Real-time Sampling, Portable Wireless Monitoring System for Collecting Human Running Status
Abstract: In the sprint and middle distance running, interval of every pace and intensity are two important factors for improving running results. While the real-time sampling system works and transmits analyzed data to computer terminal, Coach can adjust training plans in order to improve athletes running speed. The system controlled based on MCU 89s52. Data sampling device and computer terminal connected through wireless communication model. Computer terminal connects with special terminal wireless transceiver by interface RS-232. The database of real-time sampling, wireless monitoring system is based on Visual FoxPro 9.0. The system equipments have lots features such as low-cost, easy-operating and high-accuracy.
Key words: 89S52, RS－232, Pedometer, Acceleration Sensor

摘要：中短跑项目中，每跑一步所需的时间和力度是影响中短跑成绩的重要因素之一。当运动员进行跑步训练时，本系统数据采集端实时采集运动员的步伐时间和力度，并将处理后的信息无线发送到计算机终端，便于教练调整训练计划，提高运动员成绩。采用RS－232接口实现计算机监控终端与专门设计的终端无线收发设备之间的通信。基于Visual FoxPro 9.0建立人体步行状况实时采集、无线监测数据库。
关键词：89S52、RS－232、计步器、加速度传感器

1 引 言
世界田径径赛的中短跑项目一直倍受关注，直接影响各国国家田径队的整体水平。各国田径队无不重视对中短跑的训练和研究。
短跑项目是周期性动作，其动作特点是由支撑时的一条腿支撑与对侧上肢后摆，腾空时一条腿与对侧臂相向摆动所组成的连续与完整的周而复始运动。分析肢体运动学参数与100米成绩的内在联系发现，每跑一步所需的时间和力度是影响中短跑成绩的重要因素之一[1]。
在径赛中短跑的200米、400米、中长跑的800米比赛过程中都要经过一次或几次弯道，弯道跑技术的动作要求整个身体应向内倾斜。弯道跑时运动员的身体姿态、用力方向、摆动动作与直道跑时有明显不同，可见弯道跑技术在整个跑的过程中有着重要的作用[2]。
有时运动员感觉使不出劲来；加速到一定速度后再也加不上去了；跑的动作别扭。这些都需要对动作进行调整，准确测量运动员跑步每跑一步所需的时间和力度为合理制定中短跑力量训练、提高成绩和完善跑步理论提供帮助。
但对运动员跑步姿势、跑步力度和步伐时间间隔的研究还停留在比较古老的阶段。比如：用高速摄像机拍摄运动员跑步过程，然后分析慢镜动作。这种数据采集手段精确度较低，方便性较差，远远不能满足需要。随着电子技术的迅速发展，我们可以利用更先进、更便捷的方法实现对运动员每跑一步所需的时间和力度的监测。
2 系统介绍
    本系统以单片机89S52为控制中心，使用加速度传感器实时测量运动员跑步的力度和步数，并使用外部时钟DS1629准确计算运动员每跑一步所需的时间，将测到的信息进行分析和处理，通过专门设计的无线网络最后将结果定时发送到计算机上。计算机终端上的人体步行状况实时采集、无线监测数据库会详细记录收到的信息，帮助教练掌握运动员的跑步状况。
3 硬件部分
图1所示为数据采集端的主要硬件。另外，还为计算机设计了一个无线串口，实现了计算机与数据采集器的无线数据传输。
3.1 单片机89S52
89S52是一款功能强劲、价格低廉、应用范围极广的8位微控制器。数据采集端的89S52的作用包括：控制模数转换器，将智能传感器采集到的模拟量转换数字量；分析处理数据；通过P0、P2口将有用的信息存储于外部RAM（随机存储器），把最终结果通过无线收发模块发送至控制中心。89S52同时监听由控制中心传来的反馈信号，具有主动和被动两种处理机制。
3.2 加速度传感器
本系统采用一款加速度传感器ADXL105。该传感器具有灵敏度高，体积小、重量轻、成本低等特点。
在实际实验和使用中的主要问题和解决方法是：加速度传感器的灵敏度较高，易引入干扰信号，将步数和步强计错。一方面，要求传感器在测量时的位置固定；另一方面，可以在软件中对原始数据进行处理。

