王合霞，王　勇，唐　亮

(中國石油大學(xué)(北京) 體育部，北京　102249)

?

游泳項(xiàng)目電子訓(xùn)練誘導(dǎo)儀的研制與運(yùn)用研究

王合霞，王勇，唐亮

(中國石油大學(xué)(北京) 體育部，北京102249)

針對傳統(tǒng)游泳訓(xùn)練中，運(yùn)動(dòng)員對游泳節(jié)奏和強(qiáng)度把握不準(zhǔn)的問題，設(shè)計(jì)了一種無線便捷游泳訓(xùn)練速度誘導(dǎo)器。通過該誘導(dǎo)器手持設(shè)備的輸入鍵盤,教練根據(jù)運(yùn)動(dòng)員體能及訓(xùn)練需要，自主設(shè)定各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)，并通過手持設(shè)備上的無線發(fā)送模塊將命令傳輸給控制器；控制器部分上的無線接收模塊接收指令后由單片機(jī)進(jìn)行處理，然后通過數(shù)據(jù)線將控制信號傳給LED燈帶，實(shí)現(xiàn)對多路燈帶亮燈速及間歇時(shí)間的控制，完成對多個(gè)游泳運(yùn)動(dòng)員游速的有效誘導(dǎo)。該誘導(dǎo)器不僅操作簡單，而且對運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練興趣和訓(xùn)練效率都起到積極作用，可以很好地提高游泳訓(xùn)練的科學(xué)性。

游泳訓(xùn)練；速度；誘導(dǎo)儀 ；LED燈帶

隨著體育運(yùn)動(dòng)發(fā)展的現(xiàn)代化、社會(huì)化、國際化，科學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代體育的發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用，金牌之爭的背后是體育科技之爭，電子技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展促使電子訓(xùn)練儀器在體育訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，電子儀器也由此引起了訓(xùn)練手段、訓(xùn)練方法的革新，國際體壇的競爭也越來越大程度上取決于先進(jìn)訓(xùn)練儀器的運(yùn)用，因此，在科學(xué)的現(xiàn)代訓(xùn)練中，先進(jìn)訓(xùn)練儀器的運(yùn)用將會(huì)對訓(xùn)練結(jié)果的提升起到至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)代高水平競技游泳比賽中，只有控制好泳速才能較好地發(fā)揮競技水平，才能獲得優(yōu)異的成績。在現(xiàn)代科學(xué)的游泳訓(xùn)練中，游泳運(yùn)動(dòng)員更加注意游程中體力的正確分配，更加注意按規(guī)定游速游進(jìn)的能力。

在實(shí)際的游泳訓(xùn)練中，常用的方法是教練在岸邊呼喊節(jié)奏的方式，游泳者在水中很難聽到教練員在岸上的關(guān)于速度的聲音提示，只能等到運(yùn)動(dòng)員到岸后教練員再給以提示，這樣不但效果差，而且運(yùn)動(dòng)員很難掌控，需要進(jìn)行大量的重復(fù)性的訓(xùn)練，造成訓(xùn)練效率低下。針對此種情況，為了使游泳訓(xùn)練更加科學(xué)化，根據(jù)教練員的實(shí)際需要，在此設(shè)計(jì)出一種游泳訓(xùn)練速度誘導(dǎo)儀，可以讓教練員和運(yùn)動(dòng)員清晰感知游速的快慢及節(jié)湊的強(qiáng)度，以輔助教練員對運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)有效的訓(xùn)練。該儀器主要有手持設(shè)備、控制器、水下LED燈帶3部分組成。通過無線傳輸技術(shù)控制改變水下燈帶亮燈的快慢，以達(dá)到誘導(dǎo)的目的，此儀器操作方便，教練員可根據(jù)訓(xùn)練需要，通過手持設(shè)備自主設(shè)定此設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)，進(jìn)行分段、間歇等訓(xùn)練內(nèi)容。可對6位運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行誘導(dǎo)訓(xùn)練，極大改善游泳訓(xùn)練的效率，提高游泳訓(xùn)練的科學(xué)性。

1　速度誘導(dǎo)儀設(shè)計(jì)原理

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件的防水、穩(wěn)定性能得到極大地改善，且其模塊化的設(shè)計(jì)在應(yīng)用中更加便利，這為我們設(shè)計(jì)游泳訓(xùn)練速度誘導(dǎo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，在充分了解國家游泳隊(duì)體能參數(shù)及部分省隊(duì)教練員訓(xùn)練需求的基礎(chǔ)上，并結(jié)合現(xiàn)代游泳理論研究成果，我們以技術(shù)和操作應(yīng)用兩方面為出發(fā)點(diǎn)，在考慮游泳訓(xùn)練場地大小及多水環(huán)境下，采用最新的無線傳輸技術(shù)和性能穩(wěn)定的單片機(jī)控制技術(shù)，將設(shè)備分為3大部分:手持設(shè)備(鍵盤、單片機(jī)控制系統(tǒng)、液晶顯示屏、無線模塊);控制器(單片機(jī)控制系統(tǒng)、無線模塊、溫度傳感器、語音播報(bào)模塊);LED發(fā)光燈帶(LED驅(qū)動(dòng)電路、LED燈)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示：

