基于无线传感技术的体能训练强度自动分配控制器的设计

巩 博， 陆 洲， 马 涛

（空军军医大学， 陕西 西安 710000）

0 引 言

运动员体能素质的提升以及体质的增强，是长期训练的积累。体能训练强度对体能训练效果影响巨大[1-3]，体能训练强度过小，无法提升运动员的训练效果；体能训练强度过大，超出人体的生理负荷限制，无法实现体质增强的目的，且会对人体的健康造成一定影响。实时监测运动员的生理指标[4-6]，利用生理指标监测结果评估运动员的体能训练负荷，可为科学制定体能训练计划、分配体能训练强度提供有效的科学依据。采集运动员心率信号的传感器具有价格低廉、结构简单的优势[7]。无线传感技术目前已经广泛应用于目标识别、环境监测等众多领域中，将采集运动员心率信号的传感器作为无线传感网络的节点[8]，构建心率信号传输的无线传感网络。无线传感网络中的传感器节点定位性能极为重要，节点定位精度是衡量无线传感技术应用性能的重要指标。

体能训练强度自动分配控制器在体育训练领域已经被广泛应用，而众多研究学者已针对体育训练强度的分配控制进行研究。赵蕾等人将数据挖掘技术应用于体育训练模式的训练强度研究中，利用数据挖掘技术充分挖掘对体育训练水平存在影响的众多参数，利用数据挖掘结果分配运动员的体育训练强度，调整运动员的体育训练模式，提升运动员的体育训练水平[9]；梁美富等人预测运动员力量训练时的最佳功率负荷，依据运动员力量训练的最佳功率负荷为运动员分配体育训练强度[10]。以上方法虽然可以应用于运动员体育训练强度分配中，但是存在参数设置过于复杂以及所采集的运动员生理数据与实际生理数据偏差过大的问题，影响体育训练强度分配结果。本文针对体育训练强度自动分配控制器实际应用中存在的问题，设计一种基于无线传感技术的体能训练强度自动分配控制器。将传感器布置于运动员的身体上，利用心率传感器采集运动员运动过程中的心率数据，利用无线传感技术实现传感器所采集数据的高效传输，依据心率数据采集结果实现体能训练强度的自动分配控制。体能训练强度自动分配控制器可以为运动员的体育训练提供科学的训练依据，是提升运动员训练水平的重要途径。通过实验验证，所研究控制器可以实现体能训练强度的自动分配控制，操作简便，对运动员体能训练水平的提升幅度明显。

1 体能训练强度自动分配控制器

1.1 采集运动员体育训练生理参数的无线传感网络

无线传感网络可以实现运动员体能训练过程中心率等生理数据的采集与传输。无线传感网络将传感器节点设置于监测区域内，传感器节点之间通过传输链路实现对运动员心率的远程实时监控。无线传感网络中，传感器节点的硬件设置如图1 所示。

图1 传感器节点硬件结构图

电源模块是为无线传感网络中的传感器节点供电的重要模块，为传感器的持续工作提供支撑。数据采集模块主要包括传感器节点以及A/D 转换器，利用数据处理单元对传感器节点采集的心率数据进行处理与存储[11]。数据处理模块以AR65854 单片机作为核心处理器，该单片机具有数据处理速度快以及功耗低的优势。无线传感网络的通信结构图如图2 所示。

图2 无线传感网络通信结构图

通过图2 无线传感网络通信结构图可以看出，无线传感网络利用节点操作单元、心率数据采集程序、底层驱动程序等部分[12]，实现传感器节点的高效通信。为了实现无线传感网络的高效通信，通信协议的设置极为重要，通信协议的选择决定了无线传感网络的通信性能。无线通信网络的通信协议体系结构如图3 所示。通过图3 可以看出，无线传感网络利用数据链路层、物理层、应用层和网络层的通信协议，实现运动员心率数据的高效传输。利用网络管理模块实现无线传感网络拓扑结构、能量以及通信安全的高效管理[13]。利用传感器节点采集运动员体能训练过程中的心率数据。将传感器节点采集的运动员心率数据传送至无线传感网络的通信基站中，通信基站利用内部管理软件采集和处理所采集的运动员心率数据。

