运动员远程监控之硬件构成、思路及设计原理

吕永忠，张慧珍，李鹏飞

（甘肃省体育科学研究所，甘肃 兰州 730050）

本文通过心率动态监控系统硬件构成、思路及设计原理等方面进行了详细的阐述。

运动员远程监控系统由腕式心率表、蓝牙运动耳机、无线数据语音转发器和监测终端三部分组成，其中腕式心率表用于运动员实时心率测量（包括心电图显示）和数据无线发送；蓝牙运动耳机用于教练员训练指导指令的无线接收；无线数据语音转发器用于心率数据和教练员训练指导指令的双向无线接收和转发；监测终端用于教练员对运动员实时心率的观测和生理状态的分析和训练指导指令的发送。

1 运动员远程监控系统应用场景

在场地训练过程中多名运动员手腕配戴腕式心率表，运动员的心率将被采集并通过无线发射装置发送到场地中心的无线数据转发器，由转发器发送到教练员手持的监测终端，教练员可实时观察运动员的心率变化曲线和生理分析数据，通过无线通讯链路向运动员发送训练指导指令，运动员通过蓝牙耳机接听训练指导指令。

2 设计分析

2.1 线路设计

2.1.1 腕式心率表

1）心率测量方法。采用压力测量法。压力测量法是心率测量最精确的方法，其原理是心脏向外泵血引起与心跳同步的身体震动,产生体震信号,其规律与心率相关,可在手腕体振明显部位通过敏感的压力传感器检测出来。

2）压力传感器选型。压力信号测量法采用合肥华科电子技术研究所的HK-2000B型集成化脉搏传感器，该传感器采用高度集成化工艺将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。传感器采用压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。该传感器具有灵敏度高、抗干扰性能力强、过载能力大、一致性好、性能稳定、使用寿命长等特点。

3）心率信号处理电路。采用神念科技公司的BMD101芯片，具有先进的模拟前端电路和灵活强大的数字信号处理结构。可以采集从uV到mV的生物信号，然后经过Neurosky的专利算法处理。

低噪音放大器和ADC模数转换器是BMD101模拟前端的主要组成部分。BMD101具有极低的系统噪声和可控增益,因此可以有效地检测到生物信号,并使用16位高精度ADC模拟数字转换器把它们转化成数字信号。模拟前端还包含一个检测感应器脱落的电路。

BMD101的核心是一个功能强大的系统管理单元。它负责整体系统配置、运行管理、内外通讯、专有算法计算和电源管理。BMD101还配有固化DSP数字信号处理模块来加速对系统管理单元监控下的各种数字滤波的计算。

4）心率数据无线发射。采用成都泽耀科技有限公司的产品AS14-TTL模块。

AS14-TTL模块简介：

（1）中心频率为2.4GHz的无线通信模块，具有TTL电平的串口通信接口，支持波特率为1200～115200多达7种波特率。

（2）AS14-TTL1mW模块的有效传输距离约为200m，AS14-TTL100模块的有效传输距离约为2000m。

（3）采用目前较新的无线射频芯片，以及低功耗高性能单片机构成。

（4）可设置为跳频模式，此时提供3个基本信道供用户设置，模块将使用其余信道进行跳频处理，保证数据可靠传输。

5）心率表方案。采用最新光电技术探头和小功率数传模块，美观，传输距离有保证（2000m），探头与处理芯片匹配性好。见表1。

表格1 心率表方案

6）供电设计。供电电压DC3.7V，采用500mAH可充电锂电池，该腕式心率表充一次电可用的时间见表2，可考虑采用小容量电池减小心率表体积。

表格2 供电设计方案

充电电池选用中顺牌LP500-602030，3.7V锂电池，电池容量 500maH，尺寸 30mm×20mm×4mm。假设每次训练1h，此方案可用35次。

7)电原理框图，如图1所示。

图1 心率表组件平面尺寸比例

2.1.2 指导指令接收

教练员指导指令采用蓝牙4.0技术以广播形式发送，指令可供2位运动员使用无线蓝牙无线耳塞机接听，有效接听距离约500m。

蓝牙耳塞机选用苹果或三星品牌运动型或微型耳塞产品，充一次电连续接听教练员指导指令的时间大于6h。

2.1.3 无线转发器

1)与心率表的通讯。无线转发器与心率表之间采用2.4GHz蓝牙4.0进行数据传输，频率范围2.4～2.485GHz，采用间隔为10MHz的多工器构成独立的8个通道，每个通道连接一个AS14-TTL100模块，天线采用高增益鞭状全向天线，心率数据输出后转换为标准RS-485串口形式。

