CN102553201A基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统.doc

CN102553201A基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统 (10)申请公布号102553201A (43)申请公布日xx.07.11102553201A*102553201A* (21)申请号xx10598927.1 (22)申请日xx.12.21A63B71/06(xx.01)H04B1/7163(xx.01)H04W84/18(xx.01) (71)申请人天津市职业大学地址300410天津市北辰区丰产道2号申请人崔雁松 (72)发明人崔雁松 (54)发明名称基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统 (57)摘要本发明专利公开了一种基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，能够有效地解决竞走比赛中因人为裁定而经常出现的错判、漏判等问题。 系统组成包括运动员装置、数据汇聚器和裁判PC机。 运动员装置负责采集数据和犯规判决；数据汇聚器负责收集犯规信息并上传给裁判PC机；裁判PC机负责存储和显示。 本系统以压力传感器和应变传感器作为运动员动作检测器件，以移动自组织网络(MANET)作为系统组网方式，以UWB作为无线通信技术，能够实时检测运动员的“腾空犯规”和“屈膝犯规”动作并通过无线方式传输到裁判处的PC机上。 系统技术先进、功能完备、智能化程度高，是辅助运动员日常训练和消除竞走比赛裁判纷争的有力工具。 (51)Int.Cl.权利要求书1页说明书3页附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图2页1/1页21.一种基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，其特征包括运动员装置、数据汇聚器和裁判PC机；运动员装置负责采集运动员的动作数据和进行犯规判决，并将运动员的犯规信息通过无线形式传送给数据汇聚器；数据汇聚器通过USB接口与裁判PC机相连，并把接收到的运动员犯规信息实时地上传给裁判PC机；裁判PC机负责存储和显示运动员是否犯规、犯规类型和犯规次数等信息运动员装置实际上是一个无线子系统，主要包括负责检测犯规数据的无线检测器和与负责数据汇聚器通信的无线判决器两部分。 无线检测器又分为“腾空犯规”检测器和“屈膝犯规”检测器两种。 “腾空犯规”检测器装配在运动鞋的鞋底，采用压力传感器作为动作检测器件；“屈膝犯规”检测器装配在运动护膝的内部，采用应变传感器作为动作检测器件。 无线检测器主要包括传感器、处理器、UWB芯片和纽扣电池四个部分。 传感器负责采集所属运动员的动作信息；处理器选用具有模数转换功能和一定存储容量的嵌入式芯片，负责控制整个无线检测器的操作、存储和处理采集到的数据；UWB芯片负责与无线判决器通信，接收控制命令和发送采集到的数据；纽扣电池为整个无线检测器供电。 无线判决器可以佩戴在运动员的腰部，负责接收无线检测器检测到的数据并依此进行犯规判决，然后把判决结果发送给数据汇聚器。 无线判决器主要包括处理器、存储器、下行UWB芯片、上行UWB芯片和纽扣电池五个部分。 下行UWB主要负责接收无线检测器的数据；处理器负责整体操作控制和犯规判决；上行UWB主要负责将判决结果上传给数据汇聚器。 由于要接收身体脚部和膝部的4个无线检测器的数据，而且要执行犯规判决算法，所以必须为处理器配置足够容量的外部存储器。 纽扣电池为整个无线判决器供电。 数据汇聚器主要包括处理器、存储器、UWB芯片和USB接口芯片四个部分。 UWB芯片负责无线接收无线判决器发来的犯规数据；存储器负责暂时存储接收到的犯规数据；处理器负责数据汇聚器各部分协调一致地工作；USB接口芯片负责数据汇聚器与裁判PC机的连接，以及利用裁判PC机给整个数据汇聚器供电。 2.一种基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，其特征还包括以移动自组织网络(MANET)作为系统组网方式。 从组网角度来看，数据汇聚器和运动员装置中的无线检测器、无线判决器构成了一个移动自组织网络(MANET)。 整个网络采用的是三层的分层体系结构。 最高层即层1为数据汇聚器构成的一个节点。 