图3 无线传感网络通信协议体系结构

1.2 无线传感网络的传感器节点三维定位方法

设无线传感网络的传感器节点存在于三维空间中，用(x,y,z)表示无线传感网络的未知节点坐标，用(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，…，(xn,yn,zn)表示无线传感网络的锚节点坐标。用d1，d2，…，dn表示无线传感网络中的未知节点与锚节点间的距离，其表达式如下：

无线传感网络节点定位的目标函数表达式如下：

本文利用多维标度法定位传感器节点的原始坐标。多维标度法依据测距技术确定无线传感网络中各节点的距离，依据节点间的距离构建距离矩阵D。设无线传感网络中包含的传感器节点数量为n，传感器节点i与传感器节点j间的距离用dij表示，构建距离矩阵D表达式如下：

Xi与X=(X1,X2,…,Xn)T分别表示传感器节点的求解坐标以及全部节点的求解坐标，将XXT利用式（4）表示如下：

利用奇异值将XXT划分为VΛVT类型，Λ与V分别表示对角线矩阵以及正交矩阵。无线传感网络的u维主轴坐标表达式如下：

式中Xu表示无线传感网络的相对坐标系。

利用以上公式获取无线传感网络局部相对坐标系的坐标矩阵X，实现无线传感网络的传感器节点的精准定位，提升无线传感网络的通信水平。

1.3 体能训练强度自动分配控制器

利用运动员的训练负荷表示体能训练的训练量，固定时间内的体能训练量称为运动员的训练强度。运动员体能训练时，教练需要依据运动员的实际状况合理安排训练强度。将体能训练前后运动员的心率变化作为运动员体能训练强度的分配依据，选取心率作为体能训练强度自动分配的生理指标，心率可以体现运动员在体能训练时的心跳变化，利用卡氏公式确定运动员体能训练的目标心跳。卡氏公式可以明确人体的心输出量和摄氧量与人体心率之间的函数关系。依据运动员的体能基础，确定运动员处于最佳训练状态时，即心率输出量和摄氧量均为最大时的相应心率。通过运动员的心率数据采集结果，判断运动员的训练量是否为最佳。利用卡氏公式确定运动员体能训练目标心率的表达式如下：

式中：hmax与hJ分别表示运动员的最大心率以及安静时的心率；G表示训练强度等级。运动员的训练强度等级依据运动员的训练计划调整，训练强度等级设置区间为55%～90%。

基于无线传感网络设计的体能训练强度自动分配控制器结构图如图4 所示。

图4 体能训练强度自动分配控制器结构图

由图4 的体能训练强度自动分配控制器可以看出，利用传感器节点采集运动员体能训练过程中的心率数据，利用无线传感网络，依据固定的通信协议实现采集数据的无线传输，保障心率数据传输的完整性以及高效性。体能训练强度自动分配控制器的命令与控制模块依据PLC 控制器的逻辑设置，完成体能训练强度的自动分配控制。选取型号为PLC16F526 的微控制芯片作为体能训练强度自动分配的控制器，该芯片内部集成了RAM 和ROM，具有高效的控制性能。利用图4 的命令与控制模块、数据锁存器、数据输出端口等众多模块的配合，完成体能训练强度自动分配控制的数据刷新、模块复位、心率数据信息写入、心率数据处理等操作命令。PLC 控制器可以同时执行多条体能训练强度的自动分配命令的控制，利用并行控制性能提升控制指令的控制效率，实现PLC 输出数据的实时刷新。控制器内部依据所设定的体能训练强度自动分配命令，完成数据处理，并将数据处理结果利用控制器传送至FPGA 总控制器，传送体能训练强度自动分配控制请求，总控制器接收体能训练强度自动分配的数据读出请求后，将读脉冲命令传送至PLC 控制芯片，PLC 控制芯片依据数据的读脉冲命令下发体能训练强度自动分配结果，将体能训练强度自动分配结果传送至显示界面的相应运动员分配界面中。

2 实验分析

为了验证所研究的体能训练强度自动分配控制器对运动员体能训练强度的自动分配控制的有效性，选取某体育院校2019 届运动员作为研究对象，利用MAX30102 心率传感器采集运动员体能训练过程中的心率等生理数据。该传感器利用包含心率算法的微控制器，实时输出运动员体能训练的心率数值。

