本發明屬于足球訓練技術領域，尤其涉及一種智能足球訓練系統。

背景技術：

目前市面上的足球訓練系統，通過足球發射機進行發射足球，但是足球在經過足球訓練者的腳踢之后撞擊框架，而后會反彈，反彈之后的足球不一定全部都能滾到回收槽中，使得球場中的散落的足球影響訓練者的訓練，另一方面足球訓練場的燈光效果不能及時打開或關閉，給足球訓練者帶來一定的煩惱。

對于智能化傳感器而言，其傳感器的信息處理功能是決定其最終功能及性能的重要因素。目前對于傳感器的信號采集而言，傳感器往往獨立存在，需要外部供電或簡單處理后才能工作，實際應用下，獨立信號采集系統無法考慮傳感器供電等因素，因此往往需要針對不同的傳感器設計不同的外部供電方式。同時傳感器的輸出信號往往和環境相關聯，不同環境下，傳感器的輸出性能不一致，亦會導致信號處理的不一致。因此，能建立與環境關聯性的信號采集處理系統成為進行傳感器信號分析的利器。

在傳統心率傳感器中的脈搏傳感器不能很好的檢測脈搏信號。

綜上所述，現有的足球訓練系統不能將足球訓練者在訓練過程中的人體參數與足球訓練結合在一起，智能化程度低，導致不能更好的分析每一個足球訓練者的身體素質和運動參數。

技術實現要素：

本發明為解決現有的足球訓練系統不能將足球訓練者在訓練過程中的人體參數與足球訓練結合在一起，智能化程度低，導致不能更好的分析每一個足球訓練者的身體素質和運動參數的技術問題而提供一種智能足球訓練系統。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：一種智能足球訓練系統，包括足球訓練場框架、采集數據控制器、外部設備和單片機控制器，所述足球訓練場框架頂部固定安裝有固定板；所述固定板的底部固定安裝有防護網；

所述足球訓練場框架與防護網之間的空間中固定安裝有多個足球發射機；所述防護網的底部設置有回收槽；所述足球訓練場框架的頂部從左到右依次設置有第一支撐桿、第二支撐桿和第三支撐桿；所述第一支撐桿的底部中心位置固定安裝有光強傳感器；所述第二支撐桿的底部中心位置固定安裝有揚聲器；所述第三支撐桿的底部中心位置固定安裝有攝像頭；

所述第一支撐桿的底部固定安裝有多個第一照明燈，且第一照明燈設置在光強傳感器的兩側；所述第二支撐桿的底部固定安裝有多個第二照明燈，且第二照明燈設置在揚聲器的兩側；所述第三支撐桿的底部固定安裝有多個第三照明燈，且第三照明燈設置在攝像頭的兩側；所述足球發射機的的頂部固定安裝有發球計數裝置，且足球發射機前端面的邊緣位置固定安裝有多個LED閃爍燈；所述采集數據控制器由心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器構成；

所述采集數據控制器的輸出端通過局域網與無線射頻收發模塊的輸入端連接；所述外部設備的輸入端通過互聯網與無線射頻收發模塊的輸出端連接；所述單片機控制器的輸入端分別與光強傳感器、發球計數裝置和供電模塊的輸出端電性連接；

所述單片機控制器的輸出端分別與足球發射機、揚聲器、攝像頭、第一照明燈、第二照明燈、第三照明燈和LED閃爍燈的輸入端電性連接；所述單片機控制器分別與無線射頻收發模塊、數據庫和數據處理模塊電性連接。

進一步，所述足球訓練場框架的左右兩側均設置有足球門，且足球門的外側設置有球門網。

進一步，所述回收槽設置在地面中，且回收槽的上平面與足球訓練場框架的下平面處于同一水平面。

進一步，所述第一支撐桿、第二支撐桿和第三支撐桿的兩端分別與固定在足球訓練場框架頂部的前后兩側上。

進一步，所述攝像頭具體為360°魚眼攝像頭。

進一步，所述第一照明燈、第二照明燈和第三照明燈具體為LED照明燈。

進一步，所述LED閃爍燈具體為紅色LED閃爍燈。

進一步，所述采集數據控制器設置在足球運動員的手腕上。

進一步，所述外部設備包括具有網絡連接功能的電子產品。

進一步，所述采集數據控制器還包括電源模塊、傳感器接入轉換模塊和信號采集模塊；

所述電源模塊為傳感器接入轉換模塊的傳感器接入口提供電壓，所述接入轉換模塊的傳感器接入口用于接入不同電壓的心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器；

