的运动负荷方案，从而有效地组织足球运动训练活动。我国学者徐本力认为：运动负荷是指有机体在承受一定的外部负荷时，在生理和心理方面所反应出来的内部负荷的程度[1]。由此可见，运动负荷由外部负荷和内部负荷组成。根据运动负荷产生的场景，可以分为训练负荷和比赛负荷。足球比赛负荷是足球项目的一个重要特征，对足球比赛负荷的充分认识能真正了解比赛对运动员所提出的负荷需求，指导运动训练中的负荷强度、负荷量、训练方法、训练手段、训练内容的设计与安排等，使足球运动训练建立在科学需求的基础上，减少训练的随意性和盲目性，提高训练的针对性和专项性，提高训练的科学化水平。已有学者对足球训练负荷监控进行了相关研究，如王晨等[2]，本研究内容为足球比赛负荷：外部负荷主要从次数、时间、距离、速度等指标进行评价；内部负荷主要从心率这个指标进行评价。

本研究基于UWB技术，在足球场地四周架设6个位置固定的定位基站，运动员采用腕带方式佩戴定位标签，臂带方式佩戴光电心率表，通过AOA定位技术算法对运动员进行实时定位，获取运动员位置信息，计算出运动员比赛时的速度、距离、冲刺次数以及心率变化等数据，实现对运动员比赛负荷实时监测作用，为制定科学的训练计划提供依据。

1 研究对象与方法

1.1研究对象

基于自主研发的基于UWB的校园足球运动负荷监测系统，以高校男子足球运动员为研究对象，并在校园足球教学比赛中进行了实际应用。

1.2.1 文献资料法。通过以“UWB”、“校园足球”、“运动负荷”、“监测系统”为关键词，在中国知识资源总库(CNKI)数据库检索所得的50余篇文献进行深入分析，为本研究提供理论基础和实证参考。

1.2.2 软件工程法。通过UWB技术及光电心率表相结合的解决方案来实现校园足球运动负荷监测系统。所需硬件设备：南京沃旭科技有限公司生产的超宽带设备、定位标签以及芬兰生产的Polar光电心率表。定位系统通过在足球场四周架设6个基站，实现30cm以内的实时定位精度；定位标签频率设置为10HZ。心率采集佩戴方式为臂带，在比赛结束后用蓝牙连接方式将数据上传至服务器，通过相关软件的处理，完成数据的统计和分析。以操作系统"Windows"为系统操作平台,以矢量化图形技术为技术点,提供给教练员以可视化的操作界面,使用Microsoft Visual Studio.net作为开发工具来实现。

1.2.3 数理统计法。采用SPSS20.0 统计软件对测量的数据进行分析。

2 系统监测指标

2.1 跑动距离：球员在上场时间内在场上跑动距离之和；

2.2 高速跑动距离：球员在上场时间内速度达到高速跑的跑动距离之和；

2.3 有效跑动距离：球员在上场时间内速度达到中速跑及以上跑动距离之和；

《背影》是朱自清先生写于1925年的一篇回忆性散文，讲述了普通小人物的平凡小事。文章以“我”的视野记录了1917年离开南京前往北京大学求学，父子二人车站送别的情景。在人物描写方面本文不同于一般的抒情散文，它没有做过多的人物神情、心理、外貌的描写，而是细致刻画了父亲的“背影”。对于《背影》这一经典叙事性散文的研究，大致分为两种类型：一种是从文本解读的角度分析课文的主题、情感、人物形象等内容，《背影》随着时代的变迁，人们对其主题的解读也是日渐不同。另一种则是从课堂教学的角度探讨教学技巧，教学方式，研究课堂实录。本文主要研究黄厚江《背影》的课堂实录，对他的教学语言风格做一个解析。