3.3 模/数转换器ADS7842
由于单片机只能处理数字信号，因此要将传感器采集到的模拟量转换为数字量。ADS7842有四个模拟数据输入端，本设计只使用IN0输入端。数字输出端为并行12位，其中4位为小数位。在本系统中，只用到8位整数部分，分别对应输入到单片机的P0口。通过相应的控制端口，可使ADS7842进入节电状态，从而减少电池消耗。
3.4 随机存储器628128
实时监控运动员的跑步状况将获得大量的数据，可以用628128快速存储这些数据。它可存储128K字节的数据。P0口复用为经74LS373锁存的低8位地址，要读/写的8位数据和ADS7842的数字输出端。实验表明：单片机可驱动这几部分，且可由P0口得到正确的输入/输出信息。
3.5 电擦除可编程只读存储器24C16
24C16用于存储运动员的身份识别号等需断电保存的数据。它通过SDA、SCL与单片机实现二线全双工通信协议。
3.6 外部时钟DS1629
DS1629提供计时功能。它也通过SDA、SCL与单片机实现二线全双工通信协议。它与24C16复用单片机的两个端口，在软件操作时可通过“设备选择位”分别控制24C16和DS1629。
3.7 无线收发模块[6]
CC1000是无线收发模块的核心芯片，具有较多优点：收发一体；转换速度快；低功耗等。本系统用433.16MHz～433.23MHz频段收发无线信息。模块化解决方案具有较强的集成度，不仅增强了系统的稳定性、降低了功耗，同时有效地降低了设计过程中的复杂度。
3.8 专门设计的终端无线收发设备
通过RS－232接口把监控中心的计算机与专门设计的终端无线收发设备连接，从而将无线收发设备收到的信息输入到计算机内部。该过程需要进行无线收发协议、电平转换、串行通信、与数据库的串行收发协议。
4 软件部分
本系统基于Keil开发软件，采用C语言编写。实验过程中分别完成数据采集及模/数转换、中断时钟、存储、数据优化等模块的编程、调试,最后把各模块组合成一个有实用价值的程序。数据采集端的程序流程图如图2所示。
4.1 系统初始化
该部分主要是对CC1000、DS1629进行初始化。包括CC1000各寄存器位、收/发状态设置，中断状态设置，DS1629时钟、报警状态设置等。标志位 FLAG需置0。FLAG=0表示准备测步强，对应运动员腿落地的阶段；FLAG=1表示准备计算每步间的时间间隔，对应下一步开始时刻。本系统数据采集端设置了一个外部中断，用于接收无线信号。
4.2 智能化预处理
该部分测量运动员静止状态下的加速度传感器测量值。具体实施方法为：自动采集连续十秒的加速度传感器静态输出值，取这些数值的最大值为静态输出值。将最大静态输出值与经验校准值相加，得到静态阈值。经验校准值作为经验值在本系统中取值为10H。静态阈值被存储在24C16中。在系统正式检测时，每个采集数据都和静态阈值比较；当采集数据超过静态阈值时，判断运动员迈出一步。
由于佩戴位置略有不同，静态阈值因人而异。采用上述预处理机制可以使数据采集设备具有自学习功能，更加准确地检测和测量跑步信号。
4.3 系统正式检测
系统正式检测时，加速度传感器在上电后立即连续采集数据。软件控制AD7842在唤醒后将IN0端输入的模拟量转换为数字量，并将8位数据送到P0口，之后再回到睡眠状态。如果采集到的数据在设定的静态阈值内，则舍弃此数据，采集下一个数据；如果采集到的数据超出静态阈值范围，则判断运动员迈出一步。当判断出运动员迈步后，检查外部时钟是否开始计时。如果外部时钟没有开始计时，则使计时器开始计时，开始计算运动员每跑一步所需时间；如果外部时钟已经开始计时，则判断标志位 FLAG是否为1。
当标志位 FLAG为0，表示此时运动员佩戴数据采集器的那条腿落地。这时将连续采集300个超出阈值的数据，并临时存储到外部存储器628128中，等待数据处理。
当标志位 FLAG为1，表示运动员再次抬起佩戴数据采集器的那条腿，迈出下一步。这时需读外部计时器，初始化计时器，并将标志位FLAG置0。然后对时间数据进行处理，计算每步的所需时间。
4.4 数据处理
    存储在628128中的信息需要优化处理，才能得到某一步的步强值。计算方法为：加权平均法。分别算相同测量值出现的次数；将出现次数最多的前三项求加权平均值；从而得到这一步的步强值。
4.5 无线收发
“无线收发”部分完成两个任务：
第一，发送某一步的步强值并接收应答。将数据处理过的某一步的步强值，在数据处理后立即无线发送到监控计算机上。发送内容包括步强、运动员身份序列号和校验位信息。通信协议中包括目的地址（计算机终端无线收发设备号）、源地址（运动员身份序列号）、数据字段（步强）、校验位。当数据采集端发送完信息后，会等待应答。若在设定的时间内收到正确应答，则准备发送下一组信息。若在设定的时间内收到错误应答或未收到任何应答，会重发信息。如果有多个运动员的数据采集器同时发送信息，则引用跳频通信机制，在随机产生的其它频点重新发送信息。
 

