基于無(wú)線傳輸?shù)母?jìng)走訓(xùn)練智能裁判系統(tǒng)的研究

引 言

競(jìng)走是傳統(tǒng)的奧運(yùn)會(huì)競(jìng)賽項(xiàng)目，也是田徑運(yùn)動(dòng)中唯一要依據(jù)裁判員技術(shù)判罰而影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的項(xiàng)目。裁判員的判罰在一定程度上決定著運(yùn)動(dòng)員能否取得優(yōu)異成績(jī)，而裁判在執(zhí)行判罰過(guò)程中，不可避免地會(huì)帶有個(gè)人的主觀因素。另一方面，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過(guò)程中，由于個(gè)人素質(zhì)的不同，技術(shù)動(dòng)作也會(huì)千差萬(wàn)別，要想通得裁判的“慧眼”必須練就過(guò)硬的技術(shù)，這使得運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練場(chǎng)上必須嚴(yán)格訓(xùn)練，而由于競(jìng)走項(xiàng)目本身的技術(shù)特點(diǎn)，導(dǎo)致對(duì)于技術(shù)尺度非常難以把握?；跓o(wú)線傳輸?shù)母?jìng)走訓(xùn)練智能裁判系統(tǒng)的設(shè)計(jì)填補(bǔ)了此項(xiàng)的空白，它能夠幫助裁判員提供一個(gè)客觀、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為科學(xué)訓(xùn)練和比賽提供了良好的技術(shù)保證，從根本上解決了比賽中人為的判斷失誤和誤差，使成績(jī)更加準(zhǔn)確，而且還能顯示出競(jìng)走過(guò)程中的真實(shí)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)國(guó)際田聯(lián)手冊(cè)1996～1997年規(guī)定和中國(guó)田協(xié)通知，從1996年開始，競(jìng)走定義由保持單雙腳交替支撐防止騰空的規(guī)定明確改為“沒(méi)有可見的騰空(以眼睛觀察)”，默認(rèn)了競(jìng)走中騰空現(xiàn)象的存在[1]。又根據(jù)《1992年奧運(yùn)會(huì)我國(guó)競(jìng)走項(xiàng)目科研攻關(guān)》的研究成果：競(jìng)走比賽中小于42 ms為合理騰空時(shí)限；42 ms～47 ms為模糊騰空時(shí)限；大于70 ms為犯規(guī)騰空時(shí)限。因此，本系統(tǒng)研究的關(guān)鍵就是捕獲運(yùn)動(dòng)員的騰空時(shí)限，并加以判斷，若大于合理騰空時(shí)限，能夠通知裁判。

系統(tǒng)主要由犯規(guī)信號(hào)捕獲、信號(hào)無(wú)線傳輸和信號(hào)上傳3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

犯規(guī)信號(hào)捕獲是指當(dāng)運(yùn)動(dòng)員雙腳騰空后，智能系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別，并記錄下來(lái)；信號(hào)無(wú)線傳輸是指通過(guò)無(wú)線傳輸芯片nrf905將犯規(guī)運(yùn)動(dòng)員的信息發(fā)送到裁判員的手持表；信號(hào)上傳是指比賽結(jié)束后，通過(guò)usb接口將運(yùn)動(dòng)員隨身攜帶的發(fā)射儀器記錄的比賽時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步核實(shí)運(yùn)動(dòng)員在比賽中的信息。

2 犯規(guī)信號(hào)的捕獲

犯規(guī)信號(hào)的捕獲是通過(guò)鑲嵌于鞋底的一組開關(guān)陣列完成的。運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)走過(guò)程中，首先是腳跟著地，然后由腳外側(cè)過(guò)渡到前腳掌至腳尖。開關(guān)陣列見圖2。

設(shè)想的開關(guān)陣列固定在0．1 mm厚的印制電路板上，鑲嵌于運(yùn)動(dòng)員鞋底，開關(guān)大小是15 mm×15 mm，利用鞋底的橡膠對(duì)它產(chǎn)生緩沖的作用來(lái)減小開關(guān)的承受力，從而延長(zhǎng)開關(guān)的使用壽命。每組開關(guān)陣列包含8個(gè)開關(guān)量，即每個(gè)鞋底安裝8個(gè)開關(guān)。開關(guān)陣列的分布主要集中在運(yùn)動(dòng)員競(jìng)走過(guò)程中的著力點(diǎn)：腳底前側(cè)、后側(cè)和外側(cè)。這樣，運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)走過(guò)程中，腳的任意位置著地，開關(guān)陣列至少會(huì)有一個(gè)開關(guān)閉合，只有當(dāng)雙腳騰空時(shí)，對(duì)地面的壓力為0，所有的開關(guān)斷開。此時(shí)，就視為運(yùn)動(dòng)員騰空。

