智慧校園場景中智能引體向上訓練器的設計

張新風,吳一凡,郭宇歌,胡欽宇,戴德琰,郭獻章

(1.首都師范大學 初等教育學院，北京 100037;2.東北大學秦皇島分校 計算機與通信工程學院，河北 秦皇島 066004;3.吉林大學 外國語學院，吉林 長春 130012)

互聯網+與人工智能將引領社會生活的未來，做為新技術的發源地與孵化園，大學校園生活中的新技術應用不但能夠更好地服務于師生的日常生活，還能夠激發師生創新熱情和創新活力，為以創新為第一源動力的中國特色新時期，增添一抹校園色彩.

在傳統的體育場地和體育設施上，安裝傳感器、單片機、發射器、接收器，并通過無線數據傳輸到學校的數據中心，利用專用軟件與互聯網的大數據，進行處理與分析，再把處理結果反饋給訓練者，并對其運動進行科學的指導. 以這種模式進行的創新，展現出師生共同的創新成果，如：專門針對跑步研發的督導系統，有效避免了人工點名帶來的時間浪費與作弊等問題[1]；專門針對仰臥起坐研發的設備，具備自動讀數、報數，并根據不同訓練者的不同時段，設定不同的仰角與訓練強度[2]. 同時這些設備都有通訊模塊，可以把數據傳入學校的數據處理中心，以專用軟件與互聯網的大數據分析為支撐，對個人提供專業化、個性化的指導(反饋到使用者的手機APP)，也為學校的體育管理機構提供具體、翔實、實時的數據分析.

本文以該系列成果中的智能引體向上器為例，說明該創意來源與模式形成過程.

1 使用流程與技術功能實現

1.1 外觀造型及使用方式

智能引體向上訓練器如圖1所示，通過安全護具將機器和人連起來，機器可提供額外牽引力. 在進行引體向上訓練時，通過安全護具將牽引力引導至人的身上，減少人引體向上時所需的力，從而使使用者更容易完成引體向上. 使用時，使用者先戴上安全護具，然后打開手機藍牙，與訓練器進行藍牙配對，打開APP開始計數按鈕，打開總開關手握單杠，開始做引體向上. 若在等待時間t1(t1在出廠時已設定好)內，對射式光電傳感器未檢測到人的頭部，則說明訓練者的臂力大小不夠，引體向上動作并不能完成，此時蓄水桶的水泵開始工作，對蓄水桶進行抽水，軟管將水送入上水桶. 上水桶中的水量逐步增加，人所需的力量逐步減少，直到人的頭部達到光電傳感器所能探測外，水泵暫停注水，稱重模塊得到重量后將壓力信息傳給單片機，單片機記1次成功次數，并通過藍牙將這些數據發送給手機，第1次引體向上成功. 若需要提高該設備的穩定性，也可后期在此設備加入滑槽等裝置，將上水桶放入滑槽，使訓練者在訓練過程中水桶能更加穩定地提供配重力.

圖1 外觀及硬件設備

然而，當訓練者完成第1次引體向上之后，訓練者的體力會有所下降，即隨著完成引體向上次數的增加，人的臂力F會逐漸減小，所以需要增加水桶提供的配重力T作為補償. 基于以上要求，有2種技術方案可供選擇.

方案A：設定t2為1次抽水周期時長，t1仍為抽水周期間的等待時長，在等待期間水泵不抽水(t1和t2出廠時已設定好). 抽水速度可由無級變速開關調節. 訓練者在繼續做第n(n≥2)個引體向上時，定義智能引體向上訓練器有以下循環工作過程：先經歷等待時間t1，然后水泵以流速u抽水，抽水時長為t2，t1和t2交替經歷，如此循環下去. 在這個循環工作過程中，只要光電傳感器在任何時刻檢測到人的頭部，水泵就暫停抽水，該次引體向上循環工作過程終止，稱重模塊得到重量后將壓力信息傳給單片機，單片機記1次成功次數，并通過藍牙將這些數據發送給手機，之后進行第n+1引體向上訓練，第n+1次訓練仍遵循上述循環工作過程.

