基于无线传输的竞走训练智能裁判系统的研究

引 言

竞走是传统的奥运会竞赛项目，也是田径运动中唯一要依据裁判员技术判罚而影响运动员成绩的项目。裁判员的判罚在一定程度上决定着运动员能否取得优异成绩，而裁判在执行判罚过程中，不可避免地会带有个人的主观因素。另一方面，运动员在训练过程中，由于个人素质的不同，技术动作也会千差万别，要想通得裁判的“慧眼”必须练就过硬的技术，这使得运动员在训练场上必须严格训练，而由于竞走项目本身的技术特点，导致对于技术尺度非常难以把握。基于无线传输的竞走训练智能裁判系统的设计填补了此项的空白，它能够帮助裁判员提供一个客观、统一的标准。为科学训练和比赛提供了良好的技术保证，从根本上解决了比赛中人为的判断失误和误差，使成绩更加准确，而且还能显示出竞走过程中的真实数据。

1 系统的设计原理和结构框图

根据国际田联手册1996～1997年规定和中国田协通知，从1996年开始，竞走定义由保持单双脚交替支撑防止腾空的规定明确改为“没有可见的腾空(以眼睛观察)”，默认了竞走中腾空现象的存在[1]。又根据《1992年奥运会我国竞走项目科研攻关》的研究成果：竞走比赛中小于42 ms为合理腾空时限；42 ms～47 ms为模糊腾空时限；大于70 ms为犯规腾空时限。因此，本系统研究的关键就是捕获运动员的腾空时限，并加以判断，若大于合理腾空时限，能够通知裁判。

系统主要由犯规信号捕获、信号无线传输和信号上传3部分组成。系统结构如图1所示。

犯规信号捕获是指当运动员双脚腾空后，智能系统能自动识别，并记录下来；信号无线传输是指通过无线传输芯片nrf905将犯规运动员的信息发送到裁判员的手持表；信号上传是指比赛结束后，通过usb接口将运动员随身携带的发射仪器记录的比赛时的数据传输给计算机，进一步核实运动员在比赛中的信息。

2 犯规信号的捕获

犯规信号的捕获是通过镶嵌于鞋底的一组开关阵列完成的。运动员在竞走过程中，首先是脚跟着地，然后由脚外侧过渡到前脚掌至脚尖。开关阵列见图2。

设想的开关阵列固定在0．1 mm厚的印制电路板上，镶嵌于运动员鞋底，开关大小是15 mm×15 mm，利用鞋底的橡胶对它产生缓冲的作用来减小开关的承受力，从而延长开关的使用寿命。每组开关阵列包含8个开关量，即每个鞋底安装8个开关。开关阵列的分布主要集中在运动员竞走过程中的着力点：脚底前侧、后侧和外侧。这样，运动员在竞走过程中，脚的任意位置着地，开关阵列至少会有一个开关闭合，只有当双脚腾空时，对地面的压力为0，所有的开关断开。此时，就视为运动员腾空。

主控制芯片通过扫描开关阵列(见图3)判断运动员是否犯规。当所有开关都断开时，启动计时器开始计时，任意一个开关再次闭合后停止计时，主控芯片读取计时时间，若小于腾空时限，则认为运动员没有犯规，丢失数据；若大于腾空时限，就认为运动员犯规一次，单片机会自动将此运动员的信息保存下来，并无线发送给裁判员，作为裁判员判断运动员是否犯规的依据。

3 信息的发射、接收和上传

竞走距离几度变动，现在被确认为奥运会比赛项目的有50 km、20 km、10 km。当前50 km竞走世界记录是3h36min3s，一般选手需4 h左右。在这4 h时间内，要保证系统能够正常工作。又由于发射仪器是运动员随身携带的装置，所以必须轻便且功耗低。受上述条件影响，本系统选用低功耗的芯片，且设计的系统尽量简化。本系统的主控芯片选用低功耗msp430单片机，无线发射芯片选用nrf905发射芯片。