所述傳感器接入轉換模塊用于接入心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，并接收心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器的檢測信號，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測信號接入功能；

所述信號采集模塊用于將所述傳感器接入轉換模塊接收到的模擬檢測信號轉換為數字信號后傳輸給無線射頻收發模塊，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的采集；

所述無線射頻收發模塊將信號采集模塊傳輸的數字信號傳輸給單片機控制器；所述單片機控制器接收無線射頻收發模塊的信號，并存儲、顯示和處理采集到的數據，實現數據心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的記錄；

所述單片機控制器還用于記錄心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據發生時刻的環境并將記錄的記錄心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據發生時刻的環境與傳感器數據進行關聯。

進一步，所述傳感器接入口包括數字接口和模擬接口；所述數字接口通過數字通道轉換為USB接口或網口；所述模擬接口通過模擬通道與所述信號采集模塊相連；

所述傳感器接入轉換模塊通過由單片機控制器控制的選擇開關選擇一路或幾路信號接通；所述信號采集模塊通過USB接口與所述無線射頻收發模塊相連；所述采集數據控制器還包括模擬回放模塊；所述模擬回放模塊與無線射頻收發模塊通過USB接口相連；所述單片機控制器計算機通過無線射頻收發模塊、USB接口將數據傳送到模擬回放模塊，確認回放時鐘，按該回放時鐘將數字信號轉為模擬信號，并對所述模擬信號進行濾波處理，模擬真實模擬信號，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的回放。

進一步，所述心率傳感器采用脈搏傳感器，所述脈搏傳感器包括：

若干壓電薄膜傳感器，所述若干壓電薄膜傳感器為以陣列式排列的PVDF膜傳感器，用于將脈搏的壓力信號轉換為電壓信號；

所述若干壓電薄膜傳感器包括若干組PVDF膜陣列，每一組PVDF膜陣列包括橫向4個×縱向4個共十六個PVDF膜傳感器；

所述PVDF膜傳感器為2.8mm×2.8mm單點PVDF壓電薄膜傳感器，每個單點PVDF壓電薄膜傳感器之間距離低于0.8mm。

進一步，所述脈搏傳感器還包括信號處理單元，所述信號處理單元包括：

前置線性電荷放大器，用于與所述壓電薄膜傳感器的換能器的阻抗匹配，把高阻抗輸入轉換為低阻抗電壓輸出，并將微弱感測信號轉換成電壓信號并放大；

降噪單元，用于對所述前置線性電荷放大器輸出的電壓信號進行降噪處理；所述降噪單元包括濾波電路，所述濾波電路由二階濾波結構組成：

低通濾波電路，由R1和C1組成，上限截止頻率為1100Hz，以使脈搏信號的高次諧波通過，信號反映的脈搏特征信息得到完整的保留；

低通濾波器，用于濾除高頻干擾；

所述降噪單元還包括設置一條接觸皮膚的參考電極，將參考電極連接模擬地，以有效消除常規工頻干擾；

所述信號處理單元還包括一處理器，所述處理器將測量得到的256個數據視為一隊列，每進行一次新的測量，就把測量結果放入隊尾，而剔除原來隊首的一次數據；對所述256個數據逐個比較大小，去掉其中的最大值和最小值，然后計算254個數據的平均值。

進一步，信號采集模塊的信號采集方法包括：

首先，用感知設備在獨立的采樣周期內對目標信號x(t)進行采集，并用A/D方式對信號進行數字量化；然后，對量化后的信號x(i)進行降維；最后，對降維后的信號進行重構；其中t為采樣時刻，i為量化后的信號排序。

進一步，對量化后的信號進行降維，具體是對量化后的信號通過有限脈沖響應濾波器的差分方程i＝1,…,M，其中h(0),…,h(L-1)為濾波器系數，設計基于濾波的壓縮感知信號采集框架，構造如下托普利茲測量矩陣：

則觀測i＝1,…,M，其中b₁,…,b_L看作濾波器系數；子矩陣Φ_FT的奇異值是格拉姆矩陣G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算術根，驗證G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，則Φ_F滿足RIP，并通過求解如下公式最優化問題來重構原信號：

