单片机开发与应用文章编号:1008—0570(2006)08-2-0130-03中文核Jm期刊1:微计算机信息>(嵌入式与SOC)2006年第22卷第8-2期佩戴式人体步行状况实时采集和无线监测系统Real-timeSampling,PortableWirelessMonitoringSystemforCollectingHumanRunningStatus(1.北京工业大学;2.瑞典布莱京大学)赵斐1Zhao,Fei司农2Si,Nong摘要:中短跑项目中.每跑一步所需的时间和力度是影响中短跑成绩的重要因素之一。当运动员进行跑步训练时,本系统数据采集端实时采集运动员的步伐时间和力度。并将处理后的信息无线发送到计算机终端,便于教练调整训练计划,提高运动员成绩。采用RS一232接口实现计算机监控终端与专门设计的终端无线收发设备之间的通信。基于VisualFoxPro9.0建立人体步行状况实时采集、无线监测数据库。关键词:89S52;RS一232;计步器;JJn速度传感器中图分类号:TP393文献标识码:BAbstract:Inthesprintandmiddledistancerunning.intervalofningandintensitytoeverypacearetwoimportantfactorsforimprovingrun‘terminal,Coachcanresults.Whilethereal—timesamplingtosystemworksandtransmitsanalyzeddatasystemcomputeradjusttrainingtransceiverplansinorderimproveathletesrunningspeed.ThecontrolledbasedonMCU89s52.DatasamplingdeviceandcomputertermihalconnectedthroughwirelessinterfaceRS一232.ThedatabasementshavelotsfeaturessuchKeyascommunicationmodel.Computerterminalconnectswithspecialterminalwirelessonbyofreal—timesampling.wirelessmonitoringsystemisbasedVisualFoxPro9.0.Thesystemequip—low-cost,easy-operatingandhigh—accuracy.words:89S52。RS一232。Pedometer,AccelerationSensor万方数据1引言世界田径径赛的中短跑项目一直倍受关注.直接影响各国国家田径队的整体水平。各国田径队无不重视对中短跑的训练和研究。短跑项目是周期性动作,其动作特点是由支撑时的一条腿支撑与对侧上肢后摆,腾空时一条腿与对侧臂相向摆动所组成的连续与完整的周而复始运动。分析肢体运动学参数与100米成绩的内在联系发现.每跑一步所需的时间和力度是影响中短跑成绩的重要因素之一。在径赛中短跑的200米、400米、中长跑的800米比赛过程中都要经过一次或几次弯道,弯道跑技术的机拍摄运动员跑步过程,然后分析慢镜动作。这种数据采集手段精确度较低,方便性较差,远远不能满足需要。随着电子技术的迅速发展,我们可以利用更先进、更便捷的方法实现对运动员每跑一步所需的时间和力度的监测。2系统介绍本系统以单片机89S52为控制中心.使用加速度传感器实时测量运动员跑步的力度和步数,并使用外部时钟DSl629准确计算运动员每跑一步所需的时间,将测到的信息进行分析和处理,通过专门设计的无线网络最后将结果定时发送到计算机上。计算机终端上的人体步行状况实时采集、无线监测数据库会详细记录收到的信息,帮助教练掌握运动员的跑步状况。动作要求整个身体应向内倾斜。弯道跑时运动员的身体姿态、用力方向、摆动动作与直道跑时有明显不同,可见弯道跑技术在整个跑的过程中有着重要的作用。有时运动员感觉使不出劲来;加速到一定速度后再也加不上去了:跑的动作别扭。这些都需要对动作进行调整,准确测量运动员跑步每跑一步所需的时间和力度为合理制定中短跑力量训练、提高成绩和完善跑步理论提供帮助。但对运动员跑步姿势、跑步力度和步伐时间间隔的研究还停留在比较古老的阶段。比如:用高速摄像赵斐:硕士研究生一130—360元,年邮局订阅号:82.9463硬件部分图1所示为数据采集端的主要硬件。另外,还为计算机设计了一个无线串口,实现了计算机与数据采集器的无线数据传输。3.1单片机89S5289S52是一款功能强劲、价格低廉、应用范围极广的8位微控制器。