本申请涉及水下通信技术领域，特别地，涉及一种游泳训练助教系统。
背景技术：
游泳是一项增强心肌功能，增强抵抗力的健身运动。2014年起，国家提倡运动员的大数据训练，但是由于没有针对游泳设计的专业训练对讲及运动员体征采集传输设备，当前主要还是采用教练手掐秒表，肉嗓子喊，运动员游到边后自己数心率的训练方法，记录周期长，数据不严谨且浪费时间，同时也大大增加了教练员的工作强度。
现有水下通信主要包括声、光、电磁波等通信方式，各种通信方式有其特点及应用范围，各有利弊：在水中传播的各种波中，声波的衰减最小，但是传输延时长，传输速率低，而且功耗高体积大，容易受干扰因素的影响，因此不太适合游泳运动员与教练员之间的实时交互通信。激光通信的原理是采用一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段，但是通信方向性要求较高（要求发射及接收对准），偏离角不能太大，通信距离也有限（数百米），同时功耗也较大，因此很难用于游泳运动员与教练员之间的通信。对于电磁波通信方式，由于电磁波是横波，水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在水中的传输，因此在陆地上广为应用的无线电波在水下几乎无法正常应用；电磁波在有电阻的导体中的穿透深度与其波长直接相关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大一些，因此，长期以来，超大功率的长波（一般采用3~30kHz的甚低频波段）通信成为了水下通信的主要形式，长波通信设备的尺寸、重量、耗电量等都不适合游泳运动员训练过程中携带。
技术实现要素：
本申请提供一种游泳训练助教系统，用于解决现有水下通信方法无法适应游泳运动员在训练过程中与教练员实时通信的问题。
本申请公开的一种游泳训练助教系统，包括通过无线网络依次连接的教练员终端、无线中继装置、运动员终端和耳机，其中：所述无线中继装置包括中继MCU和与所述中继MCU电连接的Wi-Fi单元、FM信号发射单元；所述运动员终端包括终端MCU和与所述终端MCU电连接的FM信号接收模块、外设接口；所述耳机包括耳机仓以及设置在耳机仓内的喇叭，所述喇叭通过导线与所述外设接口电连接；所述教练员终端通过Wi-Fi单元与无线中继装置连接，并通过所述无线中继装置将语音数据发送至运动员终端；所述运动员终端通过喇叭播放所述语音数据。
优选的，所述无线中继装置还设置有与中继MCU电连接的中继射频收发单元；所述运动员终端还设置有与终端MCU电连接的终端射频收发模块；所述耳机还包括传感器仓以及设置在传感器仓内的体征采集模块，所述体征采集模块通过导线与运动员终端的外设接口电连接；其中：所述中继MCU通过Wi-Fi单元收到教练员终端发出的体征采集指令时，将所述体征采集指令通过中继射频收发单元发送至运动员终端； 当所述运动员终端的终端MCU通过终端射频收发模块收到体征采集指令时，从外设接口接收所述体征采集模块采集的运动员体征数据，并通过终端射频收发模块发送至无线中继装置；所述中继MCU通过中继射频收发单元接收所述运动员体征数据，并通过Wi-Fi单元发送至教练员终端。
优选的，所述FM信号发射单元包括集成在印刷电路板上的FM发射集成电路和高增益FM发射天线；所述中继射频收发单元包括集成在印刷电路板上的射频集成电路和射频天线；所述高增益FM发射天线和射频天线安装固定在无线中继装置外壳的顶端。
优选的，所述运动员终端的外壳上设置有与游泳镜卡接的卡扣和用于检测外壳气密性的气测孔，所述气测孔上设置有堵头；所述FM信号接收模块包括集成在印刷电路板上的FM调谐器和FM接收天线，所述FM接收天线为采用0.33mm直径的自粘漆包线绕制而成的线圈；所述终端射频收发模块包括集成在印刷电路板上的射频收发器和全向贴片天线。
优选的，所述耳机还设置有2个U形支架和连接2个U形支架的弧形弹性连杆，所述传感器仓设置在其中1个U形支架与弧形弹性连杆的连接处。
优选的，FM信号发射单元与FM信号接收模块之间的无线电频段具体为76MHz~108MHz。
优选的，所述中继射频收发单元与终端射频收发模块之间采用时分多址传输模式。
优选的，终端射频收发模块与中继射频收发单元之间通信的无线电频率具体为433MHz。
优选的，所述体征采集模块包括心率传感器和/或血氧仪。
