一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法

技术领域

本发明涉及通信技术和体育运动领域，更具体的是，本发明涉及一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法。

背景技术

随着体育事业的快速发展，我国竞技体育人才层出不穷，竞技体育成绩显著提高。不断优化训练方法，构建科学规范和完备高效的训练体系成为了体育界的共识。以体育科研助力体育发展，依托数据模型辅助科学训练的理念不断深入人心。科技助力运动个性训练、数字化管理实施、人工智能与运动恢复等手段正在快速、有效和全面的应用到运动队中，促进竞技体育训练水平的不断提升。

有效掌握运动员在训练过程中的生理(心率、心电、血压及体温等)、体态(手臂及腿部摆动的角度和力度变化等)和运动(位置、速度和方向等)信息，能够为训练过程的精准复盘提供数据支撑，为训练效果的评估和训练计划的调整提供切实依据。

为了提高体育训练的数字化和智能化，可穿戴体域网技术被引入到体育训练中，实时采集运动员在训练过程中的数据信息。由于多个体域网共存时使用相同的无线信道，存在潜在的数据传输冲突问题。为了提高数据信息采集的效率，防止数据丢包，保证训练过程中数据的完整性和可靠性，需要提出系统性的训练数据采集和传输方法。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法，通过固定通信节点综合调度过程分配可用时段，提高了数据传输的稳定性和数据传输效率。

本发明提供的技术方案为：

一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法，包括如下步骤：

步骤一、构建三层通信网络架构；

其中，第一层为每个运动员佩戴的至少一个传感器节点和一个中心节点构成的体域网；

第二层为每个运动员佩戴的中心节点与多个固定通信节点构成的调度网；

第三层为多个固定通信节点与中心服务器构成的上传网络；

步骤二、将所述固定通信节点进行初始化后开始广播数据报文；

步骤三、各个中心节点周期性计算体育场地内对应的每个运动员的实时位置；

步骤四、体域网传输时隙初始化；

步骤五、在对应的传输时隙内，所述传感器节点采集运动员的人员身体状况信息后通过体域网汇总至中心节点，所述中心节点将运动员的人员身体状况信息和运动状态信息传输至最近的固定通信节点，所述固定通信节点向中心服务器推送数据；

步骤六、所述中心服务器对运动员的传输时隙进行分配及调整：

当传输时隙充足时，若两个运动员之间的距离满足D

其中，D

当传输时隙不足时，所述中心服务器对优先级更高的体域网进行传输时隙的优先分配；

所述体域网的优先级满足：

式中，v

优选的是，所述多个固定通信节点间隔设置在体育场地内，在所述体育场地内任意位置至少能接收到三个固定通信节点发送的数据报文，且当运动员处于体育场地的任意位置时，至少一个固定通信节点能接收到中心节点发送的数据报文。

优选的是，所述多个固定通信节点中至少有一个复合通信节点，所述复合通信节点可与中心服务器和其余固定通信节点通信。

优选的是，所述步骤二具体包括：

将所述固定通信节点进行时间统一操作，将每个整秒划分为一个超帧时间，每个超帧时间包括信标时段和传输时段，所述固定通信节点开始广播信标报文；

其中，所述信标时段分为K个信标时隙，所述传输时段分为F个传输时隙。

优选的是，所述信标时隙的时间长度为：

式中，T

所述传输时隙的时间长度为：

式中，T

优选的是，运动员的实时位置坐标为

其中，(x

优选的是，所述测算的运动员坐标根据中心节点与任意两个固定通信节点之间的距离获得，中心节点距离第i个固定通信节点的距离满足：

式中，d

所述中心节点与固定通信节点的距离为d

PL(d

式中，P

优选的是，所述运动员A与运动员B之间的距离满足：

式中，(x

优选的是，所述保护距离满足：

D

式中，T

优选的是，所述第j个运动员的体域网采集到的第i个体征数值超出人体正常健康体征范围的权值满足：

式中，

本发明所述的有益效果：

本发明设计开发的一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法，通过多个固定通信节点的协同传输与调度，信道资源能够更好的被分配和使用，有效降低了因时隙使用冲突导致的数据报文丢失，运动员的体征参数能够更好的被采集和传输；同时，运动员的实时位置和运动轨迹能够被有效采集，运动轨迹和体征信息为运动过程的复盘分析提供了有效依据。

附图说明

图1为本发明所述基于中心体域网的运动员数据信息采集方法的流程示意图。

图2为本发明所述三层通信网络架构的示意图。

图3为本发明所述超帧划分结构示意图。

图4为本发明实施例所述基于中心体域网的运动员数据信息采集方法的部署结构示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法具体包括如下步骤：

步骤一、S110构建通信网络架构，具体包括：

在体育场地内预设多个固定通信节点并进行位置标定，体育场地内每个运动员佩戴一个中心节点以及一个或多个传感器节点，所述每个运动员佩戴的一个中心节点以及一个或多个传感器节点组成一个体域网，多个运动员同时在场地时，多个体域网共存且共享相同的无线信道；

如图2所示，在体育场地内建立可靠的三层通信网络架构：第一层为穿戴传感器与穿戴中心节点构成的体域网；第二层为穿戴中心节点与固定通信节点构成的调度网；第三层为固定通信节点与中心服务器之间的上传网络。

其中，所述多个固定通信节点中至少有一个复合通信节点，即同时能够与所述中心服务器和其通信范围内的固定通信节点通信的固定通信节点，且多个固定通信节点之间组成一个无线自组织网络，不能直接与所述中心服务器通信的节点通过多跳传输可以将数据报文转发给所述复合通信节点；

在体育场地内的任意位置至少能接收到三个所述固定通信节点发送的数据报文，以便于提高定位精度，同时，运动员处于体育场地内的任意位置时，至少有一个固定通信节点能够接收到运动员佩戴的中心节点发送的数据报文；