数据采集端的89S52的作用包括:控制模数转换器。将智能传感器采集到的模拟量转换数字量;分析处理数据;通过P0、P2口将有用的信息存储于外部RAM(随机存储器),把最终结果通过无线单片机开发与应用收发模块发送至控制中心。89S52同时监听由控制中点:收发一体;转换速度快;低功耗等。本系统用心传来的反馈信号,具有主动和被动两种处理机制。433.16MHz~433.23MHz频段收发无线信息。模块化解3.2加速度传感器决方案具有较强的集成度,不仅增强了系统的稳定本系统采用一款加速度传感器ADXLl05。该传感性、降低了功耗,同时有效地降低了设计过程中的复器具有灵敏度高,体积小、重量轻、成本低等特点。杂度。在实际实验和使用中的主要问题和解决方法是:3.8专门设计的终端无线收发设备加速度传感器的灵敏度较高,易引入干扰信号,将步通过RS一232接口把监控中心的计算机与专门设数和步强计错。一方面,要求传感器在测量时的位置计的终端无线收发设备连接,从而将无线收发设备收到固定:另一方面,可以在软件中对原始数据进行处理。议、电平转换、串行通信、与数据库的串行收洲。的信息输入到计算机内部。该过程需要进行无线收发协4软件部分本系统基于Keil开发软件,采用C语言编写。实验过程中分别完成数据采集及模/数转换、中断时钟、存储、数据优化等模块的编程、调试,最后把各模块组合成—爪J有实用价值的程序。数据采集端的程序流程图如图2所示。4.1系统初始化该部分主要是对CCl000、DSl629进行初始化。包括CCl000各寄存器位、收/发状态设置,中断状态设置.DSl629时钟、报警状态设置等。标志位FLAG需置0。FLAG=0表示准备测步强,对应运动员腿落地的阶图1数据采集端硬件结构3.3模傲转换器ADS7842段;FLAG=I表示准备计算每步间的时间间隔,对应下一步开始时刻。本系统数据采集端设置了一个外部中万方数据由于单片机只能处理数字信号。因此要将传感器断,用于接收无线信号。采集到的模拟量转换为数字量。ADS7842有四个模拟4.2智能化预处理数据输入端,本设计只使用IN0输入端。数字输出端该部分测量运动员静止状态下的加速度传感器为并行12位,其中4位为小数位。在本系统中,只用测量值。具体实施方法为:自动采集连续十秒的加速到8位整数部分,分别对应输入到单片机的P0口。通度传感器静态输出值,取这些数值的最大值为静态输过相应的控制端口,可使ADS7842进入节电状态,从出值。将最大静态输出值与经验校准值相加。得到静而减少电池消耗。态阈值。经验校准值作为经验值在本系统中取值为3.4随机存储器628128IOH。静态阈值被存储在24C16中。在系统正式检测实时监控运动员的跑步状况将获得大量的数据.时,每个采集数据都和静态阈值比较;当采集数据超可以用628128快速存储这些数据。它可存储128K字过静态阈值时,判断运动员迈出一步。节的数据。P0口复用为经74LS373锁存的低8位地由于佩戴位置略有不同,静态阈值因人而异。采址.要读,写的8位数据和ADS7842的数字输出端。实用上述预处理机制可以使数据采集设备具有自学习验表明:单片机可驱动这几部分,且可由P0口得到正功能,更加准确地检测和测量跑步信号。确的输入/输出信息。4.3系统正式检测3.5电擦除可编程只读存储器24C16系统正式检测时.加速度传感器在上电后立即连24C16用于存储运动员的身份识别号等需断电保续采集数据。软件控制AD7842在唤醒后将IN0端输存的数据。它通过SDA、SCL与单片机实现二线全双入的模拟量转换为数字量,并将8位数据送到P0口,工通信协议。之后再回到睡眠状态。如果采集到的数据在设定的静3.6外部时钟DSl629态阈值内,则舍弃此数据,采集下一个数据;如果采集DSl629提供计时功能。它也通过SDA、SCL与单到的数据超出静态阈值范围.则判断运动员迈出一片机实现二线全双工通信协议。它与24C16复用单片步。当判断出运动员迈步后,检查外部时钟是否开始机的两个端口。在软件操作时可通过“设备选择位”分计时。如果外部时钟没有开始计时,则使计时器开始别控制24C16和DSl629。计时,开始计算运动员每跑一步所需时间;如果外部3.7元线收发模块时钟已经开始计时,则判断标志位FLAG是否为l。CCl000是无线收发模块的核心芯片,具有较多优当标志位FLAG为0,表示此时运动员佩戴数据采@啪用邮局订冁82-舛63609/#-_131_单片机开发与应用中文核心期刊<微计算机信息>(嵌入式与SOC)2006年第22卷第8-2期集器的那条腿落地。这时将连续采集300个超出阈值的数据,并临时存储到外部存储器628128中,等待数据处理。当标志位FLAG为1,表示运动员再次抬起佩戴数据采集器的那条腿,迈出下一步。