优选的，还包括无线接入点和云服务平台，其中：所述教练员终端和无线中继装置通过所述无线接入点接入因特网，并通过因特网与云服务平台连接；所述无线中继装置还用于将体征采集模块采集的运动员体征数据上传至云服务平台；所述云服务平台用于将运动员体征数据进行分析并将分析结果生成WEB展现页面，为教练员终端提供WEB展现服务。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：本申请优选实施例通过在教练员终端和运动员终端之间设置无线中继装置的方式实现多频率通信，并针对水下通信的特点在无线中继装置和运动员终端之间采用近距离（水下传输距离不超过100m）调频（FM，Frequency Modulation）传输方式，使运动员终端只需要配备体积小、重量轻、耗电小的调谐器和线圈类天线即可接收调频信号并转换为声音播放，可有效降低运动员终端的体积、重量和功耗，从而解决现有技术不能适用游泳运动员与教练员实时通信的问题。
附图说明
附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例一种游泳训练助教系统的结构示意图；
图2为本申请实施例一种游泳训练助教系统的数据流传输示意图；
图3为本申请实施例一种游泳训练助教系统的无线中继设备的结构示意图；
图4为本申请实施例一种游泳训练助教系统的运动员终端的结构示意图；
图5~7分别为本申请实施例一种游泳训练助教系统的耳机设备的左视、前视和俯视示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。术语“包括”、“包含”及类似术语应该被理解为是开放性的术语，即“包括/包含但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
参照图1和3~7，示出了本申请实施例一种游泳训练助教系统的结构，包括通过无线网络依次连接的教练员终端4、无线中继装置3、运动员终端2和耳机1，其中：
无线中继装置3包括中继微处理单元（MCU，Micro Controller Unit）30、Wi-Fi单元33和FM信号发射单元31；Wi-Fi单元33和FM信号发射单元31分别与集成在印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board）上的中继MCU30电连接，并由设置在装置壳体内的电源34供电。
运动员终端2包括终端MCU20、FM信号接收模块25和外设接口28， FM信号接收模块25和外设接口28分别与集成在PCB上的终端MCU20电连接，并由设置在终端壳体内的电源模块23供电。
耳机1包括耳机仓13以及设置在耳机仓13内的喇叭，所述喇叭通过导线与运动员终端2的外设接口28电连接。
其中，语音数据的传输流程如图2所示，具体包括：教练员终端4通过Wi-Fi单元33与无线中继装置3连接，并将语音数据发送至无线中继装置；之后由无线中继装置3将语音数据发送至运动员终端2；最后，运动员终端2通过喇叭播放教练员终端4发出的语音数据。
在另一实施例中，为了使教练员实时掌握运动员的心率、血氧等体征数据，无线中继装置3还设置有与中继MCU30电连接的中继射频收发单元32；运动员终端2还设置有与终端MCU20电连接的终端射频收发模块26；耳机1还包括有传感器仓12以及设置在传感器仓12内的体征采集模块，该体征采集模块通过导线与运动员终端2的外设接口28电连接，并由设置在运动员终端2内的电源模块23供电；其中体征数据的采集指令及传输流程如图2所示，具体包括：
中继MCU30通过Wi-Fi单元33收到教练员终端4发出的体征采集指令时，将所述体征采集指令通过中继射频收发单元32发送至运动员终端2；
当运动员终端2的终端MCU20通过终端射频收发模块26接收到上述体征采集指令时，从外设接口28接收所述体征采集模块采集的运动员体征数据，并通过终端射频收发模块26发送至无线中继装置3；无线中继装置3的中继MCU30通过中继射频收发单元32接收所述运动员体征数据，并通过Wi-Fi单元33发送至教练员终端4。
为进一步方便教练员了解运动员的状态，所述系统还可以包括无线接入点（AP，Access Point）和云服务平台，其中：教练员终端4和无线中继装置3通过所述无线接入点接入因特网，并通过因特网与云服务平台连接；无线中继装置3还用于将体征采集模块采集的运动员体征数据上传至云服务平台；云服务平台用于将运动员体征数据进行分析并将分析结果生成WEB展现页面，为教练员终端提供WEB展现服务。