2.4 高速跑动次数：球员的跑动达到高速跑范围并且持续0.6s以上计做一次高速跑动；

2.5 冲刺跑动距离：球员在上场时间内速度达到冲刺跑的跑动距离之和；

2.6 冲刺跑动次数：球员的跑动速度达到冲刺跑范围并且持续0.6s以上计做一次高速跑动；

2.7 高强度跑动次数：球员的跑动速度达到高速跑并且持续0.6s以上计做一次高强度跑动，即高速跑动次数和冲刺跑动次数之和；

2.8 高强度跑平均间歇时间：将冲刺跑和高速跑都定义为高强度跑，计算每两次高强度跑的间歇时长，累计间歇时长/间歇次数即为高强度跑平均间歇时间；

2.9 跑动速度：本研究根据丹麦著名学者Bangsbo[3]对足球比赛中跑动形式的划分以及速度区间制定的思路，同时借签后续研究者的研究结果，结合校园足球特点，对跑动速度区间做如下划分：①走或站立(0.0m/s≤V<1.2m/s)；②慢跑(1.2m/s≤V<2.4m/s)；③低速跑(2.4m/s≤V<4m/s)；④中速跑(4m/s≤V<5.5m/s)；⑤高速跑(5.5m/s≤V<7m/s)；⑥冲刺跑(7m/s≤V)。

3 研究结果

3.1系统设计与应用

3.1.1 系统硬件架构。超宽带技术(Ultra-wideband,简称UWB)是一种不用载波，而采用时间间隔极小(纳秒级)脉冲通讯方式的一种低耗电、高速传输的无线个人局域网络通讯技术[4]。2002年2月，美国联邦通信委员会首次批准该技术应用于民用通信，同年4月，将3.1GH至10.6GHz的频带免费授权给超宽带使用。UWB具有非接触、非视距、功耗低、安全性高、多径分辨能力强和定位精度高等优点[5]。国内在2001年9月初发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作[6]。目前，UWB技术已在校园中长跑定位跟踪测试中得到了应用[7]。有学者使用GPS卫星定位系统来测定运动员跑动距离，但GPS定位系统存在一定的缺点[8]：定位精度较低，3-5m；定位频率低，为1HZ；低速运动测量值不准确；另外，当运动员集聚时会影响信号接收等。

校园足球运动负荷监测系统硬件主要是由两个部分组成：第一部分是定位标签(Tag)和光电心率表。定位标签通过电池供电，能够发射超宽带信号，频率为10HZ，采用腕带的方式佩戴；光电心率表佩戴要求必须与皮肤接触，采用臂带的方式，与定位标签分开佩戴；第二部分是基站(Sensor)，它是固定在已知坐标的位置上，能够接收从定位标签发送过来的UWB信号。基站之间通过有线的方式连结组成局域网。各硬件参数见表1，各硬件外观见图1。

表1 系统硬件参数表

定位标签定位基站光电心率表南京沃旭通讯科技有限公司UT-220-M南京沃旭通讯科技有限公司UA-180O芬兰POLAR博能心率表polarOH1

图1系统核心硬件

3.1.2 系统软件开发。本系统软件主要由感知层、传输层、服务层和显示层四大层级组成。感知层由定位基站、定位标签以及光电心率表组成，主要用于数据的自动采集。定位标签进入基站覆盖范围内时自动登记入网，确定定位标签的配置参数，并将相关信息实时上传。传输层是定位标签、基站、服务器与外部网络之间的传输通道，采用无线或有线的方式传输。服务层由UWB定位引擎、接口软件及系统计算软件等组成。显示层由服务层通过计算后实时显示定位标签以及场地等位置信息。显示层主要通过移动端或PC端来显示。

基于UWB的校园足球运动负荷监测系统软件包括主控界面和定位软件两部分。主控界面由工具栏、菜单栏、标签栏、监控界面和状态栏等组成。定位软件包括了四大模块：数据源设置、系统配置、数据库管理以及网络通讯。软件开发环境主要应用Microsoft VisualStudio.net 10版，采用MySql作为系统数据库，用 VB.NET为软件开发语言完成了定位软件系统的设计。

