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1 设计背景
人们很早就认识到，体育运动成绩的提高不单是运动员客观身体素质的提高，更是和运动员运动技术、技能的提高分不开的。
传统的体育训练是以人眼观察为主，分析运动员动作的规律和缺陷，这从很大程度上依赖教练员的知识、经验和判断能力和反应速度，分析结果具有较大的随机性和不一致性。尤其是在高水平的运动、比赛中和一些高、新、难的技术动作上，人的肉眼和经验已经很难分辨出动作的优劣。
因此，现代体育在越来越多地运用运动传感和计算机技术开发人体运动的潜能，挑战成绩的极限。早在上个世纪六十年代，美国铁饼运动员、电脑工程师艾尔·奥特就曾借助计算机运动分析，找到了眼睛无法察觉的两个动作错误，经过一遍又一遍的纠正训练，连续4届获得奥运会金牌并刷新纪录。
除了基于录像、高速摄影等的人工分析外，传统的计算机体育运动分析手段主要都是基于图像处理和视频识别的，其数据采集、处理计算量大，速度和辨识精度低，并且受到摄影器材的限制，很难跟踪处理高速运动的三维数据。
而加速度传感器的集成化和无线互联技术的发展给三维运动识别带来了契机。使用多个附着于人体关键部位（如关节、肢体末端）上的智能传感器可以实时地将人体的运动状态记录下来。通过无线网络，这些数据可以实时或非实时地传输到计算机中进行处理和分析。而典型的应用软件可以根据加速度数据计算出每一时刻动作部位的位置、速度等状态，进而可以统计、识别其运动规律，分析和诊断运动员的技术动作，教练员可以进一步利用力学、生物学的原理优化动作，或与国内外优秀运动员的动作参数作比对，为训练提供准确、定量的技术指导，为研究和改进训练方法提供科学依据，从而更快、更有效地提高训练水平和运动成绩。
传感器技术在体育比赛的计算机辅助裁判方面也有大量的应用有待开发和认可。竞走运动一直是公认的误判率较高的运动项目。竞走运动员必须始终保持至少有一只脚与地面接触。运动员双脚交替支撑的时间很短暂，裁判员不易清晰地观察到运动员支撑腿着地瞬间至垂直部位膝关节是否伸直。运动员的体型和动作姿态的差别，也容易给裁判员造成错觉从而影响判断。因此，同一个运动员往往被某些裁判判罚技术犯规而另一些却没有判罚。例如，在第27届奥运会上，我国选手王丽萍荣获了女子20公里竞走项目金牌，但仍受到2名裁判员的严重警告。因此2008年北京奥运会竞走比赛规定，比赛中要有6～9名专职的竞走裁判员监督运动员。当竞走主裁判收到针对同一名运动员的三张来自不同竞走裁判员的判罚红卡时，该运动员才被取消比赛资格。如果竞走比赛中能够利用传感器技术帮助裁判员记录、分析和判断运动员的动作姿势，就能够消除人为因素的影响，公平地对待每一位运动员。
2 设计目标
基于飞思卡尔MMA7260QT三轴向加速度传感器、MC9S08QG8CPBE微控制器和MC13192 IEEE 802.15.4 2.4GHz射频收发器，设计由四个子节点（传感器节点）、一个主节点（管理节点）组成的无线运动信息采集系统，实现人体运动加速度的实时测量和无线传输。同时编制一个基于Windows的典型后端应用程序 - 竞走裁判软件，处理来自固定在运动员两只鞋子上的传感器节点的数据，判断运动员的竞走动作是否符合比赛规则，并对结果进行指示、记录和存储。
该设计的主要特点有：
- 100Ksps高速实时采样记录双脚加速度信息；
- 使用数字滤波器消除振动和干扰，以低于±3%的误差准确还原运动员的脚部运动轨迹。
- 运动数据实现多节点远程无线网络传输，最多可以同时传输100名以上运动员的技术动作。
- 数据实时存储到上位机，容量仅受硬盘大小限制（1G容量可连续记录20小时以上），可供离线、非实时地重新处理、判断，以及用于技术动作的分析和提高。