方案B：設定t1仍為抽水周期間的等待時長(t1在出廠時已設定好))，在等待期間水泵不抽水. 抽水速度可由無級變速開關調節. 從訓練者做第n(n≥2)個引體向上以后，在經歷等待時間t1之后光電傳感器仍未檢測到人的頭部，則水泵開使不斷注水，當水的流速匹配人的臂力衰減速度時，人就可以最大限度地進行引體向上. 光電傳感器每探測到一次頭部時，說明訓練者成功完成1次引體向上，稱重模塊測得此刻的上水桶質量，將壓力信息傳給單片機，單片機記1次成功次數，并通過藍牙將這些數據發送給手機.

經過對比后發現：雖然在理論理解上方案B比方案A更簡單容易，但方案B精度較低，流速匹配訓練者臂力的衰減速度較難實現，很有可能出現上水桶的水加入過多導致無法起到訓練效果的問題，方案A這種間斷性抽水方式使用起來更為靈活，也更符合實際生活情況，為此具體討論方案A的實現過程.

1.2 主要硬件模塊介紹

1.2.1 單片機STC89C52RC

單片機是整個器械系統的核心，選STC89C52RC 型號單片機，其工作電壓為3.3～5.5 V，工作頻率為[5]0～40 MHz，具有啟動轉換、數據處理和計數等多種功能.

1.2.2 對射式光電傳感器模塊

該模塊中傳感器的發射器和接收器是分開放置，發射器發射紅外光后會與接收器形成通路，當訓練者通過對射式光電傳感器時，光路就會被訓練者頭部所阻擋，這時接收器就會及時的反應并輸出開關控制信號[6]. 選用型號為E3F-5DN1的型號光電傳感器，其抗干擾能力強，造價成本低，最大檢測距離可達5 m，滿足器械要求.

1.2.3 水泵控制模塊

控制模塊元件包括單片機、繼電器、三極管、紅色發光二極管、綠色發光二極管、二極管IN4148、100 Ω電阻R1和100 Ω電阻R2. 串聯單片機的所需I/O引腳與電阻R1串聯接到三極管Q1的基極B. 2種二極管分別代表2種不同的訓練狀態，紅色二極管點亮時代表“引體向上未成功狀態”，綠色二極管點亮時代表“引體向上成功訓練狀態”. 紅色發光二極管和電阻R2串聯后連接到+5 V電源VCC上. 同理綠色發光二極管和電阻R3串聯后連接到電源VCC. 繼電器線圈的一端接到三極管的發射極E，另一端接到電源VCC上. 二極管 IN4148聯在繼電器線圈兩端，用于吸收釋放繼電器線圈斷電時產生的反向電動勢，防止反向電勢擊穿三極管及干擾其他電路. 當訓練者并未成功完成引體向上，需要一定的配重力，I/O引腳輸出高電平時，三極管飽和導通，繼電器線圈兩端電壓為電源電壓，繼電器吸合，繼電器的常開觸點閉合，水泵開始工作，此時紅色三極管點亮只是未成功狀態. 反之，當配重力足以使訓練者完成引體向上時，I/O引腳輸出低電平，三極管處于截止狀態，繼電器線圈兩端由于沒有電位差而釋放銜鐵，繼電器的常開觸點釋放，水泵停止工作[7]. 系統的水泵可以采用目前市面上常見的220 V供電水泵，該水泵出水量適中，滿足引體向上時對配重力精準度的要求,模塊電路見圖2.

圖2 水泵控制模塊電路圖

1.2.4 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊由壓力傳感器、放大電路、A/D轉換器組成，與STC89C52RC 型號單片機相連接，構成完整的壓力檢測系統. 壓力傳感器選用S型梁體結構稱重傳感器，一端與繩子相連，另一端與上水桶相連，該S型梁體結構稱重傳感器有配套的轉換模塊，便于單片機采集數據.