 

    第二，发送跑某一步所用时间并接收应答。将外部时钟直接测量值除以2，就可得到跑一步（从抬腿到落腿）所用时间。得到跑步间隔时间后立即无线发送到监控计算机上。发送内容包括跑步间隔时间、运动员身份序列号和校验位信息。通信协议中包括目的地址（计算机终端无线收发设备号）、源地址（运动员身份序列号）、数据字段（跑步间隔时间）、校验位。当数据采集端发送完信息后，会等待应答。若在设定的时间内收到正确应答，则准备发送下一组信息。若在设定的时间内收到错误应答或未收到任何应答，会重发信息。如果有多个运动员的数据采集器同时发送信息，则引用跳频通信机制，在随机产生的其它频点重新发送信息。
4.6 计算机终端无线收发设备和数据库
计算机终端无线收发设备在收到信息后，会立即将信息由计算机串口RS－232发送到监控数据库中。数据库根据运动员的步伐间隔平均时间和中短跑距离，可计算出步数。本系统基于Visual FoxPro 9.0建立人体步行状况实时采集、无线监测数据库。该数据库具有运动员信息、步强、步伐间隔时间记录和查询功能。
5 结语
    本系统成本低，用少量芯片实现复杂功能。较准确的测量运动员跑步每跑一步所需的时间和力度，为合理制定中短跑力量训练、提高成绩和完善跑步理论提供帮助。本系统数据库操作简单。系统软硬件模块的可复用性使系统具有很强的扩展能力。

参考文献
[1]苑玲伟.影响河北省二级以上短跑运动员专项成绩的因素——身体形态、力量素质和运动学参数[D].石家庄:河北师范大学体育学院,2002
[2]王星明.弯道跑人体内倾力学分析新探[C]. 第十届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编,北京,2002
[3]徐立新等.无线数传技术在远程心电监护系统中的应用[J].微计算机信息，2005(07X)7-9
[4]黄宗成等.短跑技术研究[J].体育科学.1999:（19）：30-33
[5]张海滨等.短距离无线通信在控制中的应用[J].微计算机信息,2004(11)129-130,38
[6]ChipconAS. SmartRF CC1000 PRELIMINARY Datasheet[EB/OL]
http://www.chipcon.com/files/CC1000_Data_Sheet_2_2.pdf,2001
[7]Haiyun Tang. A Unified Approach to Wireless System Design[M]. American: University of California, 2003