即通過線性規劃方法來重構原信號，亦即BP算法；

針對實際壓縮信號，如脈搏壓力信號的采集，則修改Φ_F為如下形式：

如果信號在變換基矩陣Ψ上具有稀疏性，則通過求解如下公式最優化問題，精確重構出原信號：

其中Φ與Ψ不相關，Ξ稱為CS矩陣。

本發明具有的優點和積極效果是：該智能足球訓練系統，通過設置防護網，使得受力之后的足球能順利進入到回收槽中，設置有光強傳感器，可以在外界光照強度不夠時，通過單片機控制器將第一照明燈、第二照明燈和第三照明燈打開，保證光照強度滿足訓練要求；采集數據控制器由心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器構成，將采集數據控制器戴在足球運動員的手腕上，有效檢測足球運動員的身體素質和運動參數，通過數據處理模塊對檢測到的參數進行分析處理，并利用數據庫將參數進行比對、采樣和查詢，更好地對足球運動員進行針對性的訓練。

本發明可以采集并存儲傳感器數據為單片機控制器進行傳感器信號分析提供了便利，并且可在不同環境下采集的數據，可通過回放功能提供模擬真實信號。

本發明提供了對傳感器信息采集的集成開發環境，采集數據控制器具有傳感器信息采集、記錄功能，其中信號采集功能提供了多種傳感器接口，為傳感器提供工作所需電壓以保障其正常工作，可將數字傳感器信號傳至單片機控制器，在單片機控制器上提供與環境關聯的信號存儲，并進行信號處理顯示，其中回放功能可將樣本庫中存儲的傳感器采集數據以采樣時鐘回放，模擬傳感器信號源，為其它設備提供開發調試參考。

本發明的心率傳感器部分是PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電薄膜，之所以選擇PVDF壓電薄膜，因為它有如下幾個優點：①壓電常數大(d33＝20pC/N)，變力響應靈敏度高，比石英晶體高10倍，壓電電壓輸出常數g＝174是所有壓電體中最高的；在非常高的交變電場中不至于去極化，單位體積能獲得大的輸出功率，因為換能器單位體積最大輸出功率正比于機電耦合系數和能承受的最大電場強度的平方；②膜輕且柔韌，易于制備，與人體組織的阻抗耦合性好，能緊貼皮膚，使得脈搏信號通過薄膜而不失真；另外由于薄膜類似于人類皮膚，可以制作仿生觸覺傳感器；③機械品質因素低，阻尼小，密度低，具有寬帶特性，能滿足脈搏信號的頻率特性；人體的脈搏頻率非常低，約為0.5～4Hz，一般情況下為1Hz左右；由于PVDF膜的柔性及其厚度方向伸縮振動的諧振頻率很高，使得在很寬范圍內有平坦的頻率響應(響應范圍是0.1～110MHz)。因此，從理論上講，PVDF換能器能檢測微弱低頻的脈搏信號；

本發明的薄膜傳感器是由多個2.8*2.8mm²的正方形PVDF換能器成陣列式排列，每個點陣之間距離低于0.8mm，這種結構可以保證完全采集到寸、關、尺三個位置的信息，避免了傳統脈搏波傳感器需要繁瑣的人工調節，利用算法確定寸、關、尺，可以更加精確的定位，排除了人為的誤差；PVDF壓電傳感器利用硅膠封裝固定，并固定在手腕式空氣袖帶上；

本發明的電荷放大電路的高阻抗輸入可以很好的捕捉到PVDF薄膜產生的微弱電荷；在皮膚上引入參考地電極可以有效的消除常規工頻信號，大幅度地簡化了電路，實現電路小型化設計。

本發明的信號采集方法，增強了對信號收集的范圍；提高了數據保護安全性和準確性。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的智能足球訓練系統結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的足球訓練系統俯視圖。

圖3為本發明實施例提供的足球訓練系統外部結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的足球訓練系統原理框圖。

圖5為本發明實施例提供的傳感器接入轉換模塊連接示意圖。

圖中：1、足球訓練場框架；2、足球門；3、球門網；4、固定板；5、防護網；6、足球發射機；7、回收槽；8、第一支撐桿；9、第二支撐桿；10、第三支撐桿；11、光強傳感器；12、揚聲器；13、攝像頭；14、第一照明燈；15、第二照明燈；16、第三照明燈；17、發球計數裝置；18、LED閃爍燈；19、采集數據控制器；19-1、電源模塊；19-2、傳感器接入轉換模塊；19-3、信號采集模塊；19-4、傳感器接入口；19-4-1、數字接口；19-4-2、模擬接口；19-5、選擇開關；19-6、模擬回放模塊；20、心率傳感器；21、速度傳感器；22、加速度傳感器；23、局域網；24、無線射頻收發模塊；25、外部設備；26、互聯網；27、單片機控制器；28、供電模塊；29、數據庫；30、數據處理模塊。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細描述。

