无线通信技术在公安智能体能训练系统中的应用研究

莫孝琛 贾王晶 郭东振

摘 要：公安院校采用传统方法开展体能训练时，存在训练过程可控性和灵活性不足，以及训练效果反馈延迟等问题。智能体能训练系统更容易满足警务工作和复杂执法环境对警务人员体能的特殊需求。本文提出了一种基于ZigBee无线通信技术的智能化体能训练系统，由主控中心和数据处理模块组成基本构架，包括用于数据信息采集、传输、记录、处理和反馈的硬件设备及软件程序。重点探讨了ZigBee技术应用于本系统的可行性和适用性，结果表明：在复杂环境下有效工作区域的覆盖半径为10m，开放环境下覆盖区域可扩大3倍;系统可实现连续8小时稳定工作时长;数据反馈延时缩短至毫秒量级，试验工况下为150～200ms。研究获得的结果可为提升公安体能训练水平提供一定的参考。

关键词：智能体能训练;公安院校;无线通信技术;ZigBee

中图分类号：TP27  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）02-0013-05

公安院校具有区别于普通院校的特殊性，公安教育除了学习法律法规和警务业务技能之外，还应该重视学生的体能训练。近年来，我国中小学教育中普遍存在着重书本轻体育的现象，这导致公安院校的学生在入学时往往存在身体素质不佳、运动能力欠缺的问题。[1]由于职业性质要求，警察必须具备较强的体能，以应对各种警情状况。[2]公安院校的体育教育是培养公安人才必不可少的基础性环节，为强化对学生的体能训练，改善学生的身体素质，应针对公安院校实际情况进行体能训练系统的构建。目前的体能训练系统通常包含教师训练和智能体能训练两种方式。前者需要教师在现场针对学生设计训练方案，发出指令并监督学生完成训练。[3]这种常规训练方式缺乏灵活性，训练反馈边际模糊，并且会造成人力资源的浪费。由于教师难以同时观测多名学生具体的运动细节，学生在运动中可能出现动作不规范、不到位等问题，可能导致训练效果不佳，甚至在运动中受伤。[4]智能体能训练系统使用智能训练装备对学生的身体状况和运动参数进行监控，并通过对实时监控数据的分析，进行指令的下达、数据的记录与训练计划的调整。采用智能体能训练系统辅助学生进行体能训练，可谓是有百益而无一害。[5]因此，构建一套适合公安院校的智能体能训练系统具有相当的必要性。有鉴于此，本文基于ZigBee无线通信技术，对公安院校的智能体能训练系统进行了设计与功能实现，旨在提高公安院校学生的体能素质，优化学生的训练方式。

1 ZigBee无线通信技术

1.1 ZigBee技术特点

工業、农业、医疗、办公等领域飞速增加的无线接入需求推动了许多无线传输协议的诞生。不同领域数据的特点使其对无线传输协议有着不同的需求。[6]常见的无线传输协议及其特性对比如表1所示。Wi-Fi协议的信息传输速度快、传播距离远、建设成本高，因此常用于网页、视频等对网络速度需求较高并且对成本敏感度较低的应用领域。[7]蓝牙传输速度与传输距离均低于Wi-Fi，而其网络容量大于Wi-Fi，且相较于Wi-Fi具有一定的成本优势，因此常用于移动终端设备间的信息通信。ZigBee协议具有功耗较低、协议简单、成本低廉、传输距离远、网络容量大等优点，然而其网络传输速度较慢，不适用于对时效性要求较高的应用。[8]本文研究的智能体能训练系统对信息传输速率的要求较低，而更注重无线协议的能耗、网络容量与成本因素。因此通过对常见无线通信协议的分析，最终选择ZigBee协议进行智能体能训练系统无线通信设计。ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗无线监控网络协议。IEEE 802.15.4标准对ZigBee协议的物理层与媒体接入控制（MAC）层进行了规范。在物理层定义868MHz/915MHz/2.4GHz三个波段、一系列信道与其对应速率标准进行数据传输。在MAC层定义了同一区域无线信号的通道共享，使用CSMA/CA机制对信标接入进行协调和竞争。ZigBee联盟实现了网络层协议和应用程序接口（API）的标准化，并在此基础上构建了安全层以保护信息安全。

