面向體育訓(xùn)練的基于壓力傳感可穿戴運動分析設(shè)備

　　1 設(shè)計

　　該設(shè)備主要由壓力傳感器、單片機(jī)和一臺Android手機(jī)組成，單片機(jī)通過壓力傳感器采集足底壓力數(shù)據(jù)，由藍(lán)牙發(fā)送至Android手機(jī)，并在手機(jī)端完成數(shù)據(jù)的分析和計算。從實現(xiàn)的功能角度看，該設(shè)備主要具有以下功能。

　　1.1 步態(tài)識別

　　步態(tài)識別是該設(shè)備的亮點之一。在運動場上，教練可以了解運動員的運動狀態(tài)，以更好地分析和記錄特定運動員的運動傾向和技術(shù)特點。通過置于鞋墊處的壓力傳感器返回的壓力信號，提取壓力信號時域和頻域的特征，采用模式識別中的決策樹算法，可以準(zhǔn)確地識別出運動員當(dāng)前的步態(tài)，包括走、跑、跳、站立等。

　　1.2 計步和運動距離、卡路里分析計算

　　相比于其他的計步器的實現(xiàn)方法，從腳底的壓力信號作為計步依據(jù)可以得到更為可靠的運動員運動步數(shù)。

　　作為教練，除了要了解運動員的技術(shù)特點，更重要的是掌握場上運動員的身體狀況和體能消耗情況。要了解場上球員的身體狀況，可以通過步數(shù)、跑動路程和卡路里消耗量進(jìn)行衡量。基于步態(tài)識別和計步功能，可以很好地完成運動距離和卡路里的估算。通過這一系列的數(shù)據(jù)，教練可以對場上運動員的身體狀況了如指掌，有助于更好地控制運動員的運動量。

　　1.3 足底壓力反饋和報警

　　對于競走等一類對技術(shù)動作要求比較高的運動來說，運動動作的標(biāo)準(zhǔn)與否直接影響比賽的成績。在訓(xùn)練和教學(xué)的過程中，教練往往需要耗費較大的精力糾正運動員的動作，而且也很難使運動員掌握競技技巧。而足底壓力分布能夠體現(xiàn)運動員的動作特征。分析運動員足底壓力的分布，有助于教練糾正和提高運動員的運動習(xí)慣和競技水平。采用醫(yī)學(xué)步態(tài)學(xué)科中壓力中心軌跡的概念實現(xiàn)運動傷害預(yù)警，防止運動傷害事故的發(fā)生。

　　1.4 休眠喚醒和無線充電

　　作為一個可穿戴設(shè)備，一個很重要的指標(biāo)就是功耗。該設(shè)備在設(shè)計的過程中已經(jīng)考慮到了這個約束，并且針對功耗做出了兩個方面的優(yōu)化。采用毫瓦級儀器儀表芯片作為控制器，設(shè)置休眠喚醒功能，可自動檢測設(shè)備空載情況或者人工通過客戶端要求單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省電量，在需要工作的時候重新喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài);另一方面是無線充電，當(dāng)一次運動完成后，將設(shè)備直接放在鞋架上即可對設(shè)備進(jìn)行充電，方便可靠。

　　2 硬件

　　2.1 概覽：功能與指標(biāo)

　　設(shè)備主要使用了德州儀器的MSP430G2553處理器的LaunchPad板、藍(lán)牙4.0模塊、無線充電模塊、智能手機(jī)終端等設(shè)備。

　　該設(shè)備的功能是完成鞋墊上3個FSR壓力傳感器的壓力采集，采樣間隔為50ms，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到安卓手機(jī)進(jìn)行分析，實現(xiàn)的功能包括輸出壓力示意圖，壓力值、壓力中心、計步、運動狀態(tài)識別、卡路里估算、運動距離估算、報警、作曲線圖等。電池采用可充電3.6V鋰電池LI2302。采用先進(jìn)的強(qiáng)磁耦合無線充電技術(shù)，效率高，充電快，效果好。

　　2.2 實現(xiàn)原理

　　圖1所示為本實用新型可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該設(shè)備包括三片薄膜壓力傳感器，一個MSP430G2553單片機(jī)，一個超低功耗藍(lán)牙模塊和一個Android手機(jī)。其中箭頭方向為信息的傳遞方向。示意圖中的所有設(shè)備均由3.6V可充電鋰電池供電，該電池連有無線充電接收線圈電路。充電示意圖如圖2。

　　2.2.1 傳感器

　　薄膜壓力傳感器是安裝在鞋墊上的不同位置，負(fù)責(zé)采集用戶腳底各個點的受力信息。當(dāng)用戶穿上配有該鞋墊的鞋子，踩在傳感器上的時候，相應(yīng)地會引起傳感器設(shè)備阻值的變化，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，送入單片機(jī)中，完成數(shù)據(jù)采集的工作。