技术领域
本实用新型涉及一种实时监测系统，具体涉及可用于足球运动项目 的专项训练实时监测系统。
背景技术
足球是一项高强度、大负荷的比赛项目，要求运动员在高速跑动中， 通过准确发挥个人和集体的战术水平，达到战胜对手的目的。因此，如 何将高强度的训练负荷与足球运动员的专项技术高度融合，是提高足球 运动员专项能力的关键。对于如何量化中国足球队的专项强度和负荷这 个足球训练的核心问题，始终没有得到有效而合理的解决方法。
在国际上，通过不同的专项设备对运动员的训练进行量化和分析以 及成为一种必然趋势。在国内，从训练观念的改变到体育高技术设备科 研的研发也逐渐处于加速追赶状态，对训练现场运动员训练信息的采集 及反馈系统的研发也越发受到重视。但是，就目前引入的一套国外产品 而言，其设备在实时性、便携性比较薄弱，需要专人操作且事后分析， 无法帮助教练员现场指导训练，提高训练效果。特别是使用费用较高， 操作繁琐，无法在日常训练中使用。
实用新型内容
有鉴于此，提供一种足球专项训练实时监测系统，可以对足球运动 员训练过程中的心率、速度、加速度、位移曲线、等数据进行实时监测， 并能查看和导出运动员各项指标的报表、曲线图和柱状图，量化运动员 训练强度负荷、实时监控运动员的专项强度负荷指标，帮助教练员更客 观地评价训练效果、有针对性的制定训练计划，以提高训练效果。
根据本实用新型的一方面，提供一种足球专项训练实时监测系统， 包括心率传感器、数据采集终端、移动无线基站、平板电脑，其中，所 述心率传感器由运动员佩戴，通过蓝牙方式与数据采集终端连接；所述 数据采集终端以Zigbee方式与移动无线基站相连接，进行数据传输；所 述移动无线基站以WiFi方式与平板电脑连接。
优选地，所述心率传感器至少包括心率胸带传感器和心率臂带传感 器中的一种。
优选地，所述数据采集终端包括CPU处理单元、GPS模块、蓝牙 模块、9轴传感器、Zigbee模块、Zigbee天线、FLASH存储模块和电池 管理模块，
所述GPS模块、蓝牙模块、9轴传感器、Zigbee模块、Zigbee天线、 FLASH存储模块、电池管理模块分别均与CPU处理单元相连，GPS天 线连接在GPS模块上，Zigbee天线连接在Zigbee模块；
所述GPS模块用于获取运动员的实时经度和纬度并发送给CPU处 理单元；
所述蓝牙模块用于接收所述心率传感器发送的心率值并发送给 CPU处理单元；
所述9轴传感器用于获取运动员的角速度信息、加速度信息和运动 方向信息并发送给CPU处理单元；
所述CPU处理单元用于接收所述GPS模块、所述蓝牙模块、所述 9轴传感器发送的数据信号进行数据处理，并通过Zigbee模块及Zigbee 天线将采集到的数据信号发送至移动无线基站；
所述FLASH存储模块用于存储运动员训练过程中的原始数据和设 置参数信息；
所述电池管理模块为上述模块供电。
优选地，所述数据采集终端还包括声光报警模块，用于当电池电量 过低时通过声音和灯光指示进行报警。
优选地，所述9轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速传感器和三轴 磁感应传感器，所述三轴陀螺仪用于获取运动员的角速度信息，所述三 轴加速传感器用于获取运动员的加速度信息，所述三轴磁感应传感器用 于获取运动员的运动方向信息。
优选地，所述移动无线基站包括Zigbee模块、Zigbee天线、WiFi 模块和WiFi天线，Zigbee天线连接在Zigbee模块上，WiFi天线连接在 WiFi模块上，Zigbee模块与模块通过串口转USB模块进行通讯。
优选地，所述移动无线基站还包括可扩展USB-HUB模块，与WiFi 模块通过USB接口连接，用于根据不同的传输协议扩展成相应的接口模 块。
本实用新型提供的足球专项训练实时监测系统采用传感器技术、生 物识别技术、GPS定位技术、UWB室内定位技术、无线传输技术以及 大数据分析处理技术，并结合数据滤波、数据分析、规则验证相结合的 方法，对足球运动员训练过程中的心率、速度、加速度、位移曲线、等 数据进行实时监测，并能查看和导出运动员各项指标的报表、曲线图和 柱状图，便于分析同一运动员不同次训练或不同运动员同一次训练之间 的差异，还可以用于量化运动员训练强度负荷、实时监控运动员的专项 强度负荷指标、帮助教练员更客观地评价训练效果、有针对性的制定训 练计划，以提高运动员的整体素质。该系统具有无线、便携、智能、易 于操作的特点，能够对大规模、群体化户外运动项目进行运动员体能及 专项技术方面的监测。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述 以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本实用新型实施例的足球专项训练实时监测系统的结构示意 图。