圖1　無線便捷游泳訓(xùn)練誘導(dǎo)器方案框圖

其工作原理:首先，通過該速度誘導(dǎo)第一模塊手持設(shè)備的輸入鍵盤，教練員可輸入各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)，輸入完成后手持設(shè)備上的無線發(fā)送模塊會(huì)自動(dòng)將命令傳輸給第二模塊控制器部分。其次，控制器部分上的無線接收模塊接收指令后由單片機(jī)進(jìn)行處理，然后通過數(shù)據(jù)線將控制信號傳給第三部分LED燈帶。最后，第三模塊由多個(gè)lED燈組成的燈帶依次接受控制信號并發(fā)光，實(shí)現(xiàn)多路燈帶按設(shè)定的速度亮燈，完成對游泳運(yùn)動(dòng)員游速的有效誘導(dǎo)。

各個(gè)模塊主要組成部分及功能：模塊1 手持設(shè)備主要有鍵盤、單片機(jī)處理芯片、無線發(fā)射模塊、液晶顯示屏組成；鍵盤作用是輸入各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)，單片機(jī)處理芯片作用是將各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)傳輸給液晶顯示屏顯示出來，并將各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)傳輸給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊將各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)指令發(fā)送模塊2可編程控制器；

模塊2可編程控制器主要有無線接收模塊、蜂鳴器、溫度傳感器、可編程控制器。無線接收模塊作用是接收手持設(shè)備發(fā)送的各項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容參數(shù)指令，可編程控制器對無線模塊接受到的指令進(jìn)行處理并將相關(guān)指令信號傳輸給LED驅(qū)動(dòng)。溫度傳感器作用是采集泳池內(nèi)水的溫度，并通過液晶屏顯示，蜂鳴器主要起到語音播報(bào)作用是提示運(yùn)動(dòng)員進(jìn)入訓(xùn)練狀態(tài)。

模塊3水下LED發(fā)光燈帶主要有驅(qū)動(dòng)電路和LED燈組成，驅(qū)動(dòng)電路主要作用接受控制的信號并驅(qū)動(dòng)多路LED安設(shè)定序列發(fā)光。讓運(yùn)動(dòng)員通過視覺可以直觀清晰地感知亮燈誘導(dǎo)的速度的節(jié)湊。

2　誘導(dǎo)儀硬件實(shí)現(xiàn)

2.1手持設(shè)備

手持設(shè)備主要有鍵盤、液晶屏、無線發(fā)射模塊部分組成。通過手持設(shè)備教練員可遠(yuǎn)距離自主設(shè)定訓(xùn)練內(nèi)容，其設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2　手持設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、晶體振蕩電路、串口通信電平轉(zhuǎn)換電路、擴(kuò)展插針接口構(gòu)成。單片機(jī)控制系統(tǒng)的具體電路及信號傳輸如附圖3所示。

短距離無線收發(fā)模塊包括無線發(fā)射器和無線接收器兩部分組成，其通信的基本原理是發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后，進(jìn)行處理，得到正確的、經(jīng)過檢驗(yàn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。該模塊的通信示意圖如圖4所示。

考慮從到游泳池的大小。我們選用CC1101-232無線發(fā)射接受模塊。CCl101集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500 kb/s，。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達(dá)到+10 dBm，且接收靈敏度可達(dá)110 dBm，抗干擾能力強(qiáng)，功耗較低，能夠很好滿足游泳訓(xùn)練數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

圖3　單片機(jī)的系統(tǒng)框圖

圖4　模塊的通信示意圖

圖5　CC1101無線模塊實(shí)物圖

2.2可編程控制器

可編程控制器主要由SCT89C52單片機(jī)系統(tǒng)、CC1101無線模塊、溫度傳感器(DS18B20)、語音播報(bào)電路、LED驅(qū)動(dòng)控制電路構(gòu)成。起到接收處理訓(xùn)練指令的作用，并輸出一定時(shí)序的控制信號傳送水下燈帶。可編程控制器組成電路框圖如圖6所示。

