楊 琳 楊 艷 張 娜 劉 皎 韓美林 黨琪暄 李 媛 喬成芳

（1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）（2.商洛學(xué)院體育教學(xué)研究部 商洛 726000）（3.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

自二十世界九十年代以來，中國一直被稱作自行車王國，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國的自行車保有量排名全世界第一（4億），且自行車相關(guān)企業(yè)數(shù)的年增長率在7.4%，年均產(chǎn)量的增長率在7.8%［1］。豐盈的自行車儲備量為自行車運動的普及化與群眾化奠定了基礎(chǔ)。與此同時，不同類型的自行車比賽如雨后春筍般涌現(xiàn)［2］，越來越多的人參與到專業(yè)的自行車比賽中。各種各樣的騎行裝備應(yīng)運而生，騎行器［3］、騎行服［4］、碼表［5］、電子定位器，這些裝備為自行車比賽和訓(xùn)練提供了極大的便利。但是比賽當(dāng)中，無論是日常訓(xùn)練還是比賽的過程都迫切需要智能的騎行系統(tǒng)來輔助自行車運動的訓(xùn)練和比賽的過程控制。近些年，用于健康檢測的智能手環(huán)［6～7］、計步器［8］等裝備和 APP［9～10］得到了空前的發(fā)展，公共電視對自行車比賽的發(fā)展也起到了一定的推動作用［11～12］。然而針對自行車運動員的狀態(tài)檢測設(shè)備的研究仍是一個空缺［13～15］。本文提出結(jié)合碼表、電子定位器、健康監(jiān)測手環(huán)各種裝備的優(yōu)勢，開發(fā)一種騎行穿戴設(shè)備——騎行IM，對運動員的生理指標（心率、血糖）、環(huán)境信息（海拔、位置、溫度、濕度）、運動指標（瞬時速度、踏頻、平均速度）等信息實時監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)一個比賽監(jiān)控系統(tǒng)，用于運動員日常訓(xùn)練的過程監(jiān)控和比賽實時直播以及實時數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)的應(yīng)用讓運動員的日常訓(xùn)練更加智能，讓賽事觀看更加便捷，更加公開透明。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)顯示終端三大部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

第一部分：數(shù)據(jù)采集端，由騎行IM（Intelligent Monitor）和攝像機組成，其中騎行IM佩戴于運動員身上，將運動員的健康狀態(tài)、騎行環(huán)境、運動數(shù)據(jù)和沖刺預(yù)測全方位監(jiān)測數(shù)據(jù)采集起來，并傳輸給服務(wù)器。攝像機將直播信號發(fā)送到服務(wù)器。

第二部分：服務(wù)器，存儲騎行IM采集到的數(shù)據(jù)信息和直播視頻資料，并發(fā)送給顯示終端，作為數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)顯示終端的中轉(zhuǎn)站。

第三部分：數(shù)據(jù)顯示終端，將服務(wù)器傳輸過來的數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁、APP的形式展現(xiàn)在大屏幕、手機、平板電腦等多媒體設(shè)備，以方便更多的觀賽人員進行直觀賽事觀看和結(jié)果評判，更為透徹地掌握每個選手的比賽狀況。

圖1 自行車比賽統(tǒng)系統(tǒng)框圖

3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

體育賽事，對系統(tǒng)有很高的實時性和數(shù)據(jù)流暢性要求，對數(shù)據(jù)量和用戶量的要求不是很高，基于此在對比了分布式、B/S、C/S、P2P等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢后，選擇如圖2所示的C/S結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。這種系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是，服務(wù)器運行時的數(shù)據(jù)量小，因此實時性和流暢性較好。

圖2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

4 騎行IM

4.1 騎行IM功能設(shè)計

騎行IM（Intelligent Monitor），即運動員穿戴設(shè)備，用于采集運動員比賽過程中的各項信息。是一款簡單、輕巧同時具有多功能的騎行監(jiān)測儀，將運動類、身體類和環(huán)境類三類數(shù)據(jù)合一，同時與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接，成為為自行車賽事服務(wù)的一款智能系統(tǒng)。騎行IM的主要功能如圖3所示。