图2为本实用新型实施例的数据采集终端的结构示意图；
图3为本实用新型实施例的移动无线基站的结构示意图；
图4为本实用新型的室内定位装置的结构示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅 限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些 特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可 以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、 过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说 明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、 “包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也 就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅 用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用 新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，足球专项训练实时监测系统包括：心率传感器10、数 据采集终端20、移动无线基站30、平板电脑40。
所述心率传感器10由运动员佩戴，通过蓝牙方式与数据采集终端 20连接；所述数据采集终端20以Zigbee方式与移动无线基站30相连接， 进行数据传输；所述移动无线基站30以WiFi方式与平板电脑40连接。
所述心率传感器10由运动员佩戴，以无线方式与数据采集终端20 相连接；心率传感器10与数据采集终端20之间采用的是无线蓝牙4.0 协议传输数据。运动员佩戴的心率传感器和数据采集终端是通过蓝牙配 对连接的，只需配对1次，不同运动员的设备之间是不会相互串扰和影 响的。心率传感器10至少包括心率胸带传感器和心率臂带传感器中的一 种，心率胸带传感器可佩戴在胸前，通过心率带两侧的电极测量皮肤中 的心动电流或者电势的周期变化，然后计算出精确地心率值。心率臂带 传感器可佩戴在手腕处，通过光学技术监测血流量及心率值。
如图2所示，所述数据采集终端由CPU处理单元201、GPS模块 202、GPS天线203、蓝牙模块204、9轴传感器205、Zigbee模块206、 Zigbee天线207、FLASH存储模块208和电池管理模块209组成，其中， GPS模块202、蓝牙模块204、9轴传感器205、Zigbee模块206、FLASH 存储模块208、电池管理模块209分别与CPU处理单元201相连，GPS 天线203连接在GPS模块上，Zigbee天线207连接在Zigbee模块206 上。
数据采集终端20佩戴在运动员的背部颈下，GPS模块202用于定 位运动员的实时经度和纬度信息并发送给CPU处理单元201进行处理。 GPS模块的定位精度为2米，更新速率为10Hz。依据GPS时间进行校 时，所有设备的时间误差为2微秒。经度和纬度信息定位运动员的实时 位置坐标，坐标点能描绘出运动员的运动轨迹曲线。矢量速度信息反应 运动员在某个动作的实时速度信息。GPS模块202与CPU处理单元201 的接口为I2C接口。GPS天线203连接在GPS模块202上，本实施例中 采用的GPS天线为有源螺旋GPS全向天线。数据采集终端佩戴在运动 员的背部，有身体的部分遮挡，而且运动员在踢球过程中有各种各样的 动作和转身，如果用普通天线，接收到GPS卫星的数量较少，定位的精 度偏低，会造成运动员的定位位置有漂移，不能真实反映运动员的实时 位置。而该螺旋天线有相对较宽的方向特性：具有更宽的接收仰角，螺 旋天线适合用于各个方向都要求能自由使用的产品中，在足球穿戴设备 上使用具有良好的效果。由于靠近人体时会干扰信号接收，在这种情况 下使用螺旋天线造成的影响也相对较小，因而在距离人体组织或远或近 的位置、在各个方向数据采集终端都能实现GPS高精度的接收定位。
