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CN105105755B - 一种智能球场系统及其数据获取方法 - Google Patents

一种智能球场系统及其数据获取方法 Download PDF

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CN105105755B CN201510357351.2A CN201510357351A CN105105755B CN 105105755 B CN105105755 B CN 105105755B CN 201510357351 A CN201510357351 A CN 201510357351A CN 105105755 B CN105105755 B CN 105105755B
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Abstract

一种智能球场系统及其数据获取方法，包括智能球、若干穿戴设备、若干定位基站、网关和服务器，该定位基站、网关、服务器之间为有线或无线连接；该智能球内设有第一UWB标签；每个穿戴设备均安装有第二UWB标签；每个定位基站均设有UWB收发装置、微控制器、时钟装置和数据通信装置，该微控制器接收智能球和穿戴设备发送的信息并添加来自时钟装置的时间戳后发送至网关；该服务器接收网关上传的信息并采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹。本发明能实现精准地获取智能球和具有穿戴设备的球员的各项运动数据，实现运动定位及轨迹追踪，作为运动训练或比赛中各项数据分析及后期训练的依据。

Description

一种智能球场系统及其数据获取方法
技术领域
本发明涉及智能运动系统领域，特别是一种智能球场系统及其数据获取方法。
背景技术
近年来，智能设备产业发展迅猛。智能设备受到如此追捧的一个主要原因在于，面向智能设备的软件应用开发与发布生态系统的形成。每天都有数以百计的新应用流入市场，不断促进着该生态系统的进化。但是，在这数量庞大的软件应用中，以纯软件或网页应用为主流，对智能设备内部的各类传感器(重力传感器、陀螺仪、磁力计、全球定位系统等)的使用仅限于地图和游戏等。
在现有技术中也有将智能设备运用于运动中，如专利CN102779319 A，将智能监控系统用于户外运动，但是该智能系统只是在区域网络实现各个客户端的信息共享及导航定位等模块，主要运用于单个或多个户外运动者。
对于足球、篮球或排球等高强度、大负荷的比赛项目，要求运动员在跑动中，通过准确发挥个人和集体的战术水平，达到战胜对手的目的。对于这种团体运动，如何在训练和比赛中准确记录和分析各个球员在一场比赛或训练中每个球员的每次动作，分析和记录结果的偏差直接影响球员的训练结果，因此，如何准确获取运动员在训练和比赛中的各项数据，是提高运动员专项能力的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种采集球类的运动中智能球和球员的相关运动数据，从而为提高运动员专项能力提供数据支持的智能球场系统及其数据获取方法。
本发明采用如下技术方案：
一种智能球场系统，包括若干穿戴设备、若干定位基站、网关和服务器，该若干定位基站分布于球场不同位置，该定位基站与网关为有线或无线连接，该网关与服务器为有线或无线连接，其特征在于：还包括智能球，该智能球内设有第一UWB标签用于广播自身识别码和运动信息至定位基站；每个穿戴设备均安装有第二UWB标签，该第二UWB标签用于广播自身识别码、运动信息至定位基站；每个定位基站均设有UWB收发装置、微控制器、时钟装置和数据通信装置，该微控制器控制UWB收发装置接收智能球和穿戴设备发送的信息并添加来自时钟装置的时间戳，经数据通信装置发送至网关；该服务器接收网关上传的信息并采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹。
优选的，所述第一UWB标签包括第一微控制单元、第一六轴惯性传感器、第一时钟单元、第一存储装置和第一UWB无线收发单元；该第一六轴惯性传感器与第一微控制单元相连用于检测智能球的运动信息，该第一时钟单元与第一微控制单元相连用于提供时钟信号；该第一存储装置与第一微控制单元相连用于临时存储运动信息；该第一UWB无线收发单元用于广播自身识别码和运动信息。
优选的，所述智能球还设有电池装置和无线充电接收装置，该无线充电接收装置与电池装置相连以实现无线充电，该电池装置与所述第一UWB标签相连以供电。
优选的，所述第二UWB标签包括第二微控制单元、第二六轴惯性传感器、第二时钟单元、第二存储装置和第二UWB无线收发单元；该第二六轴惯性传感器与第二微控制单元相连用于检测智能球的运动信息，该第二时钟单元与第二微控制单元相连用于提供时钟信号；该第二存储装置与第二微控制单元相连用于临时存储运动信息；该第二UWB无线收发单元用于广播自身识别码和运动信息。
