吳彥文，舒武靜，王貴才

（華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079）

1 引言

為保證運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果，需要控制其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與能耗。過低的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與能耗，不利于運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的提高；而過度的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與能耗，將可能影響運(yùn)動(dòng)員的身體，如姜傳銀指出，大強(qiáng)度訓(xùn)練將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員短時(shí)間內(nèi)免疫力下降［1］?？梢?，對(duì)運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、定量了解運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度［1］是十分必要的。

目前，運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的定量測(cè)量方法是使用能耗監(jiān)測(cè)儀，如國(guó)家體育科學(xué)研究所和北京中新惠爾健康科技有限公司研發(fā)的康動(dòng)牌FitPod系列運(yùn)動(dòng)能量檢測(cè)儀、飛利浦開發(fā)的袖珍塑料裝置Directlife等。該類設(shè)備使用時(shí)佩戴在運(yùn)動(dòng)員身上，讀取數(shù)據(jù)時(shí)通過數(shù)據(jù)線將設(shè)備與電腦連接?？梢姡擃愒O(shè)備由于需要有線傳輸方式，無法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的目標(biāo)。

隨著短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)牙、Zigbee、RFID等技術(shù)逐漸滲透到人們的生活中，這些技術(shù)使得運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)化、無線化采集成為了可能。例如，史兵等［2］設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度、PH值等參數(shù)的無線化采集，但采集的數(shù)據(jù)量少且實(shí)時(shí)性不高。而對(duì)于冷鏈控制中追溯食品來源及質(zhì)量、產(chǎn)品溫度記錄、倉(cāng)儲(chǔ)與運(yùn)輸管理等數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，而且在關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)讀取實(shí)時(shí)性高的要求下，汪庭滿等［3］則采用了無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）來實(shí)現(xiàn)物流溫度監(jiān)控。借鑒以上類似的研究成果，我們認(rèn)為無線實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)能耗采集是可行的。為此，針對(duì)運(yùn)動(dòng)能耗采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，本文利用RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一款運(yùn)動(dòng)能耗信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以唯一識(shí)別運(yùn)動(dòng)員并實(shí)時(shí)傳輸其運(yùn)動(dòng)量數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)能耗采集設(shè)備根據(jù)能耗測(cè)量理論進(jìn)行人體能耗的估算，再將估算的結(jié)果傳送至上位機(jī)進(jìn)行分析、可視化顯示等。

2 工作原理

射頻識(shí)別技術(shù)是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別是閱讀器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［4］，其基本原理如圖1所示。

Figure 1 RFID system圖1 射頻識(shí)別系統(tǒng)

本能耗測(cè)量系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)傳輸運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能耗信息。其運(yùn)動(dòng)能耗采集設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)模塊、射頻模擬前端單元、基帶控制器單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元和電源單元等部分。上位機(jī)部分包括閱讀器和計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的可視化分析。其系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。其中，運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)模塊用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的三個(gè)維度的加速度，射頻模擬前端單元完成對(duì)傳輸信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，基帶控制器單元負(fù)責(zé)完成通信協(xié)議的處理、抗沖突、安全認(rèn)證、CRC碼校驗(yàn)和收發(fā)控制等工作，時(shí)鐘電路為基帶控制器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘，電源單元對(duì)各模塊提供所需工作電源。

Figure 2 Overall framework of energy expenditure measurement system圖2 運(yùn)動(dòng)能耗測(cè)量系統(tǒng)總體框圖