該模塊的工作原理是當總開關被打開后，在訓練者成功完成引體向上動作時，上水桶到達地面，壓力傳感器感知上水桶重量，產生力學量，接著將力學量轉換成具有特定函數關系的電信號，經放大電路、A/D 轉換電路后送單片機進行處理[9-10]. 為了延長壓力傳感裝置的壽命，可以在其外圍加上保護套. 由于水桶重量已知，當前水桶質量減去初始質量即為配重. 配重信息被單片機暫存，并通過藍牙通信傳遞給訓練者手機. 檢測流程圖如圖3所示.

圖3 壓力檢測流程圖

1.2.5 藍牙通信模塊

當今4種主流的短距離無線數據網絡通信技術分別是近距離無線傳輸(NFC)、ZigBee、無線局域網(WiFi)、藍牙(Bluetooth). 與其他三者比較，藍牙4.0擁有耗電量較少、傳輸信息量大、模塊體積較小等優點[11]. 該器械的通信模塊核心控制器為TI公司的CC2540藍牙芯片. 該芯片使用了最新的BLE4.0技術. 它包含了8051內核的RF收發器，可編程閃存，8 kB RAM，以及其他功能十分豐富的配套特征及外設等. 訓練者使用該器械時，打開手機藍牙，與藍牙模塊連接藍牙，以串口的方式與單片機進行信息傳遞[12]. 流程示意圖如圖4所示，箭頭方向代表數據傳輸方向. 在光電傳感器和壓力傳感器正常工作時，可以將引體向上的成功數和配重量實時傳遞給手機設備，完成人機互動.

圖4 藍牙數據傳輸

1.3 軟件設計

(a)從開始到第1個引體向上成功

(b)從第2個引體向上到結束圖5 軟件設計流程

圖5所示的流程圖說明在使用者無法依靠自己力量完成完整引體向上動作時，單片機通過繼電器控制水泵以輔助使用者完成動作的過程. 程序主要有初始化模塊、光電檢測模塊、水泵控制模塊、配重力測量模塊和藍牙通信模塊. 訓練者打開總開關，系統上電，單片機復位，程序運行到主函數開始處進行各模塊初始化，在訓練者完成第1個引體向上之后，程序在while語句的死循環中一直運行，直到訓練者關閉總開關.

2 “互聯網+”功能實現

本智能引體向上訓練器融合了“互聯網+”[13]概念，既有相關APP可供訓練者了解訓練信息，也有大數據服務平臺進行相關的數據挖掘. 該訓練器可以與不同訓練者進行“一對一”的相互交流，實現智能化效果.

2.1 APP主要功能和界面設計

2.1.1 登錄界面

登錄界面時，訓練者需要輸入登錄賬號和密碼，供服務端進行登錄驗證. 訓練者在登錄后可以按照操作填寫個人數據，包括身高、體重、年齡、職業等信息. 這些信息被儲存到云端訓練者信息數據庫，供相關人員使用.

2.1.2 主界面

手機APP系統的實現采用WeX5作為開發工具，WeX5開發的手機應用移植性好，也可以調用本地的硬件資源，用戶體驗優良[14]. 在APP主界面(如圖6所示)，訓練者可以看到本次訓練的引體向上次數、負載配重量及訓練時間等信息. 訓練者點擊左下方的“周月年”還可以查看訓練狀況，訓練狀況以曲線圖的形式展現，并在當前界面給出訓練評估和建議. 手機與訓練器之間保持藍牙連接，數據互相同步并被儲存到云端，避免訓練者數據丟失.