优选的，所述穿戴设备还设有电池装置和无线充电接收装置，该无线充电接收装置与电池装置相连以实现无线充电，该电池装置与所述第二UWB标签和身体信息采集装置相连以供电。
优选的，所述穿戴设备还设有身体信息采集装置，该身体信息采集装置与第二UWB标签相连以采集体能状态信息并送至所述定位基站。
优选的，所述服务器通过接收到的智能球或穿戴设备的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球或穿戴设备的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
优选的，设定其中一所述定位基站按预设周期发送时间同步信号，其余定位基站、智能球和穿戴设备接收该时间同步信号后校准对应的时钟装置，从而维持时间同步。
优选的，预先对智能球与若干穿戴设备的广播顺序进行设定，并预设最大空闲时间；智能球或穿戴设备均监听其它装置并等待其广播顺序到达时广播，并在广播后重置最大空闲时间。
优选的，所述数据通信装置包括WIFI单元或LAN单元或3G数据机或4G数据机或USB接口中的一种或多种。
一种球类运动数据获取方法，其特征在于：在球体内安装第一UWB标签，让球员配带具有第二UWB标签和身体信息采集装置的穿戴设备，并在球场设置若干个定位基站，设定其中一定位基站按预设周期发布时间同步信号；具体数据获取步骤如下：
1)球体或穿戴设备判断是否接收到时间同步信号，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否到达广播时隙，若是，则球体通过第一UWB标签发送自身识别码和运动信息，穿戴设备通过第二UWB标签广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站；
2)定位基站判断是否接收到时间同步信号，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否接收到球体或穿戴设备发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关上传至服务器；
3)服务器采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹。
优选的，在步骤3)中，所述服务器通过接收到的智能球或穿戴设备的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球或穿戴设备的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
优选的，所述身体信息采集装置采集得到体能状态信息，该体能状态信息包括心电图、心率、肌电。
一种球类运动数据获取方法，其特征在于：在球体内安装第一UWB标签，让球员配带具有第二UWB标签和身体信息采集装置的穿戴设备，并在球场设置若干个定位基站，设定其中一定位基站按预设周期发布时间同步信号，并对智能球与若干穿戴设备的广播顺序进行设定，并预设最大空闲时间；具体数据获取步骤如下：
1)球体或穿戴设备判断最大空闲时间是否到达，若是，则随机延迟后，球体发送自身识别码和运动信息，穿戴设备广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站广播，重置最大空闲时间；若否则监听前一广播顺序装置是否完成广播，若是则球体发送自身识别码和运动信息，穿戴设备广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站，重置最大空闲时间，若否，则重复该步骤；
2)定位基站判断是否接收到时间同步信号，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否接收到球体或穿戴设备发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关发送至服务器；
3)服务器采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹。
优选的，在步骤3)中，所述服务器通过接收到的智能球或穿戴设备的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球或穿戴设备的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
优选的，所述身体信息采集装置采集得到体能状态信息，该体能状态信息包括心电图、心率、肌电。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的系统和方法，采用智能球、穿戴设备、定位基站、服务器等实现精准地获取智能球和具有穿戴设备的球员的各项运动数据，实现运动定位及轨迹追踪，作为运动训练或比赛中各项数据分析及后期训练的依据，用户还可通过移动设备(手机、笔记本、平板电脑等终端)从服务器下载训练或比赛数据。