滤波器组采用腔体滤波器，主要技术指标如下：

(1)频率范围：2.4GHz～2.48GHz。

(2)通道频率间隔：10MHz。

(3)通道数：8个。

(4)通道带宽：4MHz。

(5)通道隔离度：40dBc。

(6)插损：≤1.5dB。

无线数传模块选用成都泽耀科技有限公司的AS14-TTL1mW模块，采用2.4GHz波段，传输距离200m。

TTL串口转RS-485串口采用杭州安米电子有限公司的模块，尺寸为45mm×18mm。

接收天线选用使用频率2.4GHz，接收增益为12dB的全向天线。

2)与监测终端的通讯。无线转发器与监测终端之间采用2.4GHz的WIFI进行数据无线传输。8路RS-485心率数据经过转换成为1个网络LAN信号，再通过WIFI路由器发送。

8路RS-485串口转网路服务器没有板卡形式的，可采用BT-308R，尺寸为164mm×100mm×40mm。

BT-308R的资料：

功能简介：

(1)采用32位ARM处理器，八个串口完全独立，可以同时最高波特率460Kbps通讯。

(2)支持10M/100M以太网接口形式。

(3)支持断电或者断网自动恢复。

(4)支持9～40V DC宽电压输入。

(5)支持Web/Telnet/Console控制台多种方式进行管理和配置。

(6)支持TCP、UDP、、ICMP、HTTP、DNS、DHCP,Telnet协议。

(7) 工作方式：TCP Server，TCP Client、UDP、虚拟串口驱动访问模式支持过网关，跨路由通信。

(8)支持标准TCP/IP SOCKET,Telnet程序访问。

WIFI路由器选用台湾ARGTEK公司生产的ARG1220型2.4GHz/5GHz双频无线路由器，该产品发射功率达1W，传输距离大于3000m，天线可拆卸。估计尺寸为160mm×130mm×20mm。

网络转USB选用倍晶牌USB网卡。

3）蓝牙发射器。采用博陆科电子的BLK-BTD-6610型超远距离蓝牙发射器，输入为LAN路由器的USB接口。

产品功能如下:

(1)蓝牙 V2.0+EDR。

(2)标准USB2.0接口。

(3)兼容 Windows,Linux,Mac OS X。

(4)标配7dB外置SMA专业天线。

(5)可延伸距离至10km。

(6)无需外置电源，USB直接供电。

(7)全铝质机身，防无线干扰，提高灵敏度。

(8)提高蓝牙系统的覆盖范围。

(9)支持EDR增强速率，最高速度可达3Mbps。

(10)内置Bolutek UR远距离专利技术。

(11)同时支持微软蓝牙驱动和IVT蓝牙驱动。

(12)连接普通Class2蓝牙设备可达到500m（实测）。

4）供电设计。采用神力聚能牌12V可充电锂电池，电池容量60AH，外形尺寸300mm×200mm×60mm，重量3.9kg，充电时间4～5h。DC5V电源通过直流电压变换器产生。

无线转发器的功耗估计如下见表3，充一次电可用约30h。

表格3 无线转发器电池使用时间估计

DC/DC转换器选用宁波普正公司的AP612模块，DC12V输入，DC5V输出，最大输出电流3A。

2.1.4 教练员显示终端

1)连接普通Class终端计算机。采用Windows操作系统的平板电脑，如微软10.1寸WIN8平板电脑，选择时应注意屏幕显示亮度，保证能在室外条件下使用，同时应具有USB接口，以便必要时连接WIFI增程器。

2)WIFI增程器。在标准田径运动场使用时，平板电脑的WIFI接收能力已经足够，故WIFI增程器只是一种选配设备，当教练员所处位置离运动场较远时，可选用USB接口的无线网卡，通讯距离可增加到3000m以上。