主控制芯片通過(guò)掃描開關(guān)陣列(見圖3)判斷運(yùn)動(dòng)員是否犯規(guī)。當(dāng)所有開關(guān)都斷開時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，任意一個(gè)開關(guān)再次閉合后停止計(jì)時(shí)，主控芯片讀取計(jì)時(shí)時(shí)間，若小于騰空時(shí)限，則認(rèn)為運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有犯規(guī)，丟失數(shù)據(jù)；若大于騰空時(shí)限，就認(rèn)為運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)一次，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)將此運(yùn)動(dòng)員的信息保存下來(lái)，并無(wú)線發(fā)送給裁判員，作為裁判員判斷運(yùn)動(dòng)員是否犯規(guī)的依據(jù)。

3 信息的發(fā)射、接收和上傳

競(jìng)走距離幾度變動(dòng)，現(xiàn)在被確認(rèn)為奧運(yùn)會(huì)比賽項(xiàng)目的有50 km、20 km、10 km。當(dāng)前50 km競(jìng)走世界記錄是3h36min3s，一般選手需4 h左右。在這4 h時(shí)間內(nèi)，要保證系統(tǒng)能夠正常工作。又由于發(fā)射儀器是運(yùn)動(dòng)員隨身攜帶的裝置，所以必須輕便且功耗低。受上述條件影響，本系統(tǒng)選用低功耗的芯片，且設(shè)計(jì)的系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)化。本系統(tǒng)的主控芯片選用低功耗msp430單片機(jī)，無(wú)線發(fā)射芯片選用nrf905發(fā)射芯片。

3．1 無(wú)線發(fā)射

nrf905單片無(wú)線收發(fā)器可以工作在433 mhz／868 mhz／915 mhz這3個(gè)ism(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻段。由完全集成的頻率調(diào)制器、帶解調(diào)器的接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器組成。采用shock-burst工作模式，自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和crc(循環(huán)冗余檢驗(yàn))。最大數(shù)據(jù)傳輸率(曼徹斯特編碼)100 kbit／s,，可以很容易通過(guò)spi接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dbm時(shí)，發(fā)射電流為11 ma，接收電流為12．5 ma。有掉電和待續(xù)模式兩種省電模式，掉電模式時(shí)消耗電流為2．5μa，待續(xù)模式根據(jù)不同晶振頻率略有不同，但都在μa級(jí)。

nrf905發(fā)射電路如圖4所示。

在使用nrf905前要通過(guò)spi口對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，如頻段的選取、地址的設(shè)置等。每個(gè)發(fā)射儀器有唯一的地址，地址的長(zhǎng)短根據(jù)設(shè)置可以是1～4個(gè)字節(jié)不等。理論上，比賽過(guò)程中最多可以使用232個(gè)發(fā)射儀器，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)類似0x55h的地址不可用，可能與nrf905本身硬件有關(guān)，這樣除去手持表的地址和0x55555555h，運(yùn)動(dòng)員可使用232一2個(gè)地址，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于比賽的人數(shù)。本系統(tǒng)使用過(guò)程中，為節(jié)省電量，正常情況下nrf905處于待機(jī)模式，此時(shí)消耗電流32μa。每名參賽的運(yùn)動(dòng)員攜帶一個(gè)唯一表明自己標(biāo)識(shí)信息的發(fā)射儀器。當(dāng)發(fā)射儀器的主控芯片檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)員有騰空現(xiàn)象時(shí)，自動(dòng)從ds1302中讀取時(shí)間，并記錄下此運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼、犯規(guī)時(shí)間、犯規(guī)次數(shù)，同時(shí)喚醒nrf905芯片，將此運(yùn)動(dòng)員的信息無(wú)線發(fā)射到裁判員的手持表中。