在本实施例中，为了提高佩戴的舒适性，所述中心节点和所述传感器节点均具有小型和轻便的特性，因此所述中心节点比所述固定通信节点的通信距离短。

步骤二、S120将所述固定通信节点进行初始化后开始广播数据报文；

其中，在网络初始化阶段，所述固定通信节点进行时间统一操作，而后将每个整秒划分为一个超帧时间，如图3所示，所述每个超帧包含信标时段和传输时段两部分，所述信标时段被细分为多个信标时隙，传输时段被划分为固定数量的传输时隙，且所述传输时隙的时间长度满足：

式中，L

信标时隙数量可以基于体育场地中部署的固定通信节点的网络拓扑情况确定。

在本实施例中，将体育场地内部署的多个固定通信节点抽象为一个无相连通图G＝{V,E}，其中，V为体育场地内的多个固定通信节点的集合{n

式中，T

所述超帧除去信标时段的剩余时间为传输时段，所述传输时段被划分为F个传输时隙，每个运动员佩戴的体域网可以使用一个传输时隙进行数据传输。

其中，

式中，T

步骤三、S130各个中心节点对应的周期性计算体育场地内每个运动员的实时位置；

对于第i个固定通信节点广播的信标报文，所述中心节点在接收时检测接收信号的强度RSSI值，基于RSSI值计算信号功率：

PL(d

式中，PL(d

进一步计算所述中心节点距离第i个固定通信节点的距离满足：

式中，d

对于发送的信标能被所述中心节点接收到的固定通信节点集合{n

步骤四、S140体域网传输时隙初始化，具体包括：

所述固定通信节点可以将所述传输时隙分配给运动员佩戴的所述中心节点，所述体域网在传输时隙内完成传感器与中心节点间数据的传输，同时，调度网完成中心节点向固定通信节点数据的上传；

体域网初始加入体育场馆内的网络时，在未获得传输时隙分配时首先计算自身位置，并监听信道，然后中心节点随机选择一个空闲的传输时隙向固定通信节点发送时隙使用申请，所述固定通信节点在收到所述申请信息后向所述中心节点发送传输时隙分配报文，中心节点收到时隙分配报文后将使用分配的传输时隙进行数据传输，未收到时隙分配报文的情况下将随机选择其他的空闲时隙重新进行传输时隙的申请。

步骤五、S150体域网采集数据并上传，具体包括：

每个运动员佩戴的体域网可以使用一个传输时隙，所述传感器节点采集运动员的人员身体状况信息(心率、心电、血压和体温等)通过体域网传输到中心节点汇总，中心节点根据接收到的固定通信节点广播的信标报文确定运动员的运动状态信息(位置、运动速度和运动方向)，中心节点上传汇总的信息时，由距离中心节点最近的固定通信节点进行数据的上传处理，即所述中心节点和所述传感器节点在一个传输时隙内完成人员身体状况信息的采集、汇总和上传；

对于复合通信节点，直接向中心服务器推送接收到的运动员的人员身体状况信息(心率、心电、血压和体温等)和运动状态信息(位置、运动速度、运动方向)；对于不能直接与所述中心服务器通信的固定通信节点，通过节点间的多跳传输先将接收到的数据发送给复合通信节点，再由所述复合通信节点将数据上传到所述中心服务器。

步骤六、S160判断潜在时隙使用冲突，对可用传输时隙的使用进行分配和调整；

其中，体育场地中有多个运动员同时存在时，多个体域网共同存在，这些体域网使用相同的无线信道，不同中心节点相互不在同一个通信范围内时可以使用相同时隙同时传输数据，能够保证至少有一个固定通信节点接收到体域网传输的数据即可，但是需要避免不同体域网内的节点在距离较近时同时进行数据传输导致的信号干扰和数据丢包，随着运动员在体育场地中位置移动，使用相同时隙的运动员在位置靠近时存在潜在的时隙使用冲突，当传输时隙充足时，基于使用相同时隙的运动员A与运动员B的位置(x

式中，D

当D

式中，D

D

对于所述需要调整使用时隙的运动员A与运动员B，选择速度较慢者更换可用时隙，并且由距离其最近的所述固定通信节点选择可用的空闲时隙，且固定通信节点打包时隙调整报文发送给所述需要调整时隙的体域网中心节点；

当在人员拥挤导致可用的传输时隙不足的区域，所述中心服务器对优先级更高的体域网进行传输时隙的优先分配，优先保证优先级权值更高的运动员穿戴的体域网的时隙使用；

所述体域网的优先级满足：

式中，v

所述第j个运动员的体域网采集到的第i个体征数值超出人体正常健康体征范围的权值满足：

式中，

在本实施例中，k＝3，且分别为体域网采集的运动员的心率、血压和体温，组成体征数据序列

如图4所示，在本实施例中，在篮球场内部署了15个固定通信节点，最右侧中间的固定通信节点为可以与中心服务器通信的复合通信节点，其他固定通信节点与中心服务器间通信时由复合通信节点通过无线多跳传输进行转发。

本发明设计开发的一种基于中心体域网的运动员数据信息采集方法，固定通信节点共同协作管理并协调网络的通信过程，基于时分复用的方式为节点定位、数据传输和综合调度过程的有序提供基础，中心节点接收固定通信节点的定位信标并计算自身位置，将位置信息和运动员身体状况信息均通过固定通信节点转发并上传到中心服务器，同时，固定通信节点基于中心节点的位置变化对体域网使用的通信时段进行调整，使得场地内运动员穿戴的体域网在固定通信节点的指导下无冲突的使用时隙进行数据传输；固定通信节点将穿戴的中心节点汇总上传的数据发送给中心服务器。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。