3.1.3 系统定位原理算法。当已知坐标位置的基站，收到定位标签的UWB信号后，根据基站接收标签的时间信息、角度信息或强度信息等计算标签的实时位置。基站获得UWB信号主要有3类方法：①利用信号飞行时间(TOF)，基站接收定位标签发出的信号到达时间(TOA)，两个基站接收信号到达时间差(TDOA)，获得时间信息；②利用基站接收信号到达强度(RSSI)，获得信号强度信息；③利用基站接收信号到达角度(AOA)，获得角度信息。二维空间定位至少需要2个基站，三维空间定位至少需要3个基站。根据校园足球运动的实际情况，只需要获取运动员在足球场上的二维空间位置信息即可，考虑到足球场地空间宽广，基站工作距离有一定的限制，为了能实现足球场全覆盖，在足球场四周架设6个基站，确保定位标签在足球场范围内能被实时定位。由于在足球场地内属于视距传播，没有障碍物遮挡，本系统采用接收信号到达角度法(AOA)的定位算法来获得定位标签的位置信息。

接收信号到达角度法(AOA)，利用基站接收信号到达角度进行定位[9]，基站全方位感知信号的到达方向，通过信号与基站的相对角度得出定位标签和基站之间的相对方位或相对角度，两条基站与定位标签径向连接线的交点为定位标签的位置坐标。AOA定位的优点是直接测量信号的到达方向角。

在二维空间中，基站坐标为：BS1,(x1,y1),BS2,(x2,y2)，定位标签坐标为：MS(x,y),定位标签发出的信号到BS1、BS2的相对角度分别为θ1、θ2，则定位标签MS与基站BS1、BS2可以确定两条方位线，定位标签的位置坐标在这两条方位线的交点处，二维空间AOA定位原理如图2所示。

3.2系统信度和效度检验

信度和效度是保障研究质量的重要基础，本文有必要对本系统设备采集的数据进行信度和效度检验，以保障研究质量。本系统信度是指系统设备采集数据的可靠程度，它表现为测试结果的一致性、再现性和稳定性。本研究采用组内相关系数(Intra class Correlation Coefficient，ICC)指标来检验信度问题， ICC指标主要反映了两组数据的一致性程度。本系统效度是指系统设备采集数据时所具有的准确程度，主要关注系统设备采集数据与标准数据之间的偏差。本研究采用相对标准值的偏离百分比来检验效度问题。

图2 二维空间AOA定位原理

检验方法是通过采用同一位运动员左右手腕分别佩戴一个定位标签，左右手臂分别佩戴一个光电心率表，另外在胸前佩戴Polar心率胸带(Polar心率胸带的效度已得到广泛的验证[10])的方式进行。将通过左右手腕标签测试距离之间比较以及与标准距离的比较，左右手臂光电心率表采集心率之间比较以及与Polar心率胸带采集的心率进行比较分析检验系统信度和效度问题。鉴于足球运动员在比赛或训练中多数是在变速跑的情况下完成各种动作，为尽可能模拟本系统在变速跑情况下的设备采集数据的稳定性，在测试时要求运动员在足球场上完成“Z”形的40m变速跑动测试，测试的路线见图3。其中A点到B点采用低速跑完成，B点到C点采用高速跑完成，C点到D点采用低速跑完成。测试者为浙江理工大学男子足球队20名运动员，在做好充分的准备活动后进行测试，每名运动员测试1次，测试者信息见表2。

图3 信度和效度测试路径图

测试人数(n)年龄身高(cm)体重(kg)2019.0±1.6175.7±2.172.0±4.7

表3 UWB距离信度测试

表4 心率数据信度测试

表5 UWB距离效度测试

表6 心率效度测试

从表3可以看出在组内相关系数(ICC)上，左腕标签与右腕标签采集的总距离、低速跑动距离、高速跑动距离值在0.90～0.99之间，信度评价为非常好。从表4可以看出在组内相关系数(ICC)上，左臂心率表与右臂心率表采集的最高心率和平均心率均为0.99，信度评价为非常好。从表5可以看出标签采集的总距离、低速跑动距离、高速跑动距离与标准距离的相对标准值偏高百分比在0.2%～0.7%之间，表现出了较高的效度。从表6可以看出光电心率表与Polar心率胸带在最高心率和平均心率的相对标准值偏高百分比在0.4%～0.7%之间，表现出了较高的效度。由此认为本系统设备在不同速度下采集到的距离数据和心率数据拥有较高信度和效度，可以在校园足球运动负荷监测中进行使用。