圖3 騎行IM功能圖

1）賽前會對整場賽事的比賽路線進行存儲。

2）騎行運動開始后，騎行IM立刻對運動員信息進行收集。

（1）身體狀態(tài)主要是監(jiān)測運動員的心率、血壓、血糖三方面數(shù)據(jù)。

（2）騎行狀態(tài)主要根據(jù)騎行過程中的瞬時速度、腳踏頻率、平均速度進行分析，提供給觀賽人員最精確的騎行狀態(tài)信息，從而對參賽選手的體能素質(zhì)有更好的掌握。

（3）環(huán)境狀態(tài)主要獲取比賽過程中運動員所處位置的坐標、溫度、海拔、風(fēng)向、風(fēng)速信息、并實時更新，使每位選手能夠?qū)愂逻^程中天氣的突變做出應(yīng)對措施。

（4）以上數(shù)據(jù)將同步傳輸?shù)椒?wù)器。

3）能量補給呼叫功能。根據(jù)能量損耗情況，運動員可選擇手動操作呼叫或騎行IM智能算法呼叫。手動操作即運動員通過騎行IM的按鍵發(fā)出呼叫信息；智能算法呼叫即系統(tǒng)根據(jù)運動員身體狀態(tài)信息判斷運動員需要補給能量的時間，從而發(fā)出呼叫信息。兩種方法均能及時地給補給車發(fā)出信號，從而提高能量補給效率。

4）最佳沖刺點計算功能。擁有了存儲路線、運動員信息后，騎行IM計算出騎行最佳沖刺點，沖刺點的選取對每一個運動員都是至關(guān)重要的，計算出最佳沖刺點后騎行IM會對運動員進行語音提醒。

4.2 騎行IM硬件設(shè)計

硬件電路設(shè)計核心處理器采用HT6023芯片，通過相關(guān)的傳感器采集運動員的心率、速度、踏頻等指標，通過控制W5500網(wǎng)絡(luò)模塊上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，通過引腳來控制按鍵電路和存儲電路，其硬件模塊組成如圖4所示，其中箭頭方向是指控制信號的流向。

圖4 騎行IM的硬件模塊組成圖

4.2.1 主控芯片電路設(shè)計

騎行IM的內(nèi)核是主控芯片HT6023，其外圍連接的有電源電路、無線傳輸模塊電路、時鐘電路。無線傳輸模塊選用Mini GPRS/GSM，以太網(wǎng)接口電路選用HR911105A。

4.2.2 計量電路

計量電路如圖5所示，采用智能高精度的ATT7022E作為計量芯片，提供RMS、PQS兩種電能來滿足諧波、基波的不同要求。心率檢測電路如圖6所示，在心臟跳動時，檢測處血液體積發(fā)生變化，而紅外線對這種變化較為敏感，檢測到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、濾波、放大等步驟，最終形成電壓脈沖信號來反映心率。

圖5 計量電路圖

圖6 心率檢測電路

4.2.3 電源電路

如圖7所示，電源電路為整個系統(tǒng)供電。為了削弱前后級的牽制，將1K的電阻RP放置在MMBT2907A的基級。電路采用HT7550作為電源電路的穩(wěn)壓元件。

4.2.4 按鍵電路

按鍵電路如圖8所示，電路中共有四個按鍵，分別實現(xiàn)開機復(fù)位、關(guān)機、下載地圖、能量呼叫四個作用。

4.2.5 存儲電路

存儲電路如圖9所示，采用MX25L3208E、AT24C512、FM24CL16作為主要的存儲芯片，其中FM24CL16用于存儲時間，騎行地圖、線路存儲在AT24C512，運動員的其他各項信息、視頻信息存儲在MX25L3208E中。

