作者 郭曉宇 劉文宇 王曦 李航 柳陽 大連理工大學(xué)(遼寧 大連 116024)

摘要：介紹了以中天CK-CPU架構(gòu)及其平臺為核心，可檢測乒乓球在球案上的落點(diǎn)位置，并顯示搭載在阿里云服務(wù)器的網(wǎng)站。落點(diǎn)檢測的方法是聲源定位法，即通過布置在乒乓球案周圍的三個麥克風(fēng)采集球落在乒乓球案上的聲音或者擊球時的聲音，然后經(jīng)過放大器、帶通濾波器、比較器等信號處理單元，比較收到三路信號的時間差，經(jīng)過計算，最終確定落點(diǎn)或擊球點(diǎn)在三維空間的具體位置。通過無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊ESP8266，可以將各種數(shù)據(jù)上傳到阿里云服務(wù)器上，并在web端用圖形化顯示重現(xiàn)落點(diǎn)位置，幫助人們分析乒乓球訓(xùn)練中的各種問題，提升人們的乒乓球技能。

0 引言

　　隨著21世紀(jì)以來傳感器的發(fā)展和算法的進(jìn)步，運(yùn)動監(jiān)測發(fā)展十分迅速，市場上出現(xiàn)越來越多的運(yùn)動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。運(yùn)動監(jiān)測傳感器通常以無線方式與手機(jī)等智能終端連接，監(jiān)測人體狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能終端進(jìn)行分析，從而更科學(xué)地進(jìn)行體育活動。本文旨在開發(fā)一套乒乓球運(yùn)動智能監(jiān)測系統(tǒng)，為乒乓球活動愛好者提供便利。乒乓球是廣受男女老少喜愛的體育運(yùn)動，也是奧運(yùn)會的體育競賽項目之一。其開展條件簡單，可參與性強(qiáng)，符合中國國情，在國內(nèi)外普及程度很高。

　　為了給乒乓球訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文利用加速度傳感器和麥克風(fēng)傳感器，開發(fā)了一套能夠統(tǒng)計乒乓球落點(diǎn)和正反手乒乓球擊球個數(shù)的分析系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)傳送到web端進(jìn)行查看。我們還通過系統(tǒng)控制手機(jī)錄制視頻，記錄比賽的精彩瞬間。

　　綜合考慮乒乓球運(yùn)動場地、球桌和球拍的特點(diǎn)，本文使用了C-SKY開發(fā)的CK802系列CPU為核心，構(gòu)建了分析速度快、性能穩(wěn)定的分析系統(tǒng)。系統(tǒng)使用了三個麥克風(fēng)傳感器，固定在乒乓球案的不同方向，采集乒乓球的掉落位置。我們使用了聲源檢測法，相比市面上常見的一組并排麥克風(fēng)傳感器結(jié)構(gòu)，采用分布式排列三個麥克風(fēng)傳感器，更有效地采集落點(diǎn)信號。通過對信號進(jìn)行放大、濾波和比較，將信號處理為方波信號。通過比較三個麥克風(fēng)傳感器的信號發(fā)生時間，對落點(diǎn)位置進(jìn)行較精準(zhǔn)的定位。該定位方式非常適用于小面積的準(zhǔn)確定位，并且實(shí)現(xiàn)成本低，符合乒乓球運(yùn)動監(jiān)測的要求。

　　為保證不同應(yīng)用場合需求，本設(shè)計支持有線和無線兩種方式完成互聯(lián)網(wǎng)連接，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳送到阿里云的服務(wù)器端進(jìn)行呈現(xiàn)。在開發(fā)平臺上，我們使用了云OS操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和發(fā)送。通過阿里云的服務(wù)器，將采集的落點(diǎn)以圖形界面的形式呈現(xiàn)在web端。云端操作具有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以隨時隨地查看的優(yōu)點(diǎn)。乒乓球愛好者可以隨時登錄網(wǎng)頁端查看自己的運(yùn)動數(shù)據(jù)，且顯示界面清晰，用戶體驗友好。

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乒乓球訓(xùn)練的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。其查看數(shù)據(jù)方便簡單，實(shí)現(xiàn)成本經(jīng)濟(jì)，可在不同環(huán)境下使用，為乒乓球運(yùn)動目標(biāo)監(jiān)測提供了較好的解決方案。

1 聲源定位

　　通過在乒乓球桌的三個角位置布置三個聲音傳感器來步驟乒乓球與球臺碰撞的聲音數(shù)據(jù)，運(yùn)用SX算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來得出落點(diǎn)的具體位置。

2 硬件電路

　　本系統(tǒng)的應(yīng)用外圍處理電路主要包括拾音電路設(shè)計和濾波電路設(shè)計。

　　2.1 拾音電路設(shè)計

　　本文通過NE5532設(shè)計了一款高性能拾音電路，保證對乒乓球與球桌碰撞聲音的精確靈敏采集。

　　如圖1所示，在雙接口處接入麥克風(fēng)咪頭，在三口輸入處接入電源線、地線和輸出線。采用圓弧走線的方式減少由布局布線引發(fā)的阻抗不連續(xù)。

　　2.2 濾波電路

　　濾波電路原理圖如圖2所示，圖中有二階無源帶通濾波電路和一階有源帶通濾波電路，每一個濾波器共含有3組如上電路，最后通過比較器輸出。經(jīng)過計算，濾波電阻取值為27 kΩ，電容值為10 nF，中心頻率為589.463 Hz，同本文計算所需的600 Hz相差不大，符合需求。