中间层即层2是由无线判决器作为骨干节点构成的移动骨干网。 最底层即层3是由无线检测器作为普通节点构成的普通节点子网。 同一域内的普通节点只与本域的骨干节点通信，由于距离很近而且位置相对固定，所以无需采用多跳技术而且相对实现简单。 骨干节点随着运动员位置的改变，可能会离数据汇聚器和裁判PC机很远，超出无线通信的范围，因此必须采用多跳通信技术。 即每个骨干节点除具有系统功能外，还要具有网络中继功能，既可以直接同数据汇聚器通信，又可以通过其他邻近骨干节点的转接将数据上传给数据汇聚器。 3.一种基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，其特征还包括犯规的综合判决方法当左右脚鞋底的压力传感器检测到的数据均比标准压力值小，此种情况则认定为运动员“腾空犯规”。 用比较两个压力传感器检测数据大小的方法来确定哪一条腿是支撑腿，支撑腿上的应变传感器检测数据若比标准应变值大，则认定为“屈膝犯规”。 权利要求书102553201A21/3页3基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统技术领域0001本发明涉及一种竞技体育比赛项目中的监测系统，特别涉及一种竞走犯规的监测系统。 背景技术0002竞走比赛是一项对动作规范要求非常高的田径运动项目，有两个针对下肢运动的核心规则首先，一个竞走运动员必须始终保持至少有一只脚落在地面上，即不能有“腾空”动作；其次，从前进脚落地的一刻起直到腿部达到垂直的姿势，腿部必须保持直线，膝盖不能弯曲。 违反这两项规则就视为犯规，前者称为“腾空犯规”，后者称为“屈膝犯规”。 目前，国内国际上竞走比赛的犯规裁定仍然采用以目测为主，摄像记录为辅的方法。 该方法存在的弊端有二一是为保证裁定的公正性，一项比赛不得不采用较多数量的裁判，从而造成人员的浪费。 二是由于竞走比赛赛程一般较远，运动员的动作不大但很快，通过目测的方法不可能做到对每个运动员全程的每一步观察到位。 因此，不可避免地出现裁判漏判、错判以及裁判员与运动员之间发生争执的情况，从而使竞走犯规成为所有竞技体育比赛项目中最难裁定，且裁判最有争议的项目之一，广大体育工作者迫切要求解决这一问题。 发明内容0003针对上述问题，本发明设计了一套智能无线监测系统，以实现对运动员竞走过程中“腾空犯规”和“屈膝犯规”的实时、准确、有效地检测与记录。 0004本发明的技术方案基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，其特征包括运动员装置、数据汇聚器和裁判PC机；运动员装置负责采集运动员的动作数据和进行犯规判决，并将运动员的犯规信息通过无线形式传送给数据汇聚器；数据汇聚器通过USB接口与裁判PC机相连，并把接收到的运动员犯规信息实时地上传给裁判PC机；裁判PC机负责存储和显示运动员是否犯规、犯规类型和犯规次数等信息0005运动员装置实际上是一个无线子系统，主要包括负责检测犯规数据的无线检测器和与负责数据汇聚器通信的无线判决器两部分。 0006无线检测器又分为“腾空犯规”检测器和“屈膝犯规”检测器两种。 “腾空犯规”检测器装配在运动鞋的鞋底，采用压力传感器作为动作检测器件；“屈膝犯规”检测器装配在运动护膝的内部，采用应变传感器作为动作检测器件。 无线检测器主要包括传感器、处理器、UWB芯片和纽扣电池四个部分。 传感器负责采集所属运动员的动作信息；处理器选用具有模数转换功能和一定存储容量的嵌入式芯片，负责控制整个无线检测器的操作、存储和处理采集到的数据；UWB芯片负责与无线判决器通信，接收控制命令和发送采集到的数据；纽扣电池为整个无线检测器供电。 0007无线判决器可以佩戴在运动员的腰部，负责接收无线检测器检测到的数据并依此进行犯规判决，然后把判决结果发送给数据汇聚器。 无线判决器主要包括处理器、存储器、下行UWB芯片、上行UWB芯片和纽扣电池五个部分。 下行UWB主要负责接收无线检测器说明书102553201A32/3页4的数据；处理器负责整体操作控制和犯规判决；上行UWB主要负责将判决结果上传给数据汇聚器。 由于要接收身体脚部和膝部的4个无线检测器的数据，而且要执行犯规判决算法，所以必须为处理器配置足够容量的外部存储器。 纽扣电池为整个无线判决器供电。 0008数据汇聚器主要包括处理器、存储器、UWB芯片和USB接口芯片四个部分。 UWB芯片负责无线接收无线判决器发来的犯规数据；存储器负责暂时存储接收到的犯规数据；处理器负责数据汇聚器各部分协调一致地工作；USB接口芯片负责数据汇聚器与裁判PC机的连接，以及利用裁判PC机给整个数据汇聚器供电。 