圖6 APP界面

2.2 服務平臺的設計

本引體向上訓練器融合大數據理念，訓練者進行用戶登錄后點擊云端保存按鍵，數據就會通過互聯網上傳至學校的數據中心，并在學校的數據中心儲存[15]. 這些數據被匯總后，被傳遞到后臺對數據進行復雜的識別、分析和處理. 大數據服務平臺能夠預測訓練者者的身體健康狀況的趨勢，并通過APP給出有價值的指導意見. 此外，系統為商家贊助提供廣告與數據服務，可以通過手機上的APP應用，為贊助商提供精準廣告服務和大數據的支持. 如圖7所示，空心箭頭代表訓練時長，引體向上次數和配重力等信息的傳輸方向，實心箭頭代表訓練分析與指導信息的傳輸方向. 并通過無線數據傳輸到學校的數據中心，利用專用軟件與互聯網的大數據，進行處理與分析，再把處理結果反饋給訓練者，并對其運動進行科學的指導，完成教學督導任務.

圖7 服務平臺模型

3 設備測試及結果分析

3.1 研究對象

實驗選取大學二年級非體育專業本科男生50人，平均年齡19.5歲，其中有38人引體向上成績未達到《國家學生體質健康標準(2014年修訂)》(以下簡稱標準).

3.2 實驗指標

本實驗測試指標是體重、上臂放松圍和緊張圍、胸圍和引體向上次數.

3.3 實驗分組

根據標準測試50名大學生的引體向上成績.

完成次數≥7的18名學生為A組，平均完成次數7.4個;完成次數<7的32名學生為B組，平均完成次數3.9. A組平均隨機分成2個小組，由A1和A2組成，B組平均隨機分成2個小組，由B1和B2組成，訓練周期為1個月，在課余時抽出時間進行訓練，每周訓練2次，每次訓練4組，每組間隔5 min,每組限定時間為30 s.

A1組每次完成4組訓練，每組一開始就使用引體向上訓練器使之達到極限次數. A2組只完成4組極限次數訓練，不增加配重力訓練. B1組每次完成4組訓練，每組訓練先不開啟引體向上訓練器，而是在達到極限次數后馬上開啟，直到到達訓練極限次數. B2組一直開啟引體向上訓練器，始終在配重力的協助下完成4組訓練.

3.4 實驗結果

3.4.1 A組引體向上訓練前后成績對比

依據標準，對A組訓練前后進行數據對比分析，大二學生引體向上10次以上達標準要求，A 組參訓前平均次數7.4個，有11人已達標及格，7人未合格. 訓練后平均完成11.0個，達標率100%，且上臂圍及胸圍均有顯著性增加，實驗證明訓練使肌肉體積和力量均有增加.

表1 A組訓練前后各指標平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

表2 A1和A2組訓練前后各指標平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

3.4.2 B組引體向上訓練前后成績對比

B 組訓練前平均成績3.9個，全部沒有達到及格標準，訓練后測試成績平均7.9個，20人達標，12人仍未達標及格. 從中可以看出，使用該引體向上訓練器可以使使用者訓練次數達到明顯提升. 訓練者上臂緊張圍度和放松圍有所增加，但無顯著性增加，胸圍有顯著性增加.

表3 B組訓練前后各指標平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

表4 B1和B2組訓練前后各指標平均值的變化

注: (1)P<0.01,(2)P< 0.05.

4 結束語

本文以智慧校園中的運動輔助及督導成果中的智能引體向上器為實例,具體闡述了其軟硬件實現過程以及實驗結果. 使用該引體向上訓練器后，訓練者的訓練效果有了明顯提升. 訓練者使用手機APP也可以得到專業化、個性化的指導. 采集的訓練者數據也為學校的體育管理機構提供了有用的數據分析基礎. 從高校教育層面來講，智慧校園中的運動輔助及督導應用實例相較傳統引體向上訓練器的先進之處在于結合當下“互聯網+”的趨勢，打造從訓練者APP到云端數據存儲的一站式服務，并給予一定的運動指導意見. 運動輔助及督導與“互聯網+”的結合不僅是校園體育運動信息化建設的新階段，更是新形勢下校園體育運動建設的新變革.

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