3 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

如今能量的消耗成為評(píng)估人體運(yùn)動(dòng)量的一種客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。早在1960年Brouha就首先提出了人體運(yùn)動(dòng)加速度絕對(duì)值對(duì)時(shí)間的積分與人體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量之間有較好的線性關(guān)系［5］。Meijer和Westerterp等人進(jìn)行試驗(yàn)研究證實(shí)了加速度計(jì)輸出與運(yùn)動(dòng)能耗之間的關(guān)系如式（1）［6］所示。本研究采用三維加速度傳感器測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)各維度的加速度，并通過能耗估算公式估算人體能量消耗，如式（2）所示［7］，即人體能量消耗與加速度絕對(duì)值對(duì)時(shí)間積分呈線性關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)通過三維加速度傳感器檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)維度的加速度，通過加速度對(duì)時(shí)間的積分估算運(yùn)動(dòng)能量消耗。本系統(tǒng)采用加速度傳感器ADXL345，啟動(dòng)時(shí)，器件進(jìn)行調(diào)整，將X、Y、Z方向的偏移量存入偏移寄存器中，采樣點(diǎn)存入DATAX、DATAY和DATAZ寄存器。置時(shí)鐘線為高位，通知控制器開始接收數(shù)據(jù)。外圍電路中，采用精密穩(wěn)壓源改變電壓基準(zhǔn)值來減小X、Y、Z軸方向的0g偏移量。其外圍電路如圖3所示。

3.2 射頻模擬前端設(shè)計(jì)

射頻模擬前端的設(shè)計(jì)主要包括上電復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)制反射電路、解調(diào)器電路等。EPC Class1Generation 2規(guī)定下行鏈路采用 DSBASK、SSB－ASK 或PR－ASK 調(diào)制，而上行鏈路采用ASK調(diào)制或PSK調(diào)制［8］。

Figure 3 Circuit of the tri－axial acceleration sensor圖3 三維加速度傳感器外圍電路

調(diào)制反射電路將返回的基帶信號(hào)通過調(diào)制電路，并通過改變芯片自身阻抗來改變天線的反射系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制完成上行鏈路數(shù)據(jù)的傳輸。調(diào)制電路以MC74HC4066D鍵控開關(guān)為核心，原理圖如圖4所示。

Figure 4 Modulation circuit module圖4 調(diào)制電路模塊

解調(diào)器的作用是將基帶信號(hào)的包絡(luò)從載頻上提取出來，并恢復(fù)出原始的數(shù)字信號(hào)。解調(diào)電路的設(shè)計(jì)要考慮包絡(luò)檢波的靈敏度、比較器的遲滯性和靈敏度，其中包絡(luò)檢波的靈敏度即對(duì)接收的射頻信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波的最小功率范圍。解調(diào)器由包絡(luò)檢波電路、低通濾波器、電壓跟隨電路和比較電路組成，其電路原理圖如圖5所示。

時(shí)鐘電路應(yīng)包括時(shí)鐘校準(zhǔn)時(shí)能模塊、計(jì)數(shù)器、逐次逼近計(jì)數(shù)器、振蕩器和頻率選擇模塊。

3.3 基帶控制器設(shè)計(jì)

基帶控制器的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)FMO編碼、PIE解碼、CRC編碼、CRC校驗(yàn)及控制器的設(shè)計(jì)，其中控制器采用MSP430p149單片機(jī)進(jìn)行控制。PIE解碼是將脈沖間隔編碼的數(shù)據(jù)解碼成可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。PIE解碼電路原理圖如圖6所示［9］。

FMO編碼，即雙向間隔碼編碼，其原理是一個(gè)位窗內(nèi)采用電平變化來表示邏輯，如果電平從位窗的起始處翻轉(zhuǎn)表示邏輯1，如果電平除了在位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，還在位窗的中間翻轉(zhuǎn)則表示為邏輯0。FMO編碼電路由兩個(gè)DFF及少量門電路組成，電路輸入1MHz的時(shí)鐘2CP，經(jīng)DFF二分頻后得到CP，CP頻率為512KHz。FMO編碼電路原理如圖7所示。

Figure 7 FMO coding circuit module圖7 FMO編碼電路模塊

4 主要軟件設(shè)計(jì)

本研究中的控制器采用的是TI公司的MSP430系列單片機(jī)，其軟件部分在MSP430 MCU的IAR集成環(huán)境下采用C語言來及模塊化編程思想實(shí)現(xiàn)［10］。

4.1 數(shù)據(jù)采集及處理

ADXL345內(nèi)部采用SPI通信方式，通過設(shè)置DATA＿FORMAT中的D7和D6位選擇FIFO模式，并完成DATAX、DATAY、DATAZ寄存器及存儲(chǔ)在FIFO中的數(shù)據(jù)的讀取工作。通過中斷方式完成外部數(shù)據(jù)的采集，其中斷子程序流程及相應(yīng)程序如圖8所示。

