對“陽光體育長廊”信息系統的研究

曾桂生，周武能，劉江云，羅 蓉

對“陽光體育長廊”信息系統的研究

曾桂生1，周武能1，劉江云2，羅 蓉1

主要采用文獻資料法、實地考察法、論證分析法、數理統計法，對現有“陽光體育健身長廊”的組成項目進行了優化和整合。并基于體育健身的一般規律，結合無線傳感技術和心率搖桿測試儀器，設立了具有數字信息無線同步功能的“陽光體育健身長廊”系統。

陽光體育；健身；信息系統

自1981年中國體育儀器器材分會成立以來，我國體育儀器器材領域逐步發展壯大，現已研制開發包括訓練輔助健身器材、比賽器材、裁判器材、測試器材與消除疲勞康復器材等五大類900多項科研成果，但這些成果80%以上都是屬于競技體育類，而大眾體育類的儀器器材甚少，尤其是對青少年學生儀器器材的研發就更少，盡管有些研制，僅限于單項的研發，然而，針對青少年學生綜合性身體素質器材的研制十分缺乏，就目前僅有江蘇奧創體育設施有限公司針對青少年學生體質現狀，研制了“陽光體育長廊”，其內涵還有待開發。

2006年教育部、國家體育總局、共青團中央聯合下發的“關于開展全國億萬學生陽光體育運動的通知”是新時期對全民族素質提高的重大戰略決策。陽光體育運動的開展，極大地推動了我國各類學校體育運動。為配合陽光體育運動的開展，經山東省體育局立項，中國海洋大學、南京理工大學和江蘇奧創公司聯合研制出了“陽光體育長廊”(以下簡稱長廊)，該長廊已獲得《科學技術成果結題證書》(魯體結字[2006]第7號)并在幾所高等院校使用，且取得了積極的鍛煉效果，該成果屬江蘇奧創體育設施有限公司。2010年11月，經江蘇奧創體育設施有限公司與東華大學體育產業發展研究所商定，共同開發與研制此項目（協議已簽）。然而，該長廊存在幾個問題：（1）有些器件設計的科學性和美觀性不足。（2）有些器件的設計對安全性考慮不足。（3）長廊的信息系統只是記錄學生鍛煉的次數和時間，而對學生的實時脈搏、卡路里、各項運動的時間、各項運動所達到的體育鍛煉指標等都無法反映。

本課題擬針對長廊，充分考慮其美觀性、安全性、科學性和趣味性等因素，特別要重新設計其信息管理系統，使之可用于各類學校。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本項目研究對象為陽光體育健身長廊的設計以及同步數據信息處理系統。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

通過訪問中國期刊網、中國體育信息網，查閱1980-2010年國內外體育儀器器材的研制與開發的論著，圍繞著我國大眾體育儀器器材的研發現狀與其中存在的問題，以及我國青少年學生體質現狀等內容收集相關資料。

1.2.2 實地考察法

對上海市學校體育器材現狀及運用情況進行實地考察。主要內容包括：最常用的體育設施、儀器器材、使用率、學校體育開展情況以及鍛煉標準的達標情況等。

1.2.3 論證分析法

通過對運動系統和信息系統的理論設計與實踐運用進行論證研究，并進行安裝檢測以及試用，得出最終的產品結果。

1.2.4 數理統計法

對不同運動能力的鍛煉者進行相關能力的測試，并將長廊的整體（全程）和各項目（分段項目）所涉及的相關數據進行統計分析與研究，得出陽光體育長廊的等級指標和評價標準等。

1.3 實驗設計——脈搏測量無線裝置試驗方案

本項目搭建以測脈腕表為節點的WSN。試驗方案如下：

(1)搜集信息、查閱資料，前期準備工作：明確設計要求，確定軟硬件功能，選取各功能模塊等。

(2)設計智能腕表電路圖，硬件電路設計制作，繪制硬件原理圖，配置元器件，并形成PCB電路板等。

(3)購買無線通信模塊，研究其與腕表及主系統的連接等。

(4)軟件方面確定算法，程序模塊劃分，繪制程序流程圖，程序編寫和仿真調試，用調試儀器。

(5)軟硬件修改和調試，以能夠達到設計要求，組裝定型，編制文件及說明書等。

2 陽光體育健身長廊功能的優化

在現有建成“陽光體育健身長廊”的基礎上，根據研究的需要，課題組對現有長廊的組成項目進行了優化和整合。該“長廊”是寬5 m、長約120 m的封閉式通道，內設4道，其中男子2道，女子2道，內有10種鍛煉項目組合，鍛煉器械主要采用不銹鋼鑄件構成，“長廊”地面鋪設人工草皮，兩端設有電子管理裝置。學生鍛煉從單向入口進入(刷卡)，完成各項目鍛煉后，由出口結束。

系統通過使用智能卡出入刷卡可自動記錄學生鍛煉的次數、時間等，并可通過設置于出口的顯示屏顯示本人本次鍛煉所用時間、累計鍛煉次數、最好成績等信息，并可通過系統的管理分析軟件對全校各院系學生鍛煉情況進行統計分析，便于學校對各院系學生鍛煉情況的考核。