圖6　可編程控制器組成電路框圖

可編程控制器接收到手持設(shè)備輸入的訓(xùn)練信號后，判斷相應(yīng)的工作模式，控制LED燈帶相應(yīng)的燈依次亮滅，并將采集到的水的溫度實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)在訓(xùn)練員間歇及訓(xùn)練完成時(shí)，蜂鳴器給予必要的聲音提示?？删幊炭刂破魉惴鞒虉D如圖7所示。

圖7　可編程控制器算法流程圖

2.3LED燈帶

LED燈帶主要由多個(gè)LED燈組成，每個(gè)LED燈為作為最小的控制單元并按設(shè)計(jì)好的線路接收控制器輸出的控制信號，實(shí)現(xiàn)單個(gè)LED燈導(dǎo)通發(fā)光。LED燈帶LED燈帶采用ucs1908驅(qū)動(dòng)芯片級聯(lián)方式控制5050燈珠亮滅。LED燈帶共有6通道，單通道長度為50米?？蓾M足6個(gè)運(yùn)動(dòng)員同時(shí)訓(xùn)練的需要。單段LED燈帶的實(shí)物圖如圖8所示。

圖8　LED燈帶實(shí)物圖

3　誘導(dǎo)儀功能測試

經(jīng)初步測試，速度誘導(dǎo)儀的功能顯示界面如圖9、圖10所示。日常游泳訓(xùn)練中，該設(shè)計(jì)為游泳教練提供最基本的以下4種訓(xùn)練模式。同時(shí)教練員也可根基訓(xùn)練需要自主設(shè)定訓(xùn)練模式。

圖9　主界面顯示圖

圖10　功能選擇界面圖

模式一為往返無間歇?jiǎng)蛩儆?xùn)練狀態(tài)。 根據(jù)游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通電源后，通過手持設(shè)備設(shè)定本次訓(xùn)練內(nèi)容，如：設(shè)定1 500米速度誘導(dǎo)，總時(shí)間設(shè)定游速15分鐘勻速完成(距離 時(shí)間可根據(jù)需要設(shè)定)。設(shè)定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時(shí)間開始熄滅至初始端，完成一個(gè)往返的速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。計(jì)數(shù)器記下往返數(shù)1并顯示，如此勻速循環(huán)之至達(dá)到1 500米15分鐘結(jié)束，完成一組速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。

模式二為往返有間歇?jiǎng)蛩儆?xùn)練狀態(tài)。根據(jù)游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通電源后，通過手持設(shè)備設(shè)定本次游泳訓(xùn)練內(nèi)容,如設(shè)定10個(gè)100米，每個(gè)100米設(shè)定游速1分鐘勻速完成，間歇30秒(可根據(jù)需要自行設(shè)定個(gè)數(shù) 距離 時(shí)間 間歇時(shí)間)。設(shè)定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時(shí)間開始熄滅至初始端，按事先設(shè)定1分鐘完成一個(gè)往返100米的速度誘導(dǎo)訓(xùn)練，完成一個(gè)回合的誘導(dǎo)訓(xùn)練。計(jì)數(shù)器記下次數(shù)1并顯示，并保持間歇30秒鐘(用運(yùn)動(dòng)員休息)，30秒時(shí)間到后，發(fā)出提示音后(提示運(yùn)動(dòng)員開始下一個(gè)100米開始)，燈帶再次從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時(shí)間開始熄滅至初始端，按事先設(shè)定1分鐘完成一個(gè)往返100米的速度間歇30秒鐘速度誘導(dǎo)訓(xùn)練，然后繼續(xù)下一個(gè)回合的速度速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。如此循環(huán)之至達(dá)到與其設(shè)定的效果，完成一組誘導(dǎo)訓(xùn)練。

模式三為往返有間歇分段非勻速狀態(tài)。根據(jù)游泳池泳道長度，將定制50米長的LED燈帶鋪在泳道下邊，接通供電電源，通過手持設(shè)備設(shè)定本次游泳訓(xùn)練內(nèi)容，如設(shè)定10個(gè)100米，每個(gè)100米設(shè)定總游速1分鐘非勻速完成如前段50米設(shè)置為27秒時(shí)間，后段50米設(shè)置為33秒時(shí)間(10個(gè)100米每個(gè)100米可單設(shè)定不同快慢訓(xùn)練模式)，間歇30秒(可根據(jù)需要自行設(shè)定個(gè)數(shù) 距離 時(shí)間 間歇時(shí)間 分段時(shí)間最多9段)。設(shè)定完成后。按下開始按鈕，則燈帶從初始端依次按27秒時(shí)間勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按33秒勻速時(shí)間開始熄滅至初始端，按事先設(shè)定100米總時(shí)間1分鐘完成一個(gè)往返的速度誘導(dǎo)訓(xùn)練，完成一個(gè)回合的誘導(dǎo)訓(xùn)練。計(jì)數(shù)器記下次數(shù)1并顯示，并保持間歇30秒鐘(用運(yùn)動(dòng)員休息)，30秒時(shí)間到，發(fā)出提示音后(提示運(yùn)動(dòng)員開始下一個(gè)100米開始)，燈帶再次從初始端依次勻速亮燈到盡頭末端，燈帶全亮。再由末端按勻速時(shí)間開始熄滅至初始端，按事先設(shè)定快慢1分鐘完成一個(gè)往返100米的速度間歇30秒鐘速度誘導(dǎo)訓(xùn)練，然后繼續(xù)下一個(gè)回合的速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。如此循環(huán)之至達(dá)到與其設(shè)定的效果，完成一組速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。