Figure 8 Interrupt subroutine flow chart圖8 中斷子程序流程圖

其讀出ADXL345中地址范圍為0x32～0x37存儲(chǔ)的加速度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，關(guān)鍵代碼如下：

for（i＝0；i＜6；i＋＋）

｛

BUF［i］＝readIbyte（）；／＊BUF［0］存儲(chǔ)0x32地址中的數(shù)據(jù)＊／

if（i＝＝5）

nack（）；

else

ack（）；

｝

stop（）； ／／停止信號(hào)

delayus（100）；

數(shù)據(jù)處理流程主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)做有效處理，如圖9所示，它通過多次測(cè)量來更新采樣數(shù)據(jù)。如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則將最新的采樣結(jié)果RESULT移入NEW 中存儲(chǔ)，否則NEW保持不變。

數(shù)據(jù)處理步驟的關(guān)鍵代碼如下：

int COUNTER；

double NEWFIXED，RESULT，NEW，OLD；

for（COUNTER＝0；COUNTER＜50；COUNTER ＋＋）

RESULT＋＝BUF［0］；

RESULT＝RESULT／COUNTER；

if（｜RESULT－NEWFIXED｜＞3.9）

｛NEW→OLD；

RESULT→NEW；

｝

Figure 9 Data processing flow chart圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖

else

｛

NEW→OLD；

NEW→NEW；

｝

運(yùn)動(dòng)能耗采集設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)能耗公式得出能量消耗，其關(guān)鍵代碼如下：

float F（float a1，float a2，float u）

｛

EE0＋＝umg＊（a2－a1）／4；

for（；SCL＝1；）

｛

a1＝OLD；

a2＝NEW；

EEx＝F（a1，a2，u）／4.18；

｝

return EE0；

｝

EE＝F（ax1，ax2，u1）＋F（ay1，ay2，u2）＋F（az1，az2，1）；

4.2 上位機(jī)顯示

運(yùn)動(dòng)能耗采集設(shè)備利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗計(jì)算，并將運(yùn)動(dòng)中所消耗的能量傳至上位機(jī)可視化顯示，其上位機(jī)顯示如圖10所示。

本頁面主要顯示有運(yùn)動(dòng)能耗情況、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度情況和歷史數(shù)據(jù)的查詢。通過運(yùn)動(dòng)能耗頁面可以了解運(yùn)動(dòng)員在該次運(yùn)動(dòng)中所累計(jì)消耗能量的情況；在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度頁面不僅可以查看運(yùn)動(dòng)員在本次運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度還是高強(qiáng)度，還可以查看本次運(yùn)動(dòng)后結(jié)合教練的指導(dǎo)給出的建議；在歷史數(shù)據(jù)查詢頁面可以查詢以往運(yùn)動(dòng)所消耗的能量情況以及給出的歷史建議等。

Figure 10 Visual display of energy consumption圖10 能耗可視化顯示

5 結(jié)束語

本研究基于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISO18000C設(shè)計(jì)了一款運(yùn)動(dòng)能耗信息采集系統(tǒng)，文中詳細(xì)闡述了運(yùn)動(dòng)能耗檢測(cè)、射頻模擬前端、基帶控制器等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。ADXL345作為信息采集的核心部件，通過設(shè)定速率代碼可以選擇相應(yīng)的輸出速率，以及選擇分辨率來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本研究后續(xù)將對(duì)無線充電進(jìn)行深入研究，以期能夠長(zhǎng)時(shí)間不間斷地檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)消耗。

眾多相關(guān)調(diào)查研究顯示，缺乏鍛煉極易導(dǎo)致能量代謝失衡，而能量代謝失衡是導(dǎo)致慢性代謝疾病的一個(gè)重要原因。因此，本系統(tǒng)稍加改進(jìn)還可以用于測(cè)量人們?nèi)粘Ｉ钪械哪芰肯?，督促人們?jīng)常鍛煉來保持身體健康。

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