附图说明
图1为本发明智能球的模块图；
图2为本发明穿戴设备的模块图；
图3为本发明基站的组成模块图；
图4为本发明系统的组成图；
图5为本发明方法中球体或穿戴设备的步骤流程；
图6为本发明方法中定位基站的工作流程(发送时间同步信号的定位基站除外)；
图7为本发明方法中球体或穿戴设备的另一种工作流程；
其中：10、智能球，11、第一UWB标签，12、电池装置、13、无线充电接收装置，14、第一微控制单元，15、第一六轴惯性传感器，16、第一时钟单元，17、第一存储装置，18、第一UWB无线收发单元，20、穿戴设备，21、第二UWB标签，22、身体信息采集装置，23、第二微控制单元，24、第二六轴惯性传感器，25、第二时钟单元，26、第二存储装置，27、第二UWB无线收发单元，30、定位基站，31、UWB收发装置，32、微控制器，33、时钟装置，34、存储装置，35、数据通信装置，40、网关，50、服务器。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图1至图4，一种智能球场系统，包括智能球10、若干穿戴设备20、若干定位基站30、网关40和服务器50。该智能球10内设有第一UWB标签11、电池装置12和无线充电接收装置13。该无线充电接收装置13与电池装置12相连以实现无线充电，该电池装置12与第一UWB标签11相连以供电。该第一UWB标签11包括第一微控制单元14、第一六轴惯性传感器15、第一时钟单元16、第一存储装置17和第一UWB无线收发单元18。该第一六轴惯性传感器15与第一微控制单元14相连用于检测智能球10的运动信息，包括加速度变量和角速度变量等，用于实现智能球10定位点之间的轨迹补偿；该第一时钟单元16与第一微控制单元14相连用于提供时钟信号；该第一存储装置17与第一微控制单元14相连用于临时存储运动信息；该第一UWB无线收发单元18用于广播自身识别码和运动信息，通过第一微控制单元14控制各个部件工作。
每个穿戴设备20均安装有第二UWB标签21、身体信息采集装置22、电池装置12和无线充电接收装置13，该无线充电接收装置13与电池装置12相连以实现无线充电，该电池装置12与第二UWB标签21和身体信息采集装置22相连以供电.该身体信息采集装置22与第二UWB标签21相连用于采集体能状态信息，该体能状态信息包括心电图、心率、肌电等。该第二UWB标签21包括第二微控制单元23、第二六轴惯性传感器24、第二时钟单元25、第二存储装置26和第二UWB无线收发单元27。该第二六轴惯性传感器24与第二微控制单元23相连用于检测智能球10的运动信息，包括加速度变量和角速度变量等，用于作为穿戴设备20定位点之间轨迹补偿的依据；该第二时钟单元25与第二微控制单元23相连用于提供时钟信号；该第二存储装置26与第二微控制单元23相连用于临时存储运动信息；该第二UWB无线收发单元27用于广播自身识别码、运动信息和体能状态信息；该第二微控制单元23用于控制上述各个部件的工作。
该若干定位基站30分布于球场不同位置，每个定位基站30均设有UWB收发装置31、微控制器32、时钟装置33、存储装置34和数据通信装置35。该微控制器32控制UWB收发装置31接收智能球10和穿戴设备20发送的信息并添加来自时钟装置33的时间戳，经数据通信装置35发送至网关40。该定位基站30与网关40为有线或无线连接。定位基站30的数量可以是三个，从而构成X轴和Y轴形成的平面，UWB收发装置31位于该平面内；还可以是四个或四个以上，从而构成X轴、Y轴、Z轴形成的三维立体空间，UWB收发装置31位于该立体空间内。数据通信装置35包括WIFI单元或LAN单元或3G数据机或4G数据机或USB接口中的一种或多种，作为与服务器50的连接通道。另外，设定其中一定位基站30按预设周期发送时间同步信号，其余定位基站30接收该时间同步信号后校准对应的时钟装置33，从而维持时间同步。智能球10和穿戴设备20也可通过接收来自该特定定位基站30的时间同步信号来校对时钟装置33实现同步。
该网关40与服务器50为有线或无线连接。该服务器50接收网关40上传的信息(包括穿戴设备20发送的体能状态信息)并采用时间差定位方法(TDOA或TOA或TOF等定位方法)计算得到智能球10和各个穿戴设备20的位置及运动轨迹。具体的，服务器50通过接收到的智能球10或穿戴设备20的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同定位基站30的时间或时间差来确定智能球10或穿戴设备20的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。服务器50可以是本地服务器或云服务器其通过对比分析智能球10及穿戴设备20的位置和时间关系还可提供各种数据，例如：对于足球，其可提供持球时间、传球成功率、得分统计、尝试截球此时，截球成功此时等。