3．1 无线发射

nrf905单片无线收发器可以工作在433 mhz／868 mhz／915 mhz这3个ism(工业、科学和医疗)频段。由完全集成的频率调制器、带解调器的接收器、功率放大器、晶体振荡器和调节器组成。采用shock-burst工作模式，自动产生前导码和crc(循环冗余检验)。最大数据传输率(曼彻斯特编码)100 kbit／s,，可以很容易通过spi接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10 dbm时，发射电流为11 ma，接收电流为12．5 ma。有掉电和待续模式两种省电模式，掉电模式时消耗电流为2．5μa，待续模式根据不同晶振频率略有不同，但都在μa级。

nrf905发射电路如图4所示。

在使用nrf905前要通过spi口对寄存器进行设置，如频段的选取、地址的设置等。每个发射仪器有唯一的地址，地址的长短根据设置可以是1～4个字节不等。理论上，比赛过程中最多可以使用232个发射仪器，在试验时发现类似0x55h的地址不可用，可能与nrf905本身硬件有关，这样除去手持表的地址和0x55555555h，运动员可使用232一2个地址，远远多于比赛的人数。本系统使用过程中，为节省电量，正常情况下nrf905处于待机模式，此时消耗电流32μa。每名参赛的运动员携带一个唯一表明自己标识信息的发射仪器。当发射仪器的主控芯片检测到运动员有腾空现象时，自动从ds1302中读取时间，并记录下此运动员的号码、犯规时间、犯规次数，同时唤醒nrf905芯片，将此运动员的信息无线发射到裁判员的手持表中。

3．2 信息的接收

信息接收设备是裁判员手中的手持表，接收发射仪器发射来的运动员的犯规信息。手持表的主控芯片选用带有液晶驱动的msp430f435单片机，连接nrf905、液晶显示器、蜂鸣器等。手持表中保存着所有受训的运动员的号码，当收到发送来的信息后，声音提示裁判员有人犯规，同时液晶显示器上显示出犯规运动员的号码、犯规时间和犯规次数。存储在flash存储器中的该运动员的信息也将被重新刷新。若该运动员在本次比赛中犯规已达3次，手持表会提示裁判员，此运动员犯规次数已达最大。它的具体电路图与发射仪器的电路类似，在此不再赘述。

3．3 信息usb上传

本系统中设计了usb接口，比赛结束后，工作人员可以将运动员携带的小发射仪器插到计算机usb口上，读取该运动员在比赛过程中的信息，进一步确定运动员比赛的信息，为运动员的竞走信息存档等，同时也可防止无线发射时手持表没有接收到而漏掉的信息。

传统上，usb接口开发比较复杂，在与其他usb接口芯片相比较后，本系统选用了cygnal公司的uart转usb芯片cp2101，选择这种接口芯片，可使usb通信接口设计变得十分容易。与同类相比，其体积小、集成度高，不需要外部元件，低功耗，速度快，并且开发简单。图5是cp2101的典型接口电路。

4 试验

试验的主控芯片使用msp430f133。发射芯片nrf905的晶振16 mhz，选用发射频率和功率分别是868 mhz和10 dbm，发射字节数是8，包括2字节的运动员号码、3字节的犯规时间(时、分、秒)、1字节的犯规次数和2个待使用的空白字节。试验时发射仪器的主印制电路板为30 mm×50 mm。

4．1 试验的功耗

本系统选用的都是低功耗的芯片，nrf905处于待机模式时，测量整个系统消耗电流为0．72 ma，发送信息时测量电流为27．42 ma。运动员在竞走3次犯规后被罚下，也就是说运动员携带的发射仪器只有3次发射的机会，发射瞬间完成。系统供电电压3．6 v，由此计算在4 h比赛时间内最大消耗电量36 w?s，使用一个lir2477 160 ma?h、24．o×7．7mm、3．6 v／节扣式电池就可以达到要求。试验结果与此相符。

4．2 试验结论

在试验过程中，使用手动按键模拟运动员腾空，当按键时间超过45 ms时，激发nrf905发射。试验结果表明，无线通信距离约134 m，一人携带发射仪器沿400 m的环形草场竞走，一人拿手持表站在草场中间，通信没有盲点，能够完全接收到发送来的数据。

5 结束语

本文根据竞走运动的特点，应用电子技术设计了一种客观的判断竞走犯规的方法，经试验表明其是可行的。这对于提高竞走训练和裁判的水平有着重要意义。

在电子技术日益渗透到体育行业的今天，竞走犯规检测设备必将有广阔的发展前途。随着更多同行的介入，电子技术有望成为比赛和训练有力的监督手段。