3．2 信息的接收

信息接收設(shè)備是裁判員手中的手持表，接收發(fā)射儀器發(fā)射來(lái)的運(yùn)動(dòng)員的犯規(guī)信息。手持表的主控芯片選用帶有液晶驅(qū)動(dòng)的msp430f435單片機(jī)，連接nrf905、液晶顯示器、蜂鳴器等。手持表中保存著所有受訓(xùn)的運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼，當(dāng)收到發(fā)送來(lái)的信息后，聲音提示裁判員有人犯規(guī)，同時(shí)液晶顯示器上顯示出犯規(guī)運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼、犯規(guī)時(shí)間和犯規(guī)次數(shù)。存儲(chǔ)在flash存儲(chǔ)器中的該運(yùn)動(dòng)員的信息也將被重新刷新。若該運(yùn)動(dòng)員在本次比賽中犯規(guī)已達(dá)3次，手持表會(huì)提示裁判員，此運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)次數(shù)已達(dá)最大。它的具體電路圖與發(fā)射儀器的電路類似，在此不再贅述。

3．3 信息usb上傳

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了usb接口，比賽結(jié)束后，工作人員可以將運(yùn)動(dòng)員攜帶的小發(fā)射儀器插到計(jì)算機(jī)usb口上，讀取該運(yùn)動(dòng)員在比賽過(guò)程中的信息，進(jìn)一步確定運(yùn)動(dòng)員比賽的信息，為運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)走信息存檔等，同時(shí)也可防止無(wú)線發(fā)射時(shí)手持表沒(méi)有接收到而漏掉的信息。

傳統(tǒng)上，usb接口開發(fā)比較復(fù)雜，在與其他usb接口芯片相比較后，本系統(tǒng)選用了cygnal公司的uart轉(zhuǎn)usb芯片cp2101，選擇這種接口芯片，可使usb通信接口設(shè)計(jì)變得十分容易。與同類相比，其體積小、集成度高，不需要外部元件，低功耗，速度快，并且開發(fā)簡(jiǎn)單。圖5是cp2101的典型接口電路。

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)的主控芯片使用msp430f133。發(fā)射芯片nrf905的晶振16 mhz，選用發(fā)射頻率和功率分別是868 mhz和10 dbm，發(fā)射字節(jié)數(shù)是8，包括2字節(jié)的運(yùn)動(dòng)員號(hào)碼、3字節(jié)的犯規(guī)時(shí)間(時(shí)、分、秒)、1字節(jié)的犯規(guī)次數(shù)和2個(gè)待使用的空白字節(jié)。試驗(yàn)時(shí)發(fā)射儀器的主印制電路板為30 mm×50 mm。

4．1 試驗(yàn)的功耗

本系統(tǒng)選用的都是低功耗的芯片，nrf905處于待機(jī)模式時(shí)，測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)消耗電流為0．72 ma，發(fā)送信息時(shí)測(cè)量電流為27．42 ma。運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)走3次犯規(guī)后被罰下，也就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)員攜帶的發(fā)射儀器只有3次發(fā)射的機(jī)會(huì)，發(fā)射瞬間完成。系統(tǒng)供電電壓3．6 v，由此計(jì)算在4 h比賽時(shí)間內(nèi)最大消耗電量36 w?s，使用一個(gè)lir2477 160 ma?h、24．o×7．7mm、3．6 v／節(jié)扣式電池就可以達(dá)到要求。試驗(yàn)結(jié)果與此相符。

4．2 試驗(yàn)結(jié)論

在試驗(yàn)過(guò)程中，使用手動(dòng)按鍵模擬運(yùn)動(dòng)員騰空，當(dāng)按鍵時(shí)間超過(guò)45 ms時(shí)，激發(fā)nrf905發(fā)射。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)線通信距離約134 m，一人攜帶發(fā)射儀器沿400 m的環(huán)形草場(chǎng)競(jìng)走，一人拿手持表站在草場(chǎng)中間，通信沒(méi)有盲點(diǎn)，能夠完全接收到發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)競(jìng)走運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)用電子技術(shù)設(shè)計(jì)了一種客觀的判斷競(jìng)走犯規(guī)的方法，經(jīng)試驗(yàn)表明其是可行的。這對(duì)于提高競(jìng)走訓(xùn)練和裁判的水平有著重要意義。

在電子技術(shù)日益滲透到體育行業(yè)的今天，競(jìng)走犯規(guī)檢測(cè)設(shè)備必將有廣闊的發(fā)展前途。隨著更多同行的介入，電子技術(shù)有望成為比賽和訓(xùn)練有力的監(jiān)督手段。