- 可以根据规则要求精确调整判罚标准，如双脚同时离地时间不超过20ms等。
以上这些特点都是裁判员凭目测无法实现的。
3 最终设计应用
本设计适用于三维人体运动的测量和数据采集，其终端应用主要有以下几类：
- 为竞走等体育比赛的裁判提供技术辅助手段；
- 为体育训练提供科学依据，提高训练水平和运动成绩；
- 用于战士、消防员、警察和急救队员的动作训练、评分和考核；
- 为人体工程学、康复工程学等提供研究手段和治疗、实验数据；
- 用于身份识别、生理/心理状态分析等：通过对典型运动数据（如脚步姿态）进行模式识别，判断对象的身份、心情、疲劳程度等；
- 用于电影和游戏产业的动画制作：对真人表演进行全身运动姿态采集，将生成的数据导入三维制作软件生成动画素材；
- 用于互动游戏、仿真游戏、虚拟现实等的动作/姿态实时遥感、手部/头部动作跟踪等。
4 元器件清单
以下是本设计所选用的由FreeScale公司生产、提供的元器件及开发工具。（其它元器件略）
序号 | 型号 | 数量 | 描述 |
1 | MC9S08QG8CPBE | 4 | 低功耗HCS08内核8位微控制器 |
2 | MMA7260QT | 4 | 三轴向微型电容式加速度传感器 |
3 | MC13192 | 5 | IEEE 802.15.4 2.4GHz射频收发器 |
4 | CT-298 | 5 | Sunhayato MC9S08QG8 微控制器的小型评估板 |
5 | MM-2860 | 4 | Sunhayato 3轴小量程加速传感器模块 |
6 | 1321XEVK | 1 | 1321X开发套件、ZigBee协议栈及CodeWorrier开发环境 |
5 系统功能框图
运动传感器的电源由1.5V 扣式电池经过DC-DC变换器升压后供给，以节省空间、缩小体积，便于固定在人体的运动部位或服装、鞋上。三轴向加速度传感器实时测量人体运动的三维加速度数据并将转换后的电信号送至微控制器MC9S08QG8CPBE。MC13192无线调制解调器经由SPI接口与微控制器连接，传感器的输出经微控制器量化后先在RAM中缓冲，然后由MC13192通过IEEE802.15.4/ZigBee协议将数据使用2.4GHz公共频段上的频点上传到管理节点。
运动传感器的天线使用印刷天线以缩小体积，实际应用中当传输距离很关键时应选择合适的软质天线并妥善固定在人体或服装上。
系统中只画出了两个运动传感节点，实际样机的节点有四个（其余两个完全一样），可同时采集两个人的动作数据。未来商业化的应用可以由超过200个节点的传感器网络组成，同时采集100人以上的运动数据。主节点同PC或工作站以USB口连接，通过动态数据库接口将从各个子节点接收的数据连接到后端应用软件的相应数据库中。
6 软件流程图
整个系统的软件分为三个部分：传感器节点软件、管理节点软件和上位机应用软件(竞走裁判程序)。
传感器节点的嵌入式软件采样、量化三个轴向的加速度后，对原始数据进行滤波、归零、线性化和跟踪校准，积分计算出速度/角速度、位移及各种用户定义参数，然后按802.15.4协议将数据封装并发送到管理节点。管理节点的嵌入式软件则从协议中会恢复出运动数据并通过USB接口传入上位机。管理节点同时负责配置和重新配置各传感器节点，使它们按规定的量程和时间/幅度间隔传送所需的参数。传感器和管理节点都可以通过基于Windows界面的配置程序进行参数设置。
应用软件对采集到的运动数据进行空间计算，按三维坐标还原出四个传感器节点的运动轨迹，并在屏幕上滚动绘制、显示出来。然后，软件根据轨迹特征和比赛规则判断运动员的动作是否犯规，并提供警告、轨迹存储和裁判结果的记录。