这时需读外部计时器,初始化计时器,并将标志位FLAG置0。然后对时间数据进行处理,计算每步的所需时间。4.4数据处理存储在628128中的信息需要优化处理,才能得第二,发送跑某一步所用时间并接收应答。将外部时钟直接测量值除以2,就可得到跑一步(从抬腿到落腿)所用时间。得到跑步间隔时间后立即无线发送到监控计算机上。发送内容包括跑步间隔时间、运动员身份序列号和校验位信息。通信协议中包括目的地址(计算机终端无线收发设备号)、源地址(运动员身份序列号)、数据字段(跑步间隔时间)、校验位。当数据采集端发送完信息后,会等待应答。若在设定的时间内收到正确应答,则准备发送下一组信息。若在设到某一步的步强值。计算方法为:加权平均法。分别算定的时间内收到错误应答或未收到任何应答,会重发相同测量值出现的次数:将出现次数最多的前三项求信息。如果有多个运动员的数据采集器同时发送信加权平均值;从而得到这一步的步强值。息,则引用跳频通信机制,在随机产生的其它频点重4.5无线收发新发送信息。“无线收发”部分完成两个任务:4.6计算机终端无线收发设备和数据库计算机终端无线收发设备在收到信息后,会立即第一,发送某一步的步强值并接收应答。将数据将信息由计算机串口RS一232发送到监控数据库中。处理过的某一步的步强值,在数据处理后立即无线发送到监控计算机上。发送内容包括步强、运动员身份数据库根据运动员的步伐间隔平均时间和中短跑距序列号和校验位信息。通信协议中包括目的地址(计离,可计算出步数。本系统基于VisualFoxPro9.0建立人体步行状况实时采集、无线监测数据库。该数据库具有算机终端无线收发设备号)、源地址(运动员身份序列运动员信息、步强、步伐间隔时间记录和查询功能。号)、数据字段(步强)、校验位。当数据采集端发送完信息后,会等待应答。若在设定的时间内收到正确应答.则准备发送下一组信息。若在设定的时间内收到错误应答或未收到任何应答,会重发信息。如果有多个运动员的数据采集器同时发送信息,则引用跳频通万方数据信机制。在随机产生的其它频点重新发送信息。5结语本系统成本低。用少量芯片实现复杂功能。较准确的测量运动员跑步每跑一步所需的时间和力度,为合理制定中短跑力量训练、提高成绩和完善跑步理论提供帮助。本系统数据库操作简单。系统软硬件模块的可复用性使系统具有很强的扩展能力。本文创新点:目前对运动员跑步姿势、跑步力度和步伐时间间隔的研究还停留在比较古老的阶段。比如:用高速摄像机拍摄运动员跑步过程,然后分析慢镜动作。这种数据采集手段精确度较低,方便性较差,远远不能满足需要。本系统利用更先进、更便捷的方法实现对运动员每跑一步所需的时间和力度的无线监测。参考文献:[11苑玲伟.影响河北省二级以上短跑运动员专项成绩的因素——身体形态、力量素质和运动学参数【D】.石家庄:河北师范大学体育学院,2002【2]t星明.弯道跑人体内倾力学分析新探[C】.第十届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编,北京,2002[3】徐立新等.无线数传技术在远程心电监护系统中的应用[J】.微计算机信息。2005,7:7—9【4】黄宗成等.短跑技术研究【J】.体育科学.1999:(19):30—33【5]张海滨等.短距离无线通信在控制中的应用【J】.微计算机信息,2004(11)129-130,38【6]ChipconAS.SmartRFCCl000PRELIMINARYDatasheet[EB/OL]http://www.ehipcon.eom/files/CC1000_Data_Sheet_2_2.pdf,200l【7]HaiyunTang.AUnifiedApproachtoWirelessSystemDesignfM】.American:UniversityofCalifornia,2003作者简介:赵斐(1981一),女(汉族),硕士研究生,主要研图2数据采集端程序流程图一132—360Yr.,,年邮局订阅号:82-946究方向:短距离无线通信。(转295页)人工智能Agento4.2人机接口Agent的工作方式人机接口Agent强调Agent的自主性和学习性.它可作为人的助手,通过与用户协作替用户传达决策任务。在决策过程中,Agent可采用以下几种学习方式来适应问题的变化:通过发现和模拟用户学习知识、通过获得用户的正向和负向反馈学习知识、通过用户的指导获得知识、通过与其它Agent通讯获得知识。人机接口Agent的工作模式如图3所示。5结束语本文的创新点是:利用基于Agent的人机接口技术,改进传统方式的许多不足,提高系统的适应性和灵敏性。