“長廊”中所設的鍛煉項目是經過多方論證，在征集體育教學、機械設計、體育器械制造等方面專家的意見基礎上，結合學校實際情況選取的，設計中既考慮到了鍛煉的科學性與全面性，集力量、速度、彈跳、協調等素質鍛煉于一體，又充分考慮到鍛煉過程的趣味性和娛樂性，使學生在快樂的游戲中增強了體質、鍛煉了身體（見表1）。同時，由于選取的鍛煉項目多是全身綜合性練習，更多地是要求手、眼、腳等全方位的配合來完成鍛煉，所以更加注重身體的全面發展，而不是某一塊肌肉或某一部位的局部練習，比單一的練習方法或單一的運動項目更能增強鍛煉的效果。

表1 “陽光體育健身長廊”的功能一覽表Table Ⅰ Functions of Sunshine Sports Corridor Information System

“長廊”中所設的項目看似簡單，實際上許多項目都具有一定的挑戰性，不是輕易就能完成的，尤其是在較嚴格時間限制的條件下，完成每個項目要承受一定的壓力并付出一定的努力，有的項目(如攀越2 m多高的軟網)對于膽小的同學而言，心理的挑戰更多于對體力的挑戰。通過對鍛煉項目多次的參與，學生的鍛煉過程更多地是在和自己進行比賽的過程，學生在鍛煉中體驗拼搏、體驗成功、體驗快樂,通過身體運動的形式來培養學生拼搏進取、不畏困難、敢于挑戰自我的精神。

對比傳統的體育器材生產領域，“長廊”提出一種新的體育器材開發思路，即根據學校的情況和要求，開發適合不同學校、不同類型的封閉式組合鍛煉器械。這種封閉式組合鍛煉器械與開放式單個的健身器材相比，除了包含鍛煉項目眾多,能更充分鍛煉學生身體之外，還因為其獨具的“封閉”特色，形成了許多新的特點：如鍛煉效果的綜合性、項目設置的科學性、鍛煉成績的可考核性、鍛煉項目趣味性，這些特點明顯優于簡單的單個鍛煉項目的疊加。這種以“封閉式體育鍛煉長廊”為代表的體育器材開發的“組合拳”在體育器材市場上將產生更大的威力。

3 陽光體育健身長廊信息系統的研制

3.1 基于OMNeT++的“實代碼仿真模式”研究

嘗試搭建一個基于OMNET++仿真器的“實代碼仿真模式”的研究，將整套UCOS系統上運行的協議代碼封裝成動態鏈接庫，加載到仿真器上利用其離散仿真事件隊列機制進行調試，運行通過后可以直接在實際硬件芯片上運行，無需二次修改，大大提高研究開發進度。成功地將UCOS上運行的aloha協議棧封裝成DLL加載到OMNET++，調試運行通過并且已經投入到實際應用中。

無線傳感器網絡由稱為“微塵(mote)”的微型計算機構成。這些微型計算機通常指帶有無線鏈路的微型獨立節能型計算機。無線鏈路使得各個微塵可以通過自我重組形成網絡，彼此通信并交換有關現實世界的信息。目前，對于傳感網的研究越來越受到關注，其中網絡協議算法更是其中的熱點之一。

為評價傳感器網絡協議算法的性能，僅通過實驗是無法實現的，特別是包含大量節點的大規模無線傳感器網絡，更是很難通過實驗來實現(實際上，上百個節點的實驗已經比較難以管理與實現)。為了實現無線傳感器網絡的仿真，研究人員設計開發了許多仿真平臺(或在現有平臺建立無線傳感器網絡模型)，包括NS-2、OPNET、SensorSim、EmStar、OMNet++、GloMoSim,TOSSIM、PowerTOSSIM等。OMNeT++[2-31 fObjective Modular Network TestBed in C++)是開源的基于組件的模塊化的開放網絡仿真平臺，是近年來在科學和工業領域里逐漸流行的一種優秀的網絡仿真平臺。OMNeT++作為離散事件仿真器，具備強大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內核，同NS2[41、OPNETL5和JavaSim等仿真平臺相比，OMNeT++可運行于多個操作系統平臺，可以簡便定義網絡拓撲結構，具備編程、調試和跟蹤支持等功能。OMNeT++主要用于通信網絡和分布式系統的仿真。OMNeT++具有模塊化的結構。

本項目的主要貢獻就在于提出了一種全新的驗證協議代碼的方案。它實現了在OMNeT++這款離散仿真軟件的基礎上，對運行在UCOS上的協議棧代碼直接仿真調試，將其封裝成為動態鏈接庫的形式在OMNeT++上調試運行，協議棧等代碼無需二次修改，運行后的代碼可以直接在節點上運行。具體思路已經如上驗證通過，并且已經將Aloha簡單的協議運行在芯片上。