搭建大小为210 m×210 m 的无线传感网络，该传感器节点的感知半径和通信半径分别为10 m 和20 m，共包含20 个传感器节点。无线传感网络拓扑结构如图5所示。

图5 无线传感网络拓扑结构

为了验证采集的运动员生理数据的无线传感器节点的精度，本文方法利用多维标度法对无线传感网络中的传感器节点进行定位。

从无线传感网络中随机选取10 个节点，本文方法对传感器节点的定位结果与实际传感器节点位置对比结果如表1 所示。通过表1 实验结果可以看出，本文方法可以精准定位无线传感网络中运动员心率数据的传感器节点位置。无线传感网络的传感器节点定位精度越高，表明其通信性能可靠性越高。本文方法利用精准的心率传感器节点定位结果，来提升运动员心率数据的无线传感网络的通信可靠性。

表1 无线传感网络节点定位结果

对该校长跑专业的运动员心率数据进行采集，令运动员在30 min 内完成4 000 m 的体能训练。运动员体能训练前与体能训练过程中的最大心率采集结果如图6 所示。通过图6 实验结果可以看出，本文方法可以有效利用无线传感网络来采集运动员体能训练前与训练中的心率数据。采用本文方法采集的运动员心率数据与运动员实际心率数据相差极小，验证了该方法具有较好的运动员心率采集性能。本文方法利用精准的运动员心率采集性能，为体能训练强度的自动分配控制提供数据基础。

图6 运动员心率采集结果

依据运动员的心率采集结果，利用卡氏公式确定运动员的目标心率，目标心率确定结果如图7 所示。通过

图7 目标心率确定结果

由图7 实验结果可以看出，本文方法可以利用卡氏公式，依据运动员体能训练过程中的心率变化，制定可以获取最佳体能训练效果的目标心率。依据所确定的运动员体能训练的目标心率，运动员可以通过最佳的体能训练强度获得最佳的训练效果，以快速提升运动员的运动训练水平。

依据所采集的运动员心率数据，采用本文方法确定运动员具有最佳体能训练强度的心率。采用本文方法控制运动员体能训练强度的自动分配，体能训练强度分配控制结果如图8 所示。

图8 体能训练强度自动分配控制结果

通过图8 实验结果可以看出，本文方法可以依据运动员的心率变化控制运动员体能训练强度的自动分配，验证该方法可以实现体能训练强度自动分配的有效控制。心率是判断运动员训练量大小的重要指标，运动员体能训练强度可以通过心率体现。本文方法可以依据所采集的运动员心率为运动员制定合理的体能训练强度，验证该方法可以作为运动员体能训练规划与管理的重要依据。

采用本文方法控制体能训练强度自动分配以及未采用本文方法控制体能强度自动分配时，运动员的外部表征变化结果如表2 所示。

表2 运动员外部表征

通过表2 实验结果可以看出，采用本文方法控制体能训练强度的自动分配，运动员呼吸加重且有节律，出现明显的出汗情况，自我感觉疲劳程度适中，外部表证良好。而运动员3 经过体能训练后，自我感觉不累，表明运动员3 的体能训练强度过低，则无法获取理想的体能训练效果；运动员4 经过体能训练后，感觉极度疲劳，脸色苍白，表明该运动员的体能训练强度过高。运动员长期以较高的体能训练强度训练，会对身体造成明显影响，不利于运动员长期发展。未采用本文方法控制体能训练强度自动分配时，运动员出现极度疲劳或感觉不到疲劳的情况，体能训练效果不理想。

实验结果验证，采用本文方法控制体能训练强度自动分配，运动员可以获取理想的体能训练结果，运动员的训练成绩也明显得到提升。依据心率变化结果，训练管理人员可以决定体能训练的调整方向，依据最佳训练量的分配控制制定科学的训练计划，利用科学的训练强度进行调整，提高训练水平。

3 结 论

人体生理参数是体现体能训练效果的重要途径。本文利用传感器采集运动员体能训练过程中的生理参数，利用无线传感网络实现传感器所采集生理参数的高效传输。依据生理参数采集结果，通过所设计的自动分配控制器完成体能训练强度的自动分配控制。通过实验验证，所设计控制器可以针对不同运动员自动分配体能训练强度，利用体能训练强度分配控制结果提升运动员的身体素质以及训练水平。

注：本文通讯作者为马涛。