4 应用分析

足球比赛负荷反映了比赛的需要，是设计科学训练内容的重要参考依据，也是合理安排训练负荷的出发点和落脚点。足球比赛负荷同时也可以反映运动员在比赛中竞技能力的表现情况，在实践中是教练员对球员的比赛表现进行分析和评估的重要内容和依据。本系统在浙江理工大学男子足球队备战2018年浙江省高校校园组A组比赛期间进行了实际应用。浙江理工大学男子足球队在校园足球发展的道路上，秉承“足球是一项运动，更是一种精神”的理念，结合先进运动负荷监测系统，采用科学训练的方法，在2018年11月浙江省高校校园组A组比赛中获得浙江省冠军。现选取2018年9月一场足球教学比赛做案例分析，解析本系统对足球比赛负荷的监测数据。

4.1球员信息与标签绑定

在比赛开始前，根据出场队员名单，完成队员信息与标签及心率表的绑定工作，最终实现手持终端能实时显示每位球员场上位置，如图4。

图4 球员位置实时显示

4.2球员跑动和心率数据分析

本系统能统计球员上场比赛时长、比赛最高心率、整场平均心率、跑动距离、高速跑动距离、冲刺跑动距离、高强度跑平均间歇等数据。在本场教学比赛中10号队员和42号队员最高心率达205次，42号队员全场比赛平均心率为181次，全队平均心率为171次。有研究显示，不同年龄段的青少年系列足球比赛中，平均心率大约在164～171次左右，与成人男子足球运动员的比赛中的平均心率175次基本持平[11]。42号队员在场上位置为右边前卫，参加进攻与防守，比赛负荷较大。上半场全队跑动距离为47 470m，下半场全队跑动距离为45 785m，全场全队跑动距离93 255m，除去守门员的跑动距离外，人均跑动距离在9 000m左右，7号队员本场教学比赛跑动距离最多，达到10 348m。有2名队员在本次教学比赛中跑动距离超过10 000m，有2名队员跑动距离在9 500m以上。成人足球比赛中一名运动员大概要完成10 000～13 000m的跑动距离，浙江理工大学男子足球队跑动距离与成人足球队的跑动距离已相差不多，这说明浙江理工大学男子足球队运动员具有较强的奔跑能力，也是球队重点进行体能强化训练的结果。高速跑动距离和冲刺跑动距离最多者分别是28号队员和10号队员。通过数据统计发现，浙江理工大学男子足球队的中场队员在比赛中跑动距离、跑动次数以及平均心率等排在前列，这与其他学者研究结果相似。中场队员是所有队员中跑动距离最多的，是球队进攻的组织发起者以及防守时重要区域的守护者。在我国青少年足球比赛中，比赛的跑动表现情况并不是影响比赛结果的关键因素，但是从数值上来看，比赛获胜的队伍大多数指标的数值均要高于失利的比赛队伍的数值，特别是在高强度跑指标方面，这可能说明积极的跑动表现对比赛结果也具有积极的重要作用。

5 结 论

基于UWB的校园足球运动负荷监测系统通过量化运动员在比赛过程中的负荷，帮助教练员对训练和比赛过程进行更加精确的控制，进而最大程度的提高运动员的竞技能力和降低运动损伤的风险，同时有助于发现运动员的优势与劣势，为制定训练计划和合理安排技战术训练提供精准的数据反馈依据。另外，在校园足球发展过程中，科学利用运动负荷监测系统，将成为协助校园足球发展的重要手段，为进行大数据分析提供有力的数据支撑。