该天线包括完整的巴伦电路(Balun)设计，此设计能隔离天线周边 的讯号，因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干 扰，这就避免了GPS天线和Zigbee天线信号之间的干扰。
该螺旋天线采用了右方向螺旋形(Right Hand Circular Pattern， RHCP)陶制圆柱，从天线的水平线上面接受的信号往右方向旋转后也 可以传达到下面的极部，而从天线的水平线下面接受的信号往左方向 旋转后也可以传达到上面的极部。这样GPS接受器不管是在高楼大厦还 是在其它多种环境下都比以前的天线更为出色的接受信号，增强了接受 信号的强度。
蓝牙模块204采用蓝牙V4.0BLE(Bluetooth Low Energy)协议，和 运动员佩戴的心率传感器10配对成功后，实时接收运动员的心率值和心 率传感器的电池电量信息，蓝牙模块204把信息转发给CPU处理单元 201。本实施例中的蓝牙模块204可以采用TI CC2540芯片，配置256Kb 空间，支持AT指令，用户可根据需要更改角色(主、从模式)以及串 口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。主从一体的设计， 透明传输，无需单片机控制。自带串口与单片机的收发没有字节限制， 工作频率为2.4GHz。2.4GHz是一个全球性的频段，开发的产品具有全 球通用性，具有带宽高、功耗低等特点。
9轴传感器205包括三轴陀螺仪、三轴加速传感器和三轴磁感应传 感器。其中，三轴陀螺仪测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也 称为运动传感器，可判别运动员在踢球、运球、头球、接球、射门等动 作时身体的倾斜角度等；三轴加速度传感器测量物体空间矢量的加速度， 依据此加速度可反应运动员加速快慢；三轴磁感应传感器测量物体运动 的方向，可计算运动员在球场上的运动方向。9轴传感器205将测量到 的数据发送给CPU处理单元201，CPU处理单元201接收测量到的数据 并进行滤波、分析处理。
Zigbee模块206采用Zigbee协议，Zigbee协议是一种低功耗、短距 离、可组网的无线通讯协议。Zigbee无线通讯网络技术是全球通用的 2.4GHz的免执照频率。一个主节点可以组网管理254个子节点，一般足 球运动一个团队不会超过11人，Zigbee能方便的把运动员的信息组网管 理。足球场地最大为120m*90m，而Zigbee的传输距离能达到1-3Km。 Zigbee天线207连接在Zigbee模块206上。CPU处理单元201把所有采 集和处理后的数据通过Zigbee模块206和Zigbee天线207发送到移动 无线基站30。
Zigbee协议为半双工通讯协议，移动无线基站30和数据采集终端 20之间不能同时进行收发数据。整个系统数据采集终端为11台或更多， 每台数据采集终端20和移动无线基站30的通讯也都是分时通讯的，每 台数据采集终端20和移动无线基站30的通讯时长为50毫秒。数据采集 终端20的时间都是源于GPS卫星，整个系统设备之间的时间误差在2 微秒，这样就保证了多台数据采集终端和移动无线基站之间数据通讯没 有碰撞，保证了数据传发的有效性，更加充分的利用了带宽，避免了带 宽的浪费。
Zigbee数据传输采用透明传输的方式，透传的好处在于用于不需要 考虑模块中程序如何运行的，用户只需要将自己的数据通过串口发送到 Zigbee模块里，然后模块自动把数据用无线传输出去，并按照预先配置 好的网络结构，和网络中的目的地址节点进行收发通讯，接收模块会进 行数据校验，如数据无误即通过串口送出。Zigbee天线207连接在Zigbee 模块206上，延长传输距离。其中，Zigbee天线采用内置PCB天线。
FLASH存储模块208用于存储运动员训练过程中的原始数据和设 置参数等信息。FLASH存储模块可保存记录运动员在比赛和训练过程中 的所有数据，以备份运动员在比赛和训练过程中的数据，当无线网络出 现故障无法连接移动无线建站时，比赛或训练结束后，可通过USB接口 把数据导出到电脑PC。
电池管理模块209用于为上述模块供电。当电池电量低于预警值时， 电池管理模块209自动报警并提醒用户充电，当低于极限值时，可自动 断电，数据采集终端20关机。
优选地，所述数据采集终端还包括声光报警模块211，用于根据电 池电量进行报警。即电量过低时，红色led指示灯闪烁，蜂鸣器发出“滴 滴”声。在正常充电时，红色Led指示灯闪烁，当充满电时，红色LED 指示灯常亮。
