一种简易体育素质测试设备的设计与实现

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  摘要:针对传统体育素质测试和锻炼方式单一、测试设备和精度有限、缺乏有效的训练指导等固有弊端,该文提出了一种简易体育素质测试设备。首先测试者按照各端点指示灯触摸传感模块,然后协调器接收传感模块的测试数据并传输至服务器,之后服务器端存储处理数据,最后通过App界面对数据以及测试结果的分析进行展示,运用推荐算法为测试者推荐相应的训练指导和教程。经试验测试表明,该设备可实现多模式精准测试,通过记录分析历史数据,提供有针对性的教程,且设备简便易携,可在任何场景下使用,具有广阔的发展前景。
  关键词:体育素质测试;体育锻炼;测试设备;推荐算法
  1 背景
  我国是体育大国,目前正朝着体育强国转变[1],人们对于体育健身的需求和追求日益强烈。在当前大力发展学生核心素養的新形势下,体育素质培养是培养学生全面发展的关键部分,也是整个社会发展的客观要求[2]。体育高考是现阶段国家选拔体育人才的关键途径,体育考生在体育锻炼过程往往需要进行功能性运动测试,对柔韧性、灵活性、稳定性和平衡性等运动素质做出明确的评定。但就当前多数高等体育院校的体育设备配置而言,不足以满足师生对体育设备的需求[3]。
  针对体育测试设备,如跑步测考仪存在体积大、费用高、测试方式单一等问题,传统体质测试方式如秒表也存在有误差,精确度不够高的问题。相关研究表明,智能可穿戴设备已经渐渐走进人们的日常生活[4],从2007年的Nike iPod,2009年的Fitbit,到如今智能手环、智能手表的广泛使用,智能体育测试设备已被大众认可。智能体育测试设备可以精确测量用户在运动中的各类数据如心率、速度等,使运动健身更加便捷。不过智能可穿戴设备在运动训练中的应用也存在一些不足[5],其测量精确度及可靠性仍然有发展空间,同质化的问题[6]还有待解决。
  针对以上问题,本文提出一种简便易携的体育素质测试设备,依托于科学的体育测试方法,该设备包括轨迹采集模块、转换发送模块、数据处理模块及显示模块。轨迹采集模块对使用者运动轨迹信号数据进行采集;转换发送模块实现数据交互转换和发送;数据处理模块对数据进行解析;显示模块将测试结果呈现给用户,并根据用户的测试数据,针对其身体素质存在劣势的某一方面提供相对应的运动处方,从而帮助用户解决所存在的弱环。此外,本设备也可用于辅助体育教学,适用于所有人群,能够帮助更便捷地获取科学的体育测试、锻炼方法。
  2 相关工作
  2.1 市场调研
  以华中师范大学的师生为主要对象,通过微信、QQ等网络平台发放线上调查问卷并结合访谈的形式,对现有体育锻炼及测试的设备和方法以及关于简易体育素质测试设备需求度进行调研,获得有效问卷205份,关于常用体育测试设备与设备存在的不足,调研情况分别如图1、图2所示。
  常用的柔韧性、灵活性、耐力等体育素质测试设备有坐位体前屈测试仪、长跑短跑测试仪,灵活性还常用折返跑方式测量,多以秒表为计量工具,现有设备存在体积大不便携带、测量形式上存在局限性、成本较高、精确度低等问题,人们对于简便易携、测试灵敏的低成本仪器设备存在需求。本文的简易体育素质测试设备可恰当解决上述问题,多个模块相结合灵活地测量,设备体积小,通过ZigBee快速传输,测量精确度高。此外,调研人群中28.8%的人需要测试后的教学视频指导,60%的人在一些情况下需要教学视频指导,仅有11.2%的人完全不需要教学视频指导,那么根据用户测试情况进行有针对性的教学指导是有必要的。本设备开发移动端App呈现测试结果并给出教学指导,帮助用户科学有效地锻炼与测试。
  2.2 ZigBee