如圖1至圖4所示，本發明實施例提供的智能足球訓練系統，包括足球訓練場框架1、采集數據控制器19、外部設備25和單片機控制器27，所述足球訓練場框架頂部固定安裝有固定板4；所述固定板的底部固定安裝有防護網5；所述足球訓練場框架與防護網之間的空間中固定安裝有多個足球發射機6；

所述防護網的底部設置有回收槽；所述足球訓練場框架的頂部從左到右依次設置有第一支撐桿8、第二支撐桿9和第三支撐桿10；所述第一支撐桿的底部中心位置固定安裝有光強傳感器11；所述第二支撐桿的底部中心位置固定安裝有揚聲器12；所述第三支撐桿的底部中心位置固定安裝有攝像頭13；所述第一支撐桿的底部固定安裝有多個第一照明燈14，且第一照明燈設置在光強傳感器的兩側；所述第二支撐桿的底部固定安裝有多個第二照明燈15，且第二照明燈設置在揚聲器的兩側；

所述第三支撐桿的底部固定安裝有多個第三照明燈16，且第三照明燈設置在攝像頭的兩側；所述足球發射機的的頂部固定安裝有發球計數裝置17，且足球發射機前端面的邊緣位置固定安裝有多個LED閃爍燈18；所述采集數據控制器由心率傳感器20、速度傳感器21和加速度傳感器22構成；

所述采集數據控制器的輸出端通過局域網23與無線射頻收發模塊24的輸入端連接；所述外部設備的輸入端通過互聯網26與無線射頻收發模塊的輸出端連接；所述單片機控制器的輸入端分別與光強傳感器、發球計數裝置和供電模塊28的輸出端電性連接；

所述單片機控制器的輸出端分別與足球發射機、揚聲器、攝像頭、第一照明燈、第二照明燈、第三照明燈和LED閃爍燈的輸入端電性連接；所述單片機控制器分別與無線射頻收發模塊、數據庫29和數據處理模塊30電性連接。

進一步，所述足球訓練場框架的左右兩側均設置有足球門2，且足球門的外側設置有球門網3。

進一步，所述回收槽7設置在地面中，且回收槽的上平面與足球訓練場框架的下平面處于同一水平面。

進一步，所述第一支撐桿、第二支撐桿和第三支撐桿的兩端分別與固定在足球訓練場框架頂部的前后兩側上。

進一步，所述攝像頭具體為360°魚眼攝像頭。

進一步，所述第一照明燈、第二照明燈和第三照明燈具體為LED照明燈。

進一步，所述LED閃爍燈具體為紅色LED閃爍燈。

進一步，所述采集數據控制器設置在足球運動員的手腕上。

進一步，所述外部設備包括具有網絡連接功能的電子產品。

如圖5所示，所述采集數據控制器還包括電源模塊19-1、傳感器接入轉換模塊19-2和信號采集模塊19-3；

所述電源模塊為傳感器接入轉換模塊的傳感器接入口提供電壓，所述接入轉換模塊的傳感器接入口19-4用于接入不同電壓的心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器；

所述傳感器接入轉換模塊用于接入心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，并接收心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器的檢測信號，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測信號接入功能；

所述信號采集模塊用于將所述傳感器接入轉換模塊接收到的模擬檢測信號轉換為數字信號后傳輸給無線射頻收發模塊，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的采集；

所述無線射頻收發模塊將信號采集模塊傳輸的數字信號傳輸給單片機控制器；所述單片機控制器接收無線射頻收發模塊的信號，并存儲、顯示和處理采集到的數據，實現數據心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的記錄；

所述單片機控制器還用于記錄心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據發生時刻的環境并將記錄的記錄心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據發生時刻的環境與傳感器數據進行關聯。

進一步，所述傳感器接入口包括數字接口19-4-1和模擬接口19-4-2；所述數字接口通過數字通道轉換為USB接口或網口；所述模擬接口通過模擬通道與所述信號采集模塊相連；

所述傳感器接入轉換模塊通過由單片機控制器控制的選擇開關19-5選擇一路或幾路信號接通；所述信號采集模塊通過USB接口與所述無線射頻收發模塊相連；所述采集數據控制器還包括模擬回放模塊19-6；所述模擬回放模塊與無線射頻收發模塊通過USB接口相連；所述單片機控制器計算機通過無線射頻收發模塊、USB接口將數據傳送到模擬回放模塊，確認回放時鐘，按該回放時鐘將數字信號轉為模擬信號，并對所述模擬信號進行濾波處理，模擬真實模擬信號，實現心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器檢測數據的回放。

