賽艇水上訓練監控系統開發與應用

王 謙，楊棟棟，易英達

當前，物聯網、5G、云計算、大數據等科技手段的不斷成熟為各行各業帶來革命性的變化.然而，在賽艇運動水上訓練監控領域，雖然相關專家已經進行了諸多研究，但成熟的產品卻鮮有問世.本文致力于優化賽艇水上訓練監控系統的系統設計、框架開發、硬件研制、傳輸環境等方面的功能，實現關鍵參數（如船速、槳頻、心率、功率等）的實時獲取和呈現，并在訓練結束后將數據傳至后臺進行詳細分析.這一創新性工作將幫助教練員和運動員精準掌握訓練表現，為提升訓練成績提供有力支持.

1 系統框架

賽艇水上訓練監控系統是根據賽艇訓練中運動員實際競技需求和教練員實際執教需求，運用互聯網云計算、大數據、5G、物聯網等技術進行設計.該系統由智能終端、軟件平臺和服務器三部分組成.其中，智能終端主要實現通過物聯網傳感器件收集船速數據、槳頻數據、運動員心率數據等功能；軟件平臺主要實現信息交互、數據展現等功能，包括客戶端登錄、訓練計劃制訂、訓練人艇綁定、訓練數據展現、訓練數據分析；服務器主要實現與數據庫建立連接、執行數據庫操作、讀取各智能終端上傳的數據、與軟件平臺進行數據信息交互，并完成管理、存儲、分析，包括用戶注冊、登錄、數據顯示、設備管理等.系統通過智能終端傳感器進行船速、槳頻、心率等數據的收集并傳輸至服務器，在軟件平臺上實時展現相關數據參數，通過數據庫進行歷史訓練數據的歸類與存檔，進而輔助教練員科學籌劃訓練計劃、規范管理訓練流程、實時查看訓練數據、全面進行數據分析、精準制定糾偏方案［1］.系統總體框架如圖1 所示.

圖1 賽艇水上訓練監控系統總體框架圖

2 系統設計與實現

2.1 智能終端

智能終端主要由槳頻傳感器、船速傳感器、心率傳感器三個硬件系統構成，通過傳感器完成訓練基礎信息的數據采集.

槳頻傳感器是一種基于MEMS 技術的高性能三維運動姿態測量設備，包含運動傳感器，如三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸電子羅盤等，集成了高性能傳感器和運用姿態動力學核心算法引擎，并結合高動態Kalman 濾波融合技術，利用藍牙模塊與船速儀將采集到的運動數據通過TCP 協議進行通信，上傳到系統平臺［2］.

槳頻傳感器通過九軸傳感器計算運動員劃槳時槳桿的旋轉角度在一定范圍內的變化，進而分析得出每次運動員在劃槳過程中，九軸傳感器中的X、Y、Z軸總是在一定范圍內重復做規則旋轉運動，以此計算出每一次槳桿旋轉初始角度到下一次旋轉初始角度為一槳，從而得出準確槳頻值J（槳頻）=C（槳數）/T（分鐘）.藍牙模塊將槳頻數據傳輸至高精度船速儀，傳輸頻率為每秒10 次.船速儀經過數據處理后，再通過LoRa 模塊無線通信功能完成與服務器的數據傳輸.

船速傳感器集成了低功耗GNSS 全星雙頻芯片、四核1.5 GHz 高頻處理器、4G/5G 通信模塊、3.1 英寸高清屏、藍牙5.0 模塊、重力傳感器、陀螺儀、指南針、氣壓計，外加小型化全方向螺旋天線、電源模塊. 使用CORS 連接SDK 模塊、網絡對講模塊和4G/5G 網絡，與Android 系統深度結合.定位模塊采用GNSS 全星雙頻芯片實時獲取高精度定位數據，并通過4G/5G 通信模塊利用TCP 協議將采集到的運動數據上傳至系統［3］.

船速傳感器主要采用RTK 定位技術，是一種基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度.在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一并傳送至流動站.流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS 觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，數據傳輸時長不超過一秒.通過對GPS實時數據的分析和計算，可以得出單位時間（T）內運動員移動的距離（S），利用公式V=S/T計算得出即時船速［4］.

心率傳感器模塊由心率帶和心率表組成.心率帶是一個發射器，包含導電橡膠的電極.心率表是一個接收器，包含施密特觸發器、諧振電路.心率傳感器還集成了藍牙模塊和電源模塊.心率數據通過心率帶兩側的電極測量皮膚中的心動電流或電勢的周期變化而得出，感應器的極片位于胸帶前方兩側，運動員戴上胸帶后，胸帶內的極片采集心動電流波動幅度，再通過無線傳輸技術發送給心率表,轉化為便于觀察的心跳BPM 數值.系統通過藍牙與心率帶進行通信，將心率帶的心率實時心跳值（C）傳送到指定終端，通過公式X=C/T計算出實時心率值，再通過藍牙模塊與船速傳感器進行通信，利用TCP 協議將采集到的運動數據上傳至系統，在指定終端實時顯示心率值［4］.