  ZigBee技术是基于IEEE802.15.4的一种短距离无线通信协议,具有功耗低、成本低、时延短、安全性高等优点[7],能够很好地满足体育素质测试设备对成本、安全性和速度的要求,有很强的组网能力,其中星型拓扑结构呈辐射状,具有结构简单、成本低的优点。
  体育素质测试设备需要采集各终端节点的数据,并传输到服务器进行数据处理,以此判断测试者的身体素质状况。ZigBee无线通信网络由协调器实现自组网,协调器启动后会对信道进行扫描,选择一个合适的信道和PAN ID建立新网络,终端设备加入此网络中[8]。传输过程中协调器与各终端节点通过单一路径进行相互通信,星型拓扑结构能够高效地完成对测试人员运动的无线传输。
  2.3 Arduino
  Arduino作为一款开源硬件产品,有丰富的I/O口供开发使用,有较大灵活性[9],支持SPI,IIC,UART串口通信,大程度弱化函数,操作简便且可发展的空间大[10]。在产品设计中Arduino可与其他电子元件方便地连接,支持多样互动程序,常用于开发交互产品,通过读取大量的开关和传感器信号,实现对终端的各种控制[11]。
  在本设计中Arduino作为微控制器实现交互功能,通过串口接收无线传感网络中各终端节点传送给协调器的数据,再通过蓝牙模块发送到远程云服务器,此过程将采集到的用户测试数据传输至服务器进行处理,同时,Arduino也可通过蓝牙模块接收用户在移动端App发送的测试模式选择等指令,此过程将用户指令传输至协调器,协调器以此为依据控制各终端节点。
  3 产品设计
  3.1 产品硬件
  本设备搭建框架如图3所示,其终端节点包括指示灯、蜂鸣器、天线、电容式触摸传感器。终端节点采用电容触摸芯片采集测试者的数据,采用以cc2530为控制中心的芯片,内部有8051微控制器,具有协同处理能力,可以满足ZigBee的无线通信和各端点的数据采集处理[12],该芯片外接天线来进行与协调器的通讯。整个测试终端由多个终端节点和一个协调器组建成星型无线传感网络,无线传感网络的搭建使用ZigBee协议。本设计的传感器终端节点装置设计了打地鼠和“之”字排列两种工作模式,打地鼠模式如图4模式1所示,“之”字排列其设置移动线路、区段路线和转向区域如图4模式2中的1-4所示,图中1-2,2-3,3-4表示的数据为记录的测试人员通过对应线路的时间,相邻节点间的距离可用红外线距离传感器测得,1、2、3、4表示转折点。测试人员就位之后,处于四周的指示灯全部显示亮表示开始测试,结束后则指示灯再次全部显示亮表示结束测试。开始测试后终端指示灯间歇性逐个显示亮,测试人员按照指示灯的显示奔跑到对应的指示位置触摸相对应的触摸传感器,触摸成功后则会有指示灯灭、蜂鸣器响,与此同时触摸成功的信号会通过天线发送到协调器。若测试人员未在系统设定的最长间隔时间内触摸成功,未触摸成功的信号会通过相应的终端节点处的天线发送至协调器。   协调器与各终端节点组建星型的无线传感网络,在传感器的配合下,各终端节点通过ZigBee协议发送信号到达协调器,相邻的时间差可视为测试者运动相应的节点距离所用的时间,协调器通过串口将接收到的数据发送至微控制器(MCU)。微控制器(MCU)即Arduino通过TX/RX端口接收协调器发送的数据,接收到的数据再经蓝牙发送至远程的云服务器。
  搭建云服务器为本产品的软件设计部分,后台系统主要使用Java进行开发,使用MySQL数据库。开发移动端的App进行前端展示,主界面主要有测试模式选择、历史数据、运动处方、常规课程推荐四部分,方便测试者进行个性化的模式选择、历史数据分析和教程学习。数据传输的整体流程如图5所示。
  3.2 系统流程框架
  本设计的后台系统将接收到的数据进行计算得出测试者的测试成绩,并在移动端进行显示,且本设计也考虑到用户测试后对教程的需求,系统会根据用户的历史数据进行统计分析、评估,开出“运动处方”,推荐有针对性提高的运动锻炼图文或视频课程。整个系统框图如图6所示:
  项目预设模块:用户在移动端的App可以选择测试模式和测试方法。
  信息录入模块:用户选择了相应的测试方式之后,服务器后台将特定的指令通过网络发送到测试终端的微控制器。
  数据测试模块:微控制器通过协调器根据指令来控制各终端节点的指示灯,提示用户需要执行的运动步骤。
  数据整理模块:各终端节点返回的测试数据通过协调器返回给MCU,MCU对数据进行初步的整理,然后发送给服务器后台。
  数据分析模块:服务器后台对测试数据计算,得出测试成绩;通过历史数据分析,得出用户的薄弱项,开出“运动处方”,进行个性化的学习锻炼图文或视频课程推荐。
  数据库模块:存储用户的历史测试数据。
  云存储模块:服务器对数据进行备份。
  互联网终端:用户可以通过浏览器查看自己的测试数据、浏览锻炼教程视频。
  移动端模块:用户可在移动设备上通过App来查看自己的测试数据、浏览学习推荐的锻炼图文或视频课程。
  4 体质测试设备应用与发展
  针对院校现有的体质测试方式单一,缺乏测试的灵活性等问题,本文提出简易体育素质测试设备,该设备具有简便易携,成本低,测试灵活性强的优势,并且在测试精度和训练指导方面也都有较大的提高。使用该体质测试设备,用户通过终端设备或者手机App进行测试、历史成绩查看以及教程学习等操作,根据用户试用的反馈情况,对本设备的各项功能指标进行评价与改进。
  4.1 简易体育素质测试设备的应用情况
  简易体育素质测试设备主要针对用户身体灵活性、反应能力进行测试,已试用于华中师范大学师生的锻炼和测试,用户可自主选择测试模式。各终端节点用数字标记,打地鼠模式以随机数指令控制终端节点(指令传输至协调器后,协调器以广播模式发送信号,相匹配的终端节点指示灯亮),“之”字排列模式用户需按照顺序依次触摸。测试结果自动上传至云服务器,并同步记录历史数据到数据库,将预设的标准数据与测量数据进行对比分析,计算结果转换为对应的测试成绩显示于终端设备或手机App。
  为了解本设备对用户在体质水平提升与锻炼方法方面的效果,本研究围绕用户体育素质提升与使用满意度对105名试用师生展开调研,反饋情况如图7所示,该设备试用情况达到了研究的预期效果,在用户体质提升、锻炼方式方法上等方面提供了有效帮助,方便用户针对自身情况制定健康合理的运动计划。
  4.2 发展前景
  在当前大力发展学生核心素养的新形势下,教学模式也相应地与之不断革新,在体育教学方面,模拟训练系统研究较多,可实际运用于日常训练的设备研究较少[13]。本设备适应当前体育教学的发展变化历程,可根据学生体质进行有针对性的锻炼。
  本设备将以武汉周边学校为主要推广点,进行线上线下相结合的宣传,持续推广扩大使用范围,并吸引相关专业人士开设课程加入其中。将专门开拓体育课堂版块,教师作为管理人员可查看本课堂每位学生测试的后台数据,方便掌握学生详细的体育素质情况与训练效果,助力体育教学的顺利进行。
  5 结束语
  为了解决传统体育素质测试方式单一、设备精确度有限以及缺乏训练指导等问题,本文设计了一种简易体育素质测试设备,该设备是基于ZigBee无线传感网络的一种便携式测试设备,目前本设备的各项基本功能已经开发并试用,可精准测量用户的身体灵活性、稳定性等体育素质,根据个人测试数据开出“运动处方”。
  后续将继续开发体育课堂版块,将该设备与体育教学相结合,在确保个人使用灵活性的条件下,实现课堂教师教学的统一管理,提高体育教学中学生的自主性,激发其体育学习与锻炼的兴趣。
  参考文献:
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  【通联编辑:谢媛媛】
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