下一步的研究工作将对此模型作进一步的细化,并改进该模型在自j撵习和壹劳陛书稚醋够不足。参考文献:[1】涂序彦,李秀山等.智能管理及其应用研究,北京科技大学学报.1992,14[2】陈慧明,李艳华,王静滨.单片机控制手机的硬软件接口技术及其应用[J].微计算机信息,2005,1:139—140[3】钱学森,于景元,戴汝为.一个科学新区域开放的复杂巨系统及其方【J】.自然杂志,1990,13(1):3—10.【4】路甬祥,陈鹰.人机一体化系统与技术——2l世纪机械科学的重要发展方向[J】.机械工程学报,1994,30(5):l一6.【5]路甬祥,陈鹰.人机一体化系统与技术立论【J】.机械工程学报,1994.30(61:1—9.[61LENATDB,EEIGENBAUME.A.Onthethresholdsofknowl—edge[J】.Artificialintelligence,1991,47(1):185—230.[7】戴汝为,王钰.关于智能系统的综合集成[J】.科学通报,1993,38(141:645—655.图3人机接口Agent工作模式[8]曾广平,黄美华,涂序彦.软件人(SoftMan)的接口构造研究【J】,微计算机信息.2005.21通过人机接口Agent可实现人机智能结合,通过多Agent系统的集成,可提高人一机系统的综合智能水平.可以为人和机器的双向通信提供友好交互、自然对话的条件,构成人机协调系统。例如,可以理解用作者简介:张蔚(1972一),男,博士生,研究方向为智能管理系统;庞杰,博士生;涂序彦,教授。(100083北京科技大学信息工程学院)张蔚庞杰万方数据户发出的命令、并替用户执行诸如数据库搜索或替用户记录和处理信息等。在本系统中,界面Agent一方面要通过系统提供信息,提出任务要求;另一方面系统也要通过界面向用户提供解答和各种辅助决策信息,或者向用户索取为完成任务需要的补充信息,不同的界面Agent对应处理不同的用户要求和不同的任务。本系统的Agent的工作流程如下:(1)根据用户的登录情况为新用户建立初步用户模型或为旧用户查询得到其用户模型。(2)根据用户模型,确定人机接口Agent的工作方式。(3)用户按人机接口Agent提供的输入方式录入信息,包括数据信息或一些定性信息。(4)根据系统模型,触发适当的功能Agent,由它们相互协作完成相应的决策功能。(5)接受其它Agent传送来的处理结果,按确定的输出方式输出结果。用户模型采用纪录形式表达.存储于范例库中.其中的字段代表用户的特征,形式为:用户模型{用户类型,对系统熟悉程度,知识背景,决策背景,决策风格1,系统提取这些主要是因为它们与用户所偏好的界面形式有密切关系。界面Agent中的学习主要用于用户模型的调整、修正、知识库的完善等。涂序彦(SchoolJieofInformationEngineeringUniversityofScienceandTechnologyTu,XuyanBeijing)Zhang,WeiPang,通讯地址:(100083北京科技大学信息工程学院)张蔚(收稿13期:2005.12.20)(修稿13期:2006.1.19)(接132页)Email:feihu_zhao@emails.bjut.edu.cn;司农(1979一),男(汉族),研究生,硕士,主要研究方向:计算机网络。Email:nongsi@ieee.org。贾宝敦(1948一),男,汉,本科,电子学,教师,北京工业大学应用数理学院近代高频实验室,现从事无线通信研究。Biography:Jia,Baodun(1948-),male,han,undergraduate,majorinelectronicstheory,teacher,CollegeofAppliedSci-Universityenee,BeijingofTechnology,mainlyworkingontheresearchofwirelesstelecommunication.(100022北京工业大学应用数理学院近代高频实验室)赵斐(37141瑞典布莱京大学工程学院)司农(College(SchoolofAppliedScience,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022)Zhao,FeiofEngineer,BlekingeInstituteofTechnol-ogy,Karlskrona。Sweden37141)Si,Nong通讯地址:(100022北京工业大学应用数理学院近代高频实验室)赵斐(收稿日期:2005.12.13)(修稿日期:2006.1.13)(窀蕾自控弼邮局订阅号:82.946360JL/牟-一295—