3.2 無線傳感器網絡在睡眠機制、固定及變拓撲下的擬平均趨同

課題組研究發現高階無線傳感器網絡的擬平均趨同，所研究的是網絡或系統基于連續時間且在Leader-Follower型拓撲結構下的同步行為。在該拓撲結構下，部分節點承擔著的Leader功能而其他節點承擔著Follower功能。分別對由所有Leader和Follower組成的完備子圖執行喚醒—睡眠機制，我們得到變Leader、變Follower的拓撲結構，在基于喚醒—睡眠機制的控制協議下，系統達到擬均方趨同。固定整個拓撲結構，我們得到固定Leader、固定Follower的拓撲結構，在通常的趨同協議下，系統達到擬平均趨同。單獨固定由Leader組成的子圖，我們得到固定Leader、變Follower的拓撲結構，在控制協議下，系統達到擬均方趨同。

對于上述的3種拓撲結構，文中分別給出了趨同的充分必要條件。最后，給出了數據仿真的例子以驗證結果的可靠性。

3.3 搭建脈搏測量無線裝置

該系統結構如圖1所示：所設計的陽光體育長廊信息系統中有一個脈搏測量環節。本項目對此環節設計了無線裝置，稱之為“智能腕表”，它由脈搏傳感器、濾波器、單片機、無線信號接收和發送元件及后臺PC組成。

對于脈搏測量無線傳輸系統，通過上面所述的實驗步驟，項目組自選設計通信協議，進行后臺界面設計，實驗效果良好，有待于調試與加工。該系統的實物圖如圖2所示。

3.4 陽光體育健身長廊信息系統設計

本項目設計了新的陽光體育長廊信息系統。該系統主要由主系統、鍛煉者各項目時間的采集系統和脈搏、卡路里數據采集系統及終端等4個部分組成，如圖3所示。已有的陽光體育長廊評價及軟件只能通過刷卡在系統中錄入鍛煉者的信息，顯示每個鍛煉者每次鍛煉的時間和總的鍛煉次數，因而只能查詢某一學生或某班級參加長廊鍛煉的次數和總的時間。本項目設計新的長廊信息系統，該系統反映了鍛煉者的實時脈搏、卡路里、各項運動的時間、各項運動所達到的體育鍛煉指標等，主要由主系統、鍛煉者各項目時間的采集系統和脈搏、卡路里數據采集系統及終端等4個部分組成。

圖中各部分的功能見圖上說明。我們還設計了門禁、測身高和體重、觸摸屏等設備，主系統可與因特網或手機聯絡，從而大大加強了長廊的信息功能。通過因特網和手機，個人或單位可查詢本人或各級單位鍛煉者的有關信息，并進行統計分析，為個人或單位提供有價值的鍛煉數據，提供建議或改進措施等。

4 結論

課題組基于體育健身的一般規律，結合無線傳感技術和心率搖桿測試儀器，設立了具有數字信息無線同步功能的陽光體育健身長廊系統，它是根據人體運動系統的跑、鉆、跳、爬等各種運動技能，并且進行了功能整合，具有上下坡跑、蹬臺跳下、平行云梯(男)、抓踩前行(女)、蛇形跑、騰空跳躍、軟網攀爬、蕩橋急行、梅花樁、支撐跳躍和穿越隧道等二十幾種。優化了現有長廊的運動模式，使之進一步符合體育鍛煉標準，提高了美觀性、安全性和趣味性，在此基礎上嚴格按照相關要求進行施工安裝。同時，為進一步提高健身的效果，鍛煉者可佩戴研制的心率搖感手表，對其運動狀況進行實時監測、評價，完善了運動監測手段，并根據監測結果進行分析，給出實驗結果。該系統從根本上改變了已往的健身長廊實用效率低下的狀況。其主要科學意義和應用前景如下：

（1）新型的陽光體育健身長廊充分考慮了青少年學生身體素質的全面發展的需要及其對體育鍛煉興趣，能有效提高學生體育鍛煉積極性，提高身體素質，為終身體育打下良好的基礎。

（2）無線數字同步監測系統能對學校甚至更廣大群體對于體育健身數據信息的全面管理與調控，真正實現學校體育課程內外一體化工作的全面實施，使學校體育教育工作健康可持續發展。

（3）本項目設計的信息系統綜合評價體系，有助于提高鍛煉者、班級、院系、學校乃至區域的鍛煉水平。體系中的數據還可用于體育科學研究，為政府決策部門及教育行政部門提供理論與實踐依據。

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(責任編輯：陳建萍)

Study on the Information System of "Sunshine Sports Corridor"

ZENG Gui-sheng , ZHOU Wu-neng, LIU Jiang-yun, et al.
(Donghua University, Shanghai 201100, China)

Adopting the ways of literature study, on-the-spot investigation, demonstration and statistics, the author optimizes and integrates the component parts of the present "Sunshine Sports Corridor". Based on the general laws of physical fitness, the author establishes a Sunshine Sports Corridor System which has the function of digital information wireless synchronization, using wireless sensor technology and the instrument for heart rate remote sensing test.

Sunshine Sports; fitness; information system

G807.01

A

1006-1207(2012)03-0100-04

2012-01-27

2011年上海市體育社會科學、決策咨詢課題（TYSKYJ2011012）

曾桂生，男，教授，碩士生導師。主要研究方向：體育教育學.

1.東華大學 體育部， 上海 201600；2.上海師范大學青年學院，上海 200234