進一步，所述心率傳感器采用脈搏傳感器，所述脈搏傳感器包括：

若干壓電薄膜傳感器，所述若干壓電薄膜傳感器為以陣列式排列的PVDF膜傳感器，用于將脈搏的壓力信號轉換為電壓信號；

所述若干壓電薄膜傳感器包括若干組PVDF膜陣列，每一組PVDF膜陣列包括橫向4個×縱向4個共十六個PVDF膜傳感器；

所述PVDF膜傳感器為2.8mm×2.8mm單點PVDF壓電薄膜傳感器，每個單點PVDF壓電薄膜傳感器之間距離低于0.8mm。

進一步，所述脈搏傳感器還包括信號處理單元，所述信號處理單元包括：

前置線性電荷放大器，用于與所述壓電薄膜傳感器的換能器的阻抗匹配，把高阻抗輸入轉換為低阻抗電壓輸出，并將微弱感測信號轉換成電壓信號并放大；

降噪單元，用于對所述前置線性電荷放大器輸出的電壓信號進行降噪處理；所述降噪單元包括濾波電路，所述濾波電路由二階濾波結構組成：

低通濾波電路，由R1和C1組成，上限截止頻率為1100Hz，以使脈搏信號的高次諧波通過，信號反映的脈搏特征信息得到完整的保留；

低通濾波器，用于濾除高頻干擾；

所述降噪單元還包括設置一條接觸皮膚的參考電極，將參考電極連接模擬地，以有效消除常規工頻干擾；

所述信號處理單元還包括一處理器，所述處理器將測量得到的256個數據視為一隊列，每進行一次新的測量，就把測量結果放入隊尾，而剔除原來隊首的一次數據；對所述256個數據逐個比較大小，去掉其中的最大值和最小值，然后計算254個數據的平均值。

進一步，信號采集模塊的信號采集方法包括：

首先，用感知設備在獨立的采樣周期內對目標信號x(t)進行采集，并用A/D方式對信號進行數字量化；然后，對量化后的信號x(i)進行降維；最后，對降維后的信號進行重構；其中t為采樣時刻，i為量化后的信號排序。

進一步，對量化后的信號進行降維，具體是對量化后的信號通過有限脈沖響應濾波器的差分方程i＝1,…,M，其中h(0),…,h(L-1)為濾波器系數，設計基于濾波的壓縮感知信號采集框架，構造如下托普利茲測量矩陣：

則觀測i＝1,…,M，其中b₁,…,b_L看作濾波器系數；子矩陣Φ_FT的奇異值是格拉姆矩陣G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算術根，驗證G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，則Φ_F滿足RIP，并通過求解如下公式最優化問題來重構原信號：

即通過線性規劃方法來重構原信號，亦即BP算法；

針對實際壓縮信號，如脈搏壓力信號的采集，則修改Φ_F為如下形式：

如果信號在變換基矩陣Ψ上具有稀疏性，則通過求解如下公式最優化問題，精確重構出原信號：

其中Φ與Ψ不相關，Ξ稱為CS矩陣。

下面結合工作原理對本發明的應用作進一步描述。

本發明的單片機控制器控制足球發射機將足球發射出去，足球訓練者對不同方向發射的足球進行踢射，對訓練者進行有效訓練，踢射之后的足球經過防護網全部滾落到回收槽中，揚聲器發出語音通報，告知訓練者哪一臺足球發射機發射足球，足球發射機上的發球計數裝置會對足球數進行計數，同時足球發射機前側設置在LED閃爍燈可以有效提示訓練者，當光強傳感器檢測外界光照強度滿足不了訓練場地要求時，單片機控制器會控制第一照明燈、第二照明燈和第三照明的打開，采集數據控制器由心率傳感器、速度傳感器和加速度傳感器構成，將采集數據控制器戴在足球訓練者的手腕上，有效檢測足球訓練者的身體素質和運動參數，無線射頻收發模塊用于接收和和發射無線網絡信號，采集數據控制器將檢測的參數通過局域網和無線射頻收發模塊發送到單片機控制器中，單片機控制器通過數據處理模塊對檢測到的參數進行分析處理，并利用數據庫將參數進行比對、采樣和查詢，更好地對足球訓練者進行針對性的訓練，同時單片機控制器利用無線射頻收發模塊和互聯網將檢測參數和處理后的參數發送到外部設備中。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。