基于上述的系统，本发明还提出一种球类运动数据获取方法，在球体内安装第一UWB标签11，让球员配带具有第二UWB标签21和身体信息采集装置22等的穿戴设备20，并在球场设置若干个定位基站30，设定其中一定位基站30按预设周期发布时间同步信号，球体和穿戴设备均设有广播时隙；参照图5、图6，具体数据获取步骤如下：
1)球体或穿戴设备20分别判断是否接收到时间同步信号，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否到达广播时隙，若是，则球体通过第一UWB标签11发送自身识别码和运动信息，穿戴设备20通过第二UWB标签21广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站30；
2)定位基站30判断是否接收到时间同步信息，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否接收到球体或穿戴设备20发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关40上传至服务器50。而对于发送时间同步信号的定位基站30，其判断是否已发送时间同步信号，若否，则发送时间同步信号；若是，则判断是否接收到球体或穿戴设备20发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关40上传至服务器50。
3)服务器50采用时间差定位方法计算得到智能球10和各个穿戴设备20的位置及运动轨迹。具体的，服务器50通过接收到的智能球10或穿戴设备20的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球10或穿戴设备20的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
本发明还一种球类运动数据获取方法，其智能球10及穿戴设备20可不需要时间同步。具体如下：在智能球的球体内安装第一UWB标签11，让球员配带具有第二UWB标签21和身体信息采集装置22的穿戴设备20，并在球场设置若干个定位基站30，设定其中一定位基站30按预设周期发布时间同步信号，并对智能球10与若干穿戴设备20的广播顺序进行设定，预设智能球或穿戴设备的广播的最大空闲时间；参照图7、图6，数据获取步骤如下：
1)球体或穿戴设备20判断最大空闲时间是否到达，若是，则随机延迟后(随机延时是指：通过不固定时序的方式进行无线数据传送,以达到防止数据碰撞的效果)，球体广播自身识别码和运动信息，穿戴设备20广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站30广播，重置最大空闲时间，可避免因未收到前一顺序信息而无法发送的缺陷；若否，则监听前一广播顺序装置是否完成广播，若是，则球体发送自身识别码和运动信息，穿戴设备20广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站30，重置最大空闲时间，若否，则重复该步骤。可通过计时器实现最大空闲时间的计时。
2)定位基站30判断是否接收到时间同步信息，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否接收到球体或穿戴设备20发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关40发送至服务器50。而对于发送时间同步信号的定位基站30，其判断是否已发送时间同步信号，若否，则发送时间同步信号；若是，则判断是否接收到球体或穿戴设备20发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关40上传至服务器50。
3)服务器50采用时间差定位方法计算得到智能球10和各个穿戴设备20的位置及运动轨迹。具体的，服务器50通过接收到的智能球10或穿戴设备20的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球10或穿戴设备20的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
本发明的方法，服务器50可以是本地服务器或云服务器，可精准地判断智能球10和具有穿戴设备20的球员的位置及运动轨迹，进一步计算出在训练或比赛中的各项数值，以作为后期训练的依据。用户还可通过移动设备(手机、笔记本、平板电脑等终端)下载训练或比赛数据。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (11)