如图3所示，移动无线基站30包括Zigbee模块301、Zigbee天线 302、WiFi模块303和WiFi天线304。Zigbee天线302连接在Zigbee模 块301上，WiFi天线304连接在WiFi模块303上。Zigbee模块301与 WiFi模块303通过串口转USB模块306进行通讯。Zigbee模块301通 过Zigbee无线2.4GHz协议，接收数据采集终端20的数据，然后通过 SPI接口转发到wifi模块303，平板电脑40从wifi模块303接收数据并 以图形界面显示。
优选地，所述移动无线基站还包括可扩展USB-HUB模块305，与 WiFi模块通过USB接口连接，用于根据不同的传输协议扩展成相应的 接口模块。
优选地，Zigbee模块301通过串口转USB模块306与WiFi模块303 内部的基带处理器3031(图中未示出)相连。
具体地，Zigbee信号到WiFi信号的转换过程：Zigbee模块出来的 串口TTL电平信号经过串口转USB模块转成USB差分信号，WiFi模块 把接收到的USB差分信号，WiFi模块303内部的基带处理器3031将 USB差分信号经过算法处理转化为标准的TCP/IP网络协议，然后通过 WiFi天线发出。WiFi信号到Zigbee信号的转换过程：WiFi天线接收到 的标准网络TCP/IP协议包经过WiFi模块303内部的基带处理器3031 转换为USB差分信号，并传送给串口转USB模块转换为TTL电平信号， Zigbee模块接收到的TTL串口信号经过打包通过Zigbee天线发出。
移动无线基站30利用三脚架固定在足球场周边。
PAD(平板电脑)40终端是一种小型、方便携带的个人电脑，以触 摸屏作为基本的输入设备。由于其携带方便，配置资源丰富，可作为足 球运动专项训练的手持终端使用。PAD接收各个数据采集终端的数据， 并以曲线和柱状图的形式实时显示，以便教练员查看每位运动员的状态。
优选地，所述足球专项训练实时监测系统还包括室内定位装置50。
优选地，所述数据采集终端20还包括UWB标签模块210，用于向 室内定位装置50发送高速脉冲信号。
如图4所示，室内定位装置包括CPU模块501、UWB传感器502、 ZigBee模块503和ZigBee天线504，其中，所述UWB传感器502、Zigbee 模块503与CPU模块501连接，Zigbee天线504连接在Zigbee模块503 上。
UWB传感器502是一个高速脉冲接收器，接收数据采集终端20发 送的高速脉冲信号，并把接收到的高速脉冲信号的时间和角度发送给 CPU模块501，CPU模块501把数据打包通过zigbee模块503和Zigbee 天线504发出。
室内定位装置50设置在室内足球场的四个角，接收每位运动员佩 戴的数据采集终端发送的高速脉冲信号，4个室内定位装置通过对比高 速脉冲到达的时间差和角度的不同定位运动员的实时位置坐标信息。4 个室内定位装置50如果计算接收到高速脉冲信号的时间差，则4个室内 定位装置的时间需同步，必须有1时钟源为4个室内定位装置授时。4 个室内定位装置的时钟源是PAD，PAD内部有3G模块，PAD把网络时 钟服务器的时间发送到移动无线基站，移动无线基站把时间发送到室内 定位装置50。
当足球运动场在室外时，系统可以使用GPS定位，获取运动员的定 位信息；也可同时使用GPS定位和UWB定位两种定位算法，对数据进 行校验互补处理，使得定位更精确。
本实用新型实施例提供的足球专项训练实时监测系统采用传感器 技术、生物识别技术、GPS定位技术、UWB室内定位技术、无线传输 技术以及大数据分析处理技术；并结合数据滤波、数据分析、规则验证 相结合的方法，对足球运动员训练过程中的心率、速度、加速度、位移 曲线、等数据进行实时监测，并能查看和导出运动员各项指标的报表、 曲线图和柱状图，便于分析同一运动员不同次训练或不同运动员同一次 训练之间的差异，还可以用于量化运动员训练强度负荷、实时监控运动 员的专项强度负荷指标、帮助教练员更客观地评价训练效果、有针对性 的制定训练计划，以提高运动员的整体素质。该系统具有无线、便携、 智能、易于操作的特点，能够对大规模、群体化户外运动项目进行运动 员体能及专项技术方面的监测。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新 型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡 在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本实用新型的保护范围之内。