2.2 軟件平臺

軟件平臺基于J2EE 體系，依附于Android操作系統開發實現，采用SpringBoot+vue 框架，搭配MySQL 輕量數據庫，以及Redis 進行數據讀寫、數據接收、數據處理和數據存儲分離，并使用Docker 進行虛擬化部署.主要功能包括訓練課程制訂、訓練數據展現、訓練數據分析三大功能.教練員登錄后可以制定水上訓練計劃、查看訓練數據；管理員登錄后可對運動員ID、船速設備、心率設備、槳頻設備進行增刪.利用平臺與服務器進行網絡通信、對傳感器接收到的數據進行展現［5］.

2.2.1 網絡通信設計

船速傳感器與心率傳感器之間通過藍牙模塊進行數據采集，并與服務器完成信息交互.船速傳感器通過HTTP 協議向服務器發送指定格式的字符串，服務器接收到字符串后，經過后臺處理將信息封裝在JSON 字符串內，然后通過HTTP 協議傳輸，再經過JSON 字符串解析后，到達終端.

船速儀終端創建Http Client，并通過HTTP協議上傳信息至服務器.具體實現采用get 方式訪問服務器，通過在URL 地址里面使用問號（?）間隔，然后以param=value 的形式將參數名和數值發送至服務器.其網絡通信流程圖如圖2 所示.

圖2 網絡通信流程圖

2.2.2 用戶功能設計

用戶功能主要包括：用戶授權、登錄、記住密碼等功能.以登錄船速儀終端APP 功能為例，用戶輸入已授權的賬號密碼，船速傳感器則會向服務器發送攜帶用戶名、密碼的登錄信息，船速傳感器接收判斷服務器返回結果，若成功則跳轉至功能界面，否則提示用戶登錄失敗.登錄請求流程圖如圖3 所示.

圖3 登錄請求流程圖

完成登錄操作后，跳轉至功能菜單界面，點擊船速傳感器連接GPS、心率表、加速度傳感器、視頻等功能按鈕，可跳轉至對應的活動界面.功能菜單頁面如圖4 所示.

圖4 功能菜單頁面

系統提供了訓練課程制訂、訓練數據展現及訓練數據分析平臺，各平臺功能如表1、表2、表3 所示.

表1 訓練課程制定平臺

表2 訓練數據展現平臺

表3 訓練數據分析平臺

2.2.3 設備連接功能設計

設備連接顯示授權賬號下綁定的可登錄所有采集終端，在授權賬號下也可綁定新設備名稱.船速傳感器通過網絡將設備編號發送至服務器.服務器接收到設備編號后，查詢設備表，并將數據內容封裝在JSON 字符串內，反饋給船速儀終端.船速儀終端接收服務器返回的攜帶設備信息的JSON 格式字符串，即response 字符串，解析后，信息顯示在ListView表中［6］.設備連接功能流程圖如圖5 所示.

圖5 設備連接功能流程圖

2.3 服務器

系統服務器部署在云端，編程設計基于java 語言實現，使用MySQL 和Tomcat 組成，具有固定IP 地址.服務器主要負責與智能終端和軟件平臺進行數據交互，連接數據庫，并對接收到的數據執行數據庫相關操作.

3 系統應用

3.1 實時數據展示

教練員通過軟件平臺進入所創建的水上訓練課，可查看正在進行的訓練課實時數據，包括船速、槳頻、心率、劃行距離、排名等信息.圖6 為訓練中運動員的實時數據.

圖6 運動員訓練實時數據展示

3.2 詳細數據分析

訓練課結束后，對應的每條賽艇會生成詳細數據分析報告，教練員可對訓練日期、訓練人員、訓練艇只進行篩查并查看詳細數據分析.

3.2.1 船速數據

船速信息包括每槳平均船速、每槳最高船速、最大船速、起航最大船速等數據信息.教練員通過全程曲線可以分析得出運動員在整個訓練過程中的船速整體趨勢，亦可通過局部船速變化的趨勢，判斷運動員槳入水到拉槳變化中的運動表現.圖7 顯示了某運動員全程船速信息.

圖7 某運動員全程船速數據

3.2.2 槳頻數據

槳頻數據包括平均槳頻、最大槳頻、總槳數等數據信息.教練員制定賽艇水上訓練課時，槳頻是很重要的負荷強度參數.通過全程槳頻的變化，教練員可判斷運動員的訓練效果.圖8 為某運動員全程槳頻數據.

圖8 某運動員全程槳頻數據

3.2.3 心率數據

運動員心率數據包括平均心率、最大心率、心率百分比等數據信息.心率信息是教練員判斷運動員訓練狀態的關鍵內負荷指標，教練員通過全程心率的變化可以隨時調整訓練計劃.圖9 為某運動員全程心率數據.

圖9 某運動員全程心率數據

4 結語

賽艇水上訓練監控系統可以幫助教練員全過程監控運動員的水上訓練，不受訓練范圍、訓練天氣等客觀因素的制約，具有定位精準、數據穩定、操作簡易、傳輸迅速等特點.系統通過多傳感器實時獲取數據并展現，幫助教練員和運動員在賽艇水上訓練后對訓練數據進行分析與歸檔，幫助教練員和運動員實時掌握訓練狀況，提高訓練效果，從而為進行有針對性的訓練提供科學依據.