圖9 存儲電路圖

5 軟件系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計

圖10 系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)界面如圖10所示，有直播、車隊、賽事日程、比賽線路、比賽結(jié)果五個一級菜單。主界面的上半部分，播放實時直播錄像畫面，比賽線路中顯示整個比賽的線路地圖，各個車隊的每個隊員的位置坐標點用不同的顏色顯示在線路中。選中其中一個運動員坐標點，界面中可以彈出這個運動員的個人信息、位置、速度、名次信息。在界面的最右側(cè)顯示當(dāng)前排名的前三名運動員信息。

5.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)選擇關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQLite3作為數(shù)據(jù)存儲媒介，共包含車隊表、運動員表、用戶表、賽事表、互動平臺表，各個表的字段和表之間的關(guān)系如圖11所示。

1）車隊表：存儲車隊的成員、領(lǐng)隊、歷史記錄、榮譽等各種信息；

2）運動員表：存儲每個運動員的個人信息、當(dāng)前騎行信息，其中個人信息是姓名、性別、年齡、歷史記錄等靜態(tài)的信息，當(dāng)前騎行信息是指騎行過程中的平均速度、瞬時速度、踏頻、海拔、溫度、位置等實時變化的信息；

3）用戶表：存儲觀眾或管理人員的各項信息；4）互動平臺：存儲賽事新聞和互動論壇；

圖11 數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖

5）賽事表：存儲承辦單位、贊助單位、比賽線路、賽事日程、賽事文化、當(dāng)前賽事排名、賽事相冊和視頻記錄。

6 系統(tǒng)測試

6.1 測試對象

將系統(tǒng)架構(gòu)搭建好以后，選擇一個商洛學(xué)院大學(xué)生自行車隊的運動員訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)作為測試對象。

6.2 測試環(huán)境

本系統(tǒng)運行的環(huán)境包括PC機端和安卓客戶端兩種。PC機端分別選擇了Windows XP、Win7、Win10、Linux四種系統(tǒng)下的IE7、IE8、IE9、IE10、火狐、搜狗、谷歌等10種四種瀏覽器作為運行環(huán)境。Android系統(tǒng)中，分別選擇模擬器、華為、小米、三星等多個品牌不同型號的50個手機作為系統(tǒng)運行環(huán)境。

6.3 功能測試

將騎行IM佩戴于運動員手腕處，騎行過程中，運動員的位置、所處環(huán)境的海拔、溫度、運動員的心率、踏頻、瞬時速度、平均速度等數(shù)據(jù)實時發(fā)送到服務(wù)器，PC機終端網(wǎng)頁、移動終端APP均可將這些數(shù)據(jù)顯示出來。直播視頻能夠流暢清晰地顯示，延遲在5.63s以內(nèi)。運動員排名準確率在99.87%。

6.4 壓力測試

并發(fā)數(shù)的上限預(yù)計在5000左右，所以，將并發(fā)數(shù)上限設(shè)定為5000，也就是說從0開始，每隔6s添加50個用戶，持續(xù)對系統(tǒng)進行加壓處理，一直到5000時，停止并發(fā)用戶，循環(huán)操作，找到系統(tǒng)的最大并發(fā)量。壓力測試的結(jié)果可以滿足系統(tǒng)需求。

7 結(jié)語

本文融合了智能手環(huán)、數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計了一套智能騎行平臺。該系統(tǒng)完成了騎行IM的設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，網(wǎng)站與APP的開發(fā)。實現(xiàn)了運動員信息實時傳輸和顯示，運動員能量呼叫功能，規(guī)劃比賽線路、比賽過程實時直播、實時排名、評論系統(tǒng)、新聞推送等功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)軟硬件運行正常，能滿足車隊日常訓(xùn)練和自行車比賽的過程控制的實際需求，提高了傳統(tǒng)自行車賽事系統(tǒng)的實用價值和附加價值，將會帶來一定的市場價值和經(jīng)濟效益。