面向體育訓練的基于壓力傳感可穿戴運動分析設備

　　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，單片機通過壓力傳感器采集足底壓力數(shù)據(jù)，由藍牙發(fā)送至Android手機，并在手機端完成數(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，可以準確地識別出運動員當前的步態(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動作要求比較高的運動來說，運動動作的標準與否直接影響比賽的成績。在訓練和教學的過程中，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慣和競技水平。采用醫(yī)學步態(tài)學科中壓力中心軌跡的概念實現(xiàn)運動傷害預警，防止運動傷害事故的發(fā)生。

　　1.4 休眠喚醒和無線充電

　　作為一個可穿戴設備，一個很重要的指標就是功耗。該設備在設計的過程中已經(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，設置休眠喚醒功能，可自動檢測設備空載情況或者人工通過客戶端要求單片機進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省電量，在需要工作的時候重新喚醒單片機進入工作狀態(tài);另一方面是無線充電，當一次運動完成后，將設備直接放在鞋架上即可對設備進行充電，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、無線充電模塊、智能手機終端等設備。

　　該設備的功能是完成鞋墊上3個FSR壓力傳感器的壓力采集，采樣間隔為50ms，通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到安卓手機進行分析，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。采用先進的強磁耦合無線充電技術，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備的系統(tǒng)結(jié)構框圖，該設備包括三片薄膜壓力傳感器，一個MSP430G2553單片機，一個超低功耗藍牙模塊和一個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，負責采集用戶腳底各個點的受力信息。當用戶穿上配有該鞋墊的鞋子，踩在傳感器上的時候，相應地會引起傳感器設備阻值的變化，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，送入單片機中，完成數(shù)據(jù)采集的工作。