0009本发明的技术方案基于UWB移动传感器网络的竞走犯规智能监测系统，其特征还包括以移动自组织网络(MANET)作为系统组网方式。 从组网角度来看，数据汇聚器和运动员装置中的无线检测器、无线判决器构成了一个移动自组织网络(MANET)。 整个网络采用的是三层的分层体系结构。 最高层即层1为数据汇聚器构成的一个节点。 中间层即层2是由无线判决器作为骨干节点构成的移动骨干网。 最底层即层3是由无线检测器作为普通节点构成的普通节点子网。 同一域内的普通节点只与本域的骨干节点通信，由于距离很近而且位置相对固定，所以无需采用多跳技术而且相对实现简单。 骨干节点随着运动员位置的改变，可能会离数据汇聚器和裁判PC机很远，超出无线通信的范围，因此必须采用多跳通信技术。 即每个骨干节点除具有系统功能外，还要具有网络中继功能，既可以直接同数据汇聚器通信，又可以通过其他邻近骨干节点的转接将数据上传给数据汇聚器。 0010本发明的优点和积极效果是0011 (1)以压力传感器作为腾空动作的检测元件，以应变传感器作为屈膝动作的检测元件，由每个运动员携带的无线判决器根据接收到的两个压力传感器和两个应变传感器的检测数据综合地进行犯规判决，能够同时检测出“腾空犯规”和“屈膝犯规”，判决结果准确可靠。 0012 (2)以UWB作为物理层无线传输技术，具有抗干扰能力强、传输速率高、耗能小、不易被截获等优点。 系统选用UWB单芯片，同时具有物理层、MAC层和无线收发的功能，缩小了系统中设备的体积，大大增加了系统集成度。 0013 (3)以移动自组织网络作为系统组网方式，具有自发现、自动配置、自组织、自愈的特性，其中的多跳技术更是克服了一般无线通信传输距离有限的问题。 0014 (4)本发明技术先进、功能完备、智能化程度高，是辅助运动员日常训练和消除竞走比赛裁判纷争的有力工具。 附图说明0015下面结合附图对本发明作进一步详细说明0016图1是本发明的整体结构图；图2是本发明中无线检测器的组成结构图；图3是本发明中的无线判决器的组成结构图；图4是本发明中的“腾空犯规”判决情况分析表；图5是本发明中的“屈膝犯规”判决情况分析表；图6是本发明中的数据汇聚器的组成结构图；图7是本发明的整体网络分层体系结构图。 具体实施方式0017实施例1如图1所示，整个系统由运动员装置、数据汇聚器和裁判PC机三部分构成；运动员装置负责采集运动员的动作数据和进行犯规判决，并将运动员的犯规信息通过说明书102553201A43/3页5无线形式传送给数据汇聚器；数据汇聚器通过USB接口与裁判PC机相连，并把接收到的运动员犯规信息实时地上传给裁判PC机；裁判PC机负责存储和显示运动员是否犯规、犯规类型和犯规次数等信息。 0018如图2所示，无线检测器由传感器(压力传感器或应变传感器)、处理器、UWB芯片和纽扣电池四个部分。 传感器负责采集所属运动员的动作信息；处理器选用具有模数转换功能和一定存储容量的嵌入式芯片，负责控制整个无线检测器的操作、存储和处理采集到的数据；UWB芯片负责与无线判决器通信，接收控制命令和发送采集到的数据；纽扣电池为整个无线检测器供电。 0019如图3所示，无线判决器由处理器、存储器、下行UWB芯片、上行UWB芯片和纽扣电池五个部分组成。 下行UWB主要负责接收无线检测器的数据；处理器负责整体操作控制和犯规判决；上行UWB主要负责将判决结果上传给数据汇聚器；外部存储器负责数据的存储；纽扣电池为整个无线判决器供电。 犯规判决的情况分析如图4和图5所示。 图4中的情况4为左右脚鞋底的压力传感器检测到的数据均比标准压力值小，此种情况则认定为运动员“腾空犯规”。 图5中两个压力传感器检测数据作比较是为了确定哪一条腿是支撑腿，支撑腿上检测的压力数据必然要比非支撑腿上检测到的压力数据要大。 根据支撑腿不能弯曲的规定，情况1和情况3时会认定运动员为“屈膝犯规”。 0020如图6所示，数据汇聚器主要包括处理器、存储器、UWB芯片和USB接口芯片四个部分。 UWB芯片负责无线接收无线判决器发来的犯规数据；存储器负责暂时存储接收到的犯规数据；处理器负责数据汇聚器各部分协调一致地工作；USB接口芯片负责数据汇聚器与裁判PC机的连接，以及利用裁判PC机给整个数据汇聚器供电。 0021如图7所示，系统中的移动自组织网络构成了一个三层的体系结构。 最高层即层1为数据汇聚器构成的一个节点。 中间层即层2是由无线判决器作为骨干节点构成的移动骨干网。 最底层即层3是