1.2 ZigBee网络与拓扑

典型的ZigBee网络中包含了终端、路由器与协调器三部分。ZigBee终端（ZED）是末端子节点设备，负责实现数据的采集。ZED只能够加入ZigBee网络，并与上层节点通信，并且两个ZED之间的通信需要以上层节点作为媒介。[9]ZigBee路由器（ZR）负责网络维护协助和信息转发，既能作为ZigBee网络中的子节点，又能作为上层节点。[10]ZigBee协调器（ZC）是ZigBee网络的核心，一个ZigBee网络只能包含一个ZC。ZC负责ZigBee网络的维护，信道与信标的确定，安全中心功能等的设计，间接寻址表的绑定，并维持网络中各类设备之间信息传输的通畅。ZigBee网络的初始化由ZC发起。[11]首先，ZC要对节点网络连接进行判断，已经建立连接的节点只能作为子节点。对节点是否为全功能设备（FFD）节点进行判断，并判断FFD节点是否已存在ZC连接。主动扫描，发送信标，并设置扫描期限，如果扫描期限内未检出发送的信标，则判断该FFD不存在ZC连接，此FFD即可作为ZC建立ZigBee网络。然后，对信道进行扫描。[12]信道扫描分为主动扫描和能量扫描。在对信道进行能量扫描后，对能量值进行递增排序，选择能量值符合要求的信道并标注。节点对附近信息进行主动扫描，获取信标帧，并选择最优信道。接下来，ZC为ZigBee网络设置唯一的网络标识符。ZigBee网络的地址模式分为16位短地址与64位拓展地址，短地址是本地的设备标识，而拓展地址由IEEE进行设定。[13]以上步骤即为ZigBee网络的初始化，如图1所示。在完成网络初始化后，只需将各类节点加入网络，即可完成网络的组建。

ZigBee网络的拓扑结构主要分为星型拓扑、树状拓扑、网状拓扑。星型拓扑是最简单的拓扑结构之一，ZC作为星型拓扑的核心节点，而ZR和ZED作为子节点依附于ZC存在。在星型拓扑结构中，任何两个子节点间的通信都必须经由ZC进行转发。在星型拓扑中，ZC的故障可能直接导致整个网络的崩溃，而任何一个子节点的故障都不会对整个网络造成影响。树状拓扑中，ZC作为最顶端的核心节点，与数个ZR节点连接，每个ZR又与数个ZED连接。任意两个ZR之间的通信必须经由ZR或ZC进行信息中转。树状拓扑相较于星型拓扑具有更高的网络容量。网状拓扑结构与树状结构类似，其区别在于相邻ZR间也可直接进行通信。网状拓扑结构具有极高的环境适应能力，其结构更为复杂，而其稳定性与鲁棒性也更高。综合对三种拓扑结构的分析可以看出，对于组网较为复杂、ZED分布较多的智能体能训练系统，网状拓扑结构是最适宜的ZigBee组网结构。

2 公安院校智能体能训练系统构造

2.1 智能体能训练系统架构与硬件设计

智能体能训练系统由主控中心和无线传感器构成。教师训练前应在主控中心进行训练方案的设置，并将无线传感器铺设与训练场地。在训练时，主控中心对传感器进行无线指挥，并对传感器上传的数据进行记录。基于以上功能，智能体能训练系统的架构如图2所示。其中，主控中心负责信息管理、方案生成、网络管理、结果储存等功能。据此将主控中心分为系统设置、数据测试、方案下载、无线组网、信息管理、节点位置等模块。

传感器对训练方案进行ZigBee无线下载，根据训练方案对运动员做出相应指令并记录运动数据。为实现数据采集与数据交换的功能，无线传感器硬件平台搭载微控制器与ZigBee通信模块，结合FLASH数据储存训练，最终使用信号灯对学生做出运动指示。在学生做出相应运动动作后，使用速度传感器对学生的运动时间进行采集和存储。无线传感器硬件分为微控制器、加速度传感器、信号发生器、FLASH储存器、运动数据储存器、ZigBee模块、电源管理模块和拨码开关。微控制器是传感器的核心，为增强系统在多外设情况下的协调性与灵活性，可选择8位RISC微控制器Atmega1218L与ZigBee模块相结合的设计方案。针对无线传输模块，组网便利度、通信协议格式简洁度、传输质量、距离拓展性、使用稳定性与成本都是重要的决定因素。结合以上性质，本文选用将微处理器、射频收发器与输入/输出设备集成的IP-LINK1221-2264嵌入式无线模块。在数据储存器的选择上，应综合考虑易失性、可读写次数、整体成本等多重因素。训练方案储存器对储存空间要求较大，且需要进行多次读取。运动数据储存器应具备较低的易失性，需要进行多次写入，但对储存空间要求较小。结合两种储存器的功能需求，最终FLASH储存器选择串行AT45DB161D，数据储存器选择串行FRAM FM25L256。结合以上重点模块选型，无线传感器的节点电路如图3所示，其中单片机最小系统包含微控制器、电源、复位电路和时钟，加速度传感器型号为MMA7260Q，供电设备为4节干电池。

2.2 智能体能训练系统软件设计

为对智能体能训练系统的软件部分进行设计，首先需要对系统软件前期的可行性色剂进行模块设计。即对各类功能化模块进行测试与参数查验，在测试完成后，保留程序调用接口并进行封装。然后，对系统软件后期的整体架构进行自顶向下设计，在搭建好整体架构后逐级填充封装好的程序，最终进行调试。ZigBee无线传感器节点的软件设计囊括了多节点设备的初始化、训练方案的下载、对传感器数据的采集、训练结果的上传、对主控程序命令的执行等。微控制器运行的具体流程如图4所示。多节点设备的初始化包括对于开关中断、端口、串口、定时器、AT45DB161、FM25L256等诸多零部件的初始化。然后，对串口发送数据进行方案下载。微控制器从FLASH储存器中对方案进行下载与解析，执行相应命令，并对加速度传感器采集到的数据进行打包上传和储存。同时，传感器可以随时依据主控中心的实时命令执行方案的更改、设备的开关等操作。