模式四為以上3種狀態(tài)訓(xùn)練間歇時(shí)間，亮燈時(shí)間，回合次數(shù)可根據(jù)訓(xùn)練需要自主設(shè)定，并任意組合，提供多種狀態(tài)訓(xùn)練。

經(jīng)測試，該無線便捷游泳訓(xùn)練速度誘導(dǎo)器可實(shí)現(xiàn)4種模式的速度誘導(dǎo)訓(xùn)練。

4　結(jié)論

本成果設(shè)計(jì)的無線便捷游泳訓(xùn)練速度誘導(dǎo)器操控簡單便捷；可根據(jù)運(yùn)動(dòng)員情況，在提供4種基本訓(xùn)練模式的基礎(chǔ)上，教練員可自主設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)；同時(shí)該速度誘導(dǎo)器具有有水溫測量功能，語音播報(bào)提示功能；教練員可以遠(yuǎn)距離操控設(shè)備，該設(shè)計(jì)人性化、智能化、便捷化，且維護(hù)、更換成本低，能夠很好滿足專業(yè)游泳訓(xùn)練中精確控制訓(xùn)練強(qiáng)度、節(jié)奏等重要訓(xùn)練要素的需求；改善我國單純依靠人工把控訓(xùn)練的落后局面，提高游泳訓(xùn)練效率，縮短與國外訓(xùn)練儀器應(yīng)用的差距，提升游泳訓(xùn)練的科學(xué)性，進(jìn)一步提高訓(xùn)練的時(shí)效性。

[1]賀曉萍.淺談現(xiàn)代游泳技術(shù)與訓(xùn)練的發(fā)展方向[J].體育科技, 2007(3):9.

[2]李紅梅,于傳偉.現(xiàn)代游泳技術(shù)與訓(xùn)練的發(fā)展方向研究[J].安徽體育科技,2005,26(3): 30-32.

[3]王致誠,劉繼紅.用科學(xué)新技術(shù)提高游泳水平[J].體育世界, 1994(8):053.

[4]張曲波,李戎.現(xiàn)代游泳技術(shù)與訓(xùn)練的發(fā)展方向[J]才智,2010(9):205.

[5]原羿,蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,21(6): 89-91.

[6]To T, Haven P. LED燈串電路保護(hù)分析[J].中國集成電路,2013, 22(11).

[7]李亞彬.基于無線控制與無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D]//南京: 南京理工大學(xué), 2007.

[8]蔡俊五, 歐文勤, 熊斗寅,等.體育科技與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相結(jié)合體制的研究[J].體育科學(xué),1995,6:36-38.

Research on the development and application of swimming electronic training induction machine

WANG He-xia, WANG Yong, TANG Liang

(Dept.ofP.E.,ChinaUniversityofPetrolium-Beijing,Beijing102249,China)

In view of the problem in traditional swimming training that athletes have poor handling of swimming rhythm and strength and artificial training cannot solve it well, this paper designs a convenient wireless swimming training speed induction machine. Through the keyboard input of handheld devices, and according to the needs of physical ability and training of athletes, coach can set the training parameters independently, and then transmit commands to the controller through the wireless sending module on the handheld device; after receiving instructions from wireless receiving module of the controller, single-chip microcomputer deals with them, and then pass control signals to the LED lamp belt through the data line, implement the control of multiple street lamps with light speed and intermittent time, complete effective induction of multiple swimmers speed. The machine, not only being easy to operate but also playing a positive role in improving training interest and training efficiency, is a good way to improve the scientific nature of swimming training.

swimming training; speed; induction unit; LED lamps

2016-01-06

中國石油大學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目；申請國家專利號：2014101323556。

王合霞(1976-)，女，山東煙臺人，副教授，體育教育訓(xùn)練學(xué)。

G818.3

A

1009-9840(2016)04-0051-04