1.一种智能球场系统，包括若干穿戴设备、若干定位基站、网关和服务器，该若干定位基站分布于球场不同位置，该定位基站与网关为有线或无线连接，该网关与服务器为有线或无线连接，其特征在于：还包括智能球，该智能球内设有第一UWB标签用于广播自身识别码和运动信息至定位基站；每个穿戴设备均安装有第二UWB标签，该第二UWB标签用于广播自身识别码、运动信息至定位基站；每个定位基站均设有UWB收发装置、微控制器、时钟装置和数据通信装置，该微控制器控制UWB收发装置接收智能球和穿戴设备发送的信息并添加来自时钟装置的时间戳，经数据通信装置发送至网关；该服务器接收网关上传的信息并采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹；预先对智能球与若干穿戴设备的广播顺序进行设定，并预设最大空闲时间；智能球或穿戴设备均监听其它装置并等待其广播顺序到达时广播，并在广播后重置最大空闲时间；具体数据获取步骤如下
1)球体或穿戴设备判断最大空闲时间是否到达，若是，则随机延迟后，球体发送自身识别码和运动信息，穿戴设备广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站广播，重置最大空闲时间；若否则监听前一广播顺序装置是否完成广播，若是则球体发送自身识别码和运动信息，穿戴设备广播自身识别码、运动信息和体能状态信息至定位基站，重置最大空闲时间，若否，则重复该步骤；
2)定位基站判断是否接收到时间同步信号，若是，则执行时间同步；若否，则判断是否接收到球体或穿戴设备发送的信息，若是，则将信息添加时间戳后经网关发送至服务器；
3)服务器采用时间差定位方法计算得到智能球和各个穿戴设备的位置及运动轨迹，所述时间差定位方法包括TDOA或TOF。
2.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述第一UWB标签包括第一微控制单元、第一六轴惯性传感器、第一时钟单元、第一存储装置和第一UWB无线收发单元；该第一六轴惯性传感器与第一微控制单元相连用于检测智能球的运动信息，该第一时钟单元与第一微控制单元相连用于提供时钟信号；该第一存储装置与第一微控制单元相连用于临时存储运动信息；该第一UWB无线收发单元用于广播自身识别码和运动信息。
3.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述智能球还设有电池装置和无线充电接收装置，该无线充电接收装置与电池装置相连以实现无线充电，该电池装置与所述第一UWB标签相连以供电。
4.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述第二UWB标签包括第二微控制单元、第二六轴惯性传感器、第二时钟单元、第二存储装置和第二UWB无线收发单元；该第二六轴惯性传感器与第二微控制单元相连用于检测智能球的运动信息，该第二时钟单元与第二微控制单元相连用于提供时钟信号；该第二存储装置与第二微控制单元相连用于临时存储运动信息；该第二UWB无线收发单元用于广播自身识别码和运动信息。
5.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述穿戴设备还设有电池装置和无线充电接收装置，该无线充电接收装置与电池装置相连以实现无线充电，该电池装置与所述第二UWB标签和身体信息采集装置相连以供电。
6.如权利要1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述穿戴设备还设有身体信息采集装置，该身体信息采集装置与第二UWB标签相连以采集体能状态信息并送至所述定位基站。
7.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述服务器通过接收到的智能球或穿戴设备的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球或穿戴设备的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
8.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：设定其中一所述定位基站按预设周期发送时间同步信号，其余定位基站、智能球和穿戴设备接收该时间同步信号后校准对应的时钟装置，从而维持时间同步。
9.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述数据通信装置包括WI F I单元或LAN单元或3G数据机或4G数据机或USB接口中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的一种智能球场系统，其特征在于：在步骤3)中，所述服务器通过接收到的智能球或穿戴设备的自身识别码获取其运动信息及对应的时间戳，根据时间戳对比信息到达不同基站的时间或时间差来确定智能球或穿戴设备的位置，并结合运动信息得到运动轨迹。
11.如权利要求6所述的一种智能球场系统，其特征在于：所述身体信息采集装置采集得到体能状态信息，该体能状态信息包括心电图、心率、肌电。
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