主控中心计算机端软件使用VC++6.0软件环境与C++语言进行软件设计。由上文可知，主控中心包括信息管理、无线组网等责信息管理、方案生成、网络管理、结果储存等功能，分为系统设置、数据测试、方案下载、无线组网、信息管理、节点位置等模块。使用图形界面设计、数据库管理、串口数据交换等方法对上述模块进行软件功能实现。图形界面设计采用微软基础类引擎进行界面框架生成。创建构造函数为首先调用的全局派生对象，以对句柄进行初始化赋值。然后，调用微软基础类入口函数，将参数赋值到应用程序对象相关句柄。调用成员函数以对文档部分进行初始化，同时声明框架窗口对象，调用窗口对象构造函数。由微软初始类对默认类进行注册，调用成员函数以进行消息处理与空闲处理，完成程序创建。采用Microsoft Access数据库进行数据库管理，使用VC++ ADO进行数据库开发，对数据库进行连接建立、开关、查询、新增、删除、更改等操作。采用Windows API函数，并使用mscomm ActiveX对串口数据交换进行控制。主控中心通过串口对各类模块进行参数配置、信息读取和数据传输。最终构建的主控中心软件平台包含个人信息、方案编辑、方案下载、节点控制等功能，并且可针对学生不同的年龄与年级、身体情況等情况分配不同的方案分组。

3 实验验证与分析

待测的ZigBee智能体能训练系统的主控中心为个人笔记本电脑，实验使用的计算机环境为运行内存16G的64位3.40GHz Intel Xeon CPU E3-1231。分别在行政楼走廊、校内小花园与行政楼前广场对智能体能训练系统进行测试。走廊、花园、广场附近均无高压电线。为对传感器节点进行测试，首先对ZigBee无线通信模块进行性能测试，以验证ZigBee无线通信模块的数据传输效率与可靠性。测试使用1台具有串口的个人笔记本电脑和2个额定电压为3.3V的无线微控制器。首先，使用第一个无线微控制器进行数据包发送，每包10字节，共一千包。然后，使用第二个无线微控制器进行数据包的接收。最后，通过串口与第二个无线微控制器相连接的个人笔记本电脑对接收到的数据进行核验。为避免串口受损，两次数据包的发送之间应具有一定的时间延迟。分别将环境、信号发射与接收距离、丢包情况、数据误传情况和数据接收延时进行记录，结果如表2所示。

表2中的数据结果表明，在不存在遮挡物的情况下，传感器节点不存在丢包情况与误传情况，且数据传输延时较低。但是在存在遮挡物的情况下，传输有效距离大概仅为10米。在对无线传输节点进行测试后，继续对系统整体运行情况进行测试。为十名学生分别安装并设置智能体能训练系统的主控中心和无线传感器，在空旷的操场进行实际体能动作训练，并对节点的超时情况进行扫描。扫描结果如表3所示。

实验结果验证了智能体能训练系统的可行性。使用该系统能够对训练方案进行下载与安装，并实时进行训练指导和数据显示。由表3可知，无线数据传输存在一定的超时情况，但这一现象并不显著，对实际体能训练的影响较小。对智能体能训练系统的数据传输速率、传输距离、传输延时、电压、可持续工作时长等进行实际测量，并与相应指标进行对比。对比结果如表4所示。

由表4可知，本文设计的智能体能训练系统在满足了预期指标要求的基础上，还具备了更远的数据传输距离、更短的传输系统延时、更长的系统工作时长和更广泛的工作湿度范围。并且，在多次8小时不间断的实际测试中，系统运行良好，未出现卡顿、死机、崩溃等情况。其工作湿度的范围为20%至70%，能够满足雨雪天气的教学需要。因此，该基于ZigBee技术的智能体能训练系统具备较好的可行性。

4 结语

无线通信技术的蓬勃发展为体能训练系统的智能化奠定了技术基础。物联网领域常用的ZigBee技术具有成本低、传输范围较远、能量损耗低、网络容量高的特点。有鉴于此，本文采用ZigBee技术对公安院校智能体能训练系统进行了设计与功能实现。在该智能体能训练系统中，主控中心与各无线传感器使用ZigBee无线通信协议进行数据远程传输，可有效解决在常规体能训练过程中反馈不及时、训练过程不可控和缺乏灵活性等问题。通过在不同遮挡环境与传输距离进行系统实际测试，测试结果表明在无干扰情况下系统数据的有效传输距离为30米。在环境遮挡较多的情况下数据有效传输距离约为10米。此外，该智能体能训练系统可持续正常运行8小时以上，基本能够满足公安院校训练的基本需求。不过，该系统仍然存在150～200ms的数据传输延时，这会在一定程度上降低智能体能训练系统无线传感器的精确性，从而对学生的训练体验产生轻微的影响。在今后的工作中，可以通过对计时器及其芯片的改进，进一步提升计时精度，以改善教学体验，从而有效提高体能训练效率与水平。

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