李爽 葛迪 裴学杰 冉茂良 张天倩

摘要：针对传统体育素质测试和锻炼方式单一、测试设备和精度有限、缺乏有效的训练指导等固有弊端，该文提出了一种简易体育素质测试设备。首先测试者按照各端点指示灯触摸传感模块，然后协调器接收传感模块的测试数据并传输至服务器，之后服务器端存储处理数据，最后通过App界面对数据以及测试结果的分析进行展示，运用推荐算法为测试者推荐相应的训练指导和教程。经试验测试表明，该设备可实现多模式精准测试，通过记录分析历史数据，提供有针对性的教程，且设备简便易携，可在任何场景下使用，具有广阔的发展前景。

关键词：体育素质测试;体育锻炼;测试设备;推荐算法

1 背景

我国是体育大国，目前正朝着体育强国转变[1]，人们对于体育健身的需求和追求日益强烈。在当前大力发展学生核心素養的新形势下，体育素质培养是培养学生全面发展的关键部分，也是整个社会发展的客观要求[2]。体育高考是现阶段国家选拔体育人才的关键途径，体育考生在体育锻炼过程往往需要进行功能性运动测试，对柔韧性、灵活性、稳定性和平衡性等运动素质做出明确的评定。但就当前多数高等体育院校的体育设备配置而言，不足以满足师生对体育设备的需求[3]。

针对体育测试设备，如跑步测考仪存在体积大、费用高、测试方式单一等问题，传统体质测试方式如秒表也存在有误差，精确度不够高的问题。相关研究表明，智能可穿戴设备已经渐渐走进人们的日常生活[4]，从2007年的Nike+iPod，2009年的Fitbit，到如今智能手环、智能手表的广泛使用，智能体育测试设备已被大众认可。智能体育测试设备可以精确测量用户在运动中的各类数据如心率、速度等，使运动健身更加便捷。不过智能可穿戴设备在运动训练中的应用也存在一些不足[5]，其测量精确度及可靠性仍然有发展空间，同质化的问题[6]还有待解决。

针对以上问题，本文提出一种简便易携的体育素质测试设备，依托于科学的体育测试方法，该设备包括轨迹采集模块、转换发送模块、数据处理模块及显示模块。轨迹采集模块对使用者运动轨迹信号数据进行采集;转换发送模块实现数据交互转换和发送;数据处理模块对数据进行解析;显示模块将测试结果呈现给用户，并根据用户的测试数据，针对其身体素质存在劣势的某一方面提供相对应的运动处方，从而帮助用户解决所存在的弱环。此外，本设备也可用于辅助体育教学，适用于所有人群，能够帮助更便捷地获取科学的体育测试、锻炼方法。

2 相关工作

2.1 市场调研

以华中师范大学的师生为主要对象，通过微信、QQ等网络平台发放线上调查问卷并结合访谈的形式，对现有体育锻炼及测试的设备和方法以及关于简易体育素质测试设备需求度进行调研，获得有效问卷205份，关于常用体育测试设备与设备存在的不足，调研情况分别如图1、图2所示。

常用的柔韧性、灵活性、耐力等体育素质测试设备有坐位体前屈测试仪、长跑短跑测试仪，灵活性还常用折返跑方式测量，多以秒表为计量工具，现有设备存在体积大不便携带、测量形式上存在局限性、成本较高、精确度低等问题，人们对于简便易携、测试灵敏的低成本仪器设备存在需求。本文的简易体育素质测试设备可恰当解决上述问题，多个模块相结合灵活地测量，设备体积小，通过ZigBee快速传输，测量精确度高。此外，调研人群中28.8%的人需要测试后的教学视频指导，60%的人在一些情况下需要教学视频指导，仅有11.2%的人完全不需要教学视频指导，那么根据用户测试情况进行有针对性的教学指导是有必要的。本设备开发移动端App呈现测试结果并给出教学指导，帮助用户科学有效地锻炼与测试。

2.2 ZigBee

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4的一种短距离无线通信协议，具有功耗低、成本低、时延短、安全性高等优点[7]，能够很好地满足体育素质测试设备对成本、安全性和速度的要求，有很强的组网能力，其中星型拓扑结构呈辐射状，具有结构简单、成本低的优点。

体育素质测试设备需要采集各终端节点的数据，并传输到服务器进行数据处理，以此判断测试者的身体素质状况。ZigBee无线通信网络由协调器实现自组网，协调器启动后会对信道进行扫描，选择一个合适的信道和PAN ID建立新网络，终端设备加入此网络中[8]。传输过程中协调器与各终端节点通过单一路径进行相互通信，星型拓扑结构能够高效地完成对测试人员运动的无线传输。

2.3 Arduino

Arduino作为一款开源硬件产品，有丰富的I/O口供开发使用，有较大灵活性[9]，支持SPI，IIC，UART串口通信，大程度弱化函数，操作简便且可发展的空间大[10]。在产品设计中Arduino可与其他电子元件方便地连接，支持多样互动程序，常用于开发交互产品，通过读取大量的开关和传感器信号，实现对终端的各种控制[11]。

在本设计中Arduino作为微控制器实现交互功能，通过串口接收无线传感网络中各终端节点传送给协调器的数据，再通过蓝牙模块发送到远程云服务器，此过程将采集到的用户测试数据传输至服务器进行处理，同时，Arduino也可通过蓝牙模块接收用户在移动端App发送的测试模式选择等指令，此过程将用户指令传输至协调器，协调器以此为依据控制各终端节点。

3 产品设计

3.1 产品硬件

本设备搭建框架如图3所示，其终端节点包括指示灯、蜂鸣器、天线、电容式触摸传感器。终端节点采用电容触摸芯片采集测试者的数据，采用以cc2530为控制中心的芯片，内部有8051微控制器，具有协同处理能力，可以满足ZigBee的无线通信和各端点的数据采集处理[12]，该芯片外接天线来进行与协调器的通讯。整个测试终端由多个终端节点和一个协调器组建成星型无线传感网络，无线传感网络的搭建使用ZigBee协议。本设计的传感器终端节点装置设计了打地鼠和“之”字排列两种工作模式，打地鼠模式如图4模式1所示，“之”字排列其设置移动线路、区段路线和转向区域如图4模式2中的1-4所示，图中1-2，2-3，3-4表示的数据为记录的测试人员通过对应线路的时间，相邻节点间的距离可用红外线距离传感器测得，1、2、3、4表示转折点。测试人员就位之后，处于四周的指示灯全部显示亮表示开始测试，结束后则指示灯再次全部显示亮表示结束测试。开始测试后终端指示灯间歇性逐个显示亮，测试人员按照指示灯的显示奔跑到对应的指示位置触摸相对应的触摸传感器，触摸成功后则会有指示灯灭、蜂鸣器响，与此同时触摸成功的信号会通过天线发送到协调器。若测试人员未在系统设定的最长间隔时间内触摸成功，未触摸成功的信号会通过相应的终端节点处的天线发送至协调器。