面向體育訓練的基于壓力傳感可穿戴運動(dòng)分析設備

　　1 設計

　　該設備主要由壓力傳感器、單片機和一臺Android手機組成，單片機通過(guò)壓力傳感器采集足底壓力數據，由藍牙發(fā)送至Android手機，并在手機端完成數據的分析和計算。從實(shí)現的功能角度看，該設備主要具有以下功能。

　　1.1 步態(tài)識別

　　步態(tài)識別是該設備的亮點(diǎn)之一。在運動(dòng)場(chǎng)上，教練可以了解運動(dòng)員的運動(dòng)狀態(tài)，以更好地分析和記錄特定運動(dòng)員的運動(dòng)傾向和技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)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(shí)域和頻域的特征，采用模式識別中的決策樹(shù)算法，可以準確地識別出運動(dòng)員當前的步態(tài)，包括走、跑、跳、站立等。

　　1.2 計步和運動(dòng)距離、卡路里分析計算

　　相比于其他的計步器的實(shí)現方法，從腳底的壓力信號作為計步依據可以得到更為可靠的運動(dòng)員運動(dòng)步數。

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

　　1.3 足底壓力反饋和報警

　　對于競走等一類(lèi)對技術(shù)動(dòng)作要求比較高的運動(dòng)來(lái)說(shuō)，運動(dòng)動(dòng)作的標準與否直接影響比賽的成績(jì)。在訓練和教學(xué)的過(guò)程中，教練往往需要耗費較大的精力糾正運動(dòng)員的動(dòng)作，而且也很難使運動(dòng)員掌握競技技巧。而足底壓力分布能夠體現運動(dòng)員的動(dòng)作特征。分析運動(dòng)員足底壓力的分布，有助于教練糾正和提高運動(dòng)員的運動(dòng)習慣和競技水平。采用醫學(xué)步態(tài)學(xué)科中壓力中心軌跡的概念實(shí)現運動(dòng)傷害預警，防止運動(dòng)傷害事故的發(fā)生。

　　1.4 休眠喚醒和無(wú)線(xiàn)充電

　　作為一個(gè)可穿戴設備，一個(gè)很重要的指標就是功耗。該設備在設計的過(guò)程中已經(jīng)考慮到了這個(gè)約束，并且針對功耗做出了兩個(gè)方面的優(yōu)化。采用毫瓦級儀器儀表芯片作為控制器，設置休眠喚醒功能，可自動(dòng)檢測設備空載情況或者人工通過(guò)客戶(hù)端要求單片機進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節省電量，在需要工作的時(shí)候重新喚醒單片機進(jìn)入工作狀態(tài);另一方面是無(wú)線(xiàn)充電，當一次運動(dòng)完成后，將設備直接放在鞋架上即可對設備進(jìn)行充電，方便可靠。

　　2 硬件

　　2.1 概覽：功能與指標

　　設備主要使用了德州儀器的MSP430G2553處理器的LaunchPad板、藍牙4.0模塊、無(wú)線(xiàn)充電模塊、智能手機終端等設備。

　　該設備的功能是完成鞋墊上3個(gè)FSR壓力傳感器的壓力采集，采樣間隔為50ms，通過(guò)藍牙將數據發(fā)送到安卓手機進(jìn)行分析，實(shí)現的功能包括輸出壓力示意圖，壓力值、壓力中心、計步、運動(dòng)狀態(tài)識別、卡路里估算、運動(dòng)距離估算、報警、作曲線(xiàn)圖等。電池采用可充電3.6V鋰電池LI2302。采用先進(jìn)的強磁耦合無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，效率高，充電快，效果好。

　　2.2 實(shí)現原理

　　圖1所示為本實(shí)用新型可穿戴設備的系統結構框圖，該設備包括三片薄膜壓力傳感器，一個(gè)MSP430G2553單片機，一個(gè)超低功耗藍牙模塊和一個(gè)Android手機。其中箭頭方向為信息的傳遞方向。示意圖中的所有設備均由3.6V可充電鋰電池供電，該電池連有無(wú)線(xiàn)充電接收線(xiàn)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，負責采集用戶(hù)腳底各個(gè)點(diǎn)的受力信息。當用戶(hù)穿上配有該鞋墊的鞋子，踩在傳感器上的時(shí)候，相應地會(huì )引起傳感器設備阻值的變化，將壓力信號轉換為電信號，送入單片機中，完成數據采集的工作。