对于上述的无线中继装置3，在具体实施时，为了提高数据传输效果，可以采用如下实施方式：FM信号发射单元31具体可以包括集成在PCB上的FM发射集成电路和高增益FM发射天线(HGA，High Gain Antenna）；虽然HGA在辐射方向上相对更加狭窄，但在某些方向上的辐射更为集中，可以将无线中继装置3放置在朝向泳池的位置实现在这些方向上的信号增益。中继射频收发单元32具体可以包括集成在PCB上的射频集成电路和射频天线。另外，为方便布署无线中继装置，可以将高增益FM发射天线和射频天线安装固定在无线中继装置3外壳的顶端。
对于上述的运动员终端2，在具体实施时，为方便运动员佩戴并提高设备的水下适应能力，可以在终端外壳上设置与游泳镜皮带卡接的卡扣和用于检测终端外壳气密性的气测孔，并在该气测孔上设置防止水进入壳体内部的堵头。
为进一步减小终端体积、重量和耗电量，FM信号接收模块25具体可以包括集成在PCB上的FM调谐器和FM接收天线，该FM接收天线可以为采用0.33mm直径的自粘漆包线绕制而成的线圈。终端射频收发模块26具体可以包括集成在同一PCB上的射频收发器和全向贴片天线。
另外，为方便运动员使用，还可以在终端外壳上设置开关按键21-1、音量按键22（包括音量减键、音量加键）、用于为终端电源充电以及下载程序的USB接口29和用于显示充电开始、完毕以及终端上下线状态的指示灯24，相应的，在终端壳体内部还设置有对应的开关机控制模块21-2和存储模块27。其中，运动员终端2在关机状态下，长按开关按键21-1预设时间（如25秒），待指示灯24亮时松开，此时如果指示灯24闪烁几下表示上线成功（即与无线中继装置连接成功），设备可以正常使用，并且在正常使用的情况下指示灯24每隔几秒钟闪烁一次，如果指示灯24一直处于常亮状态，则表示上线失败；运动员终端2在开机状态下，长按开关按键21-1预设时间（如25秒），待指示灯24闪烁几次，停止按键，此时指示灯24熄灭，代表下线成功及关机。关于音量调节，开机状态下，按下音量减键和音量加键可以分别为减小播放音量和增加播放音量。当通过USB接口29对终端进行充电时，充电电源接入USB接口29时，指示灯24显示为红色，待充电完成时，指示灯24变为绿色。
在另一实施例中，运动员体征数据可以包括心率和血氧指数，相应的，上述体征采集模块可以包括心率传感器和/或血氧仪。为避免水介质的干扰，提高所采集到的运动员体征的准确率，上述心率传感器和血氧仪可以选用接触式采集装置，相应的，耳机1采用整体密封的硬质壳体配合弹性支架一体化设计，将体征采集模块封装在耳机的传感器仓12内，利用游泳运动员佩戴后支架提供的夹力，既可以保证体征采集模块的传感器与皮肤的紧密贴合，又保证了不会影响运动员的正常游泳动作。参照图5~7，耳机1的一体化弹性支架具体包括2个U形支架11和连接2个U形支架的弧形弹性连杆14（具体实施时，一体化支架可以选用具有弹性的钢条或其他弹性材料，2个U形支架与弧形弹性连杆可以为一体成型结构），其中的传感器仓12设置在其中1个U形支架11与弧形弹性连杆14的连接处。为保证与皮肤接触的舒适性，还可以在弧形弹性连杆14和/或2个U形支架11上套装胶管15（可以根据需要选用硅胶管、橡胶管或硅橡胶管）。上述独特的支架结构，使得运动员动作过大也不会导致耳机脱落。
需要说明的是，图5~7所示的耳机设置有1个传感器仓12。在具体实施时，可以根据需要设置采集1种或多种不同体征的体征采集模块，当需要同时采集多种体征数据时，可以在上述设置1个传感器仓的情况下在该传感器仓中设置能够采集多种体征数据的体征采集模块，也可以在2个U形支架11与弧形弹性连杆14的连接处分别设置1个传感器仓12，并在每个传感器仓12中设置能够采集1种或多种体征数据的体征采集模块；如，对于设置2个传感器仓的情况，当需要同时采集血氧数据和心率数据时，可以在一个传感器仓内配置光电式心率传感器，另一个传感器仓内配置接触式血氧仪。
另外，为进一步方便运动员操作，保证耳机1与运动员终端2的拆装便易性，运动员终端2的外设接口28可以采用内径为3.5mm的4段插孔结构，相应的，耳机1的喇叭与外设接口28的连接导线和体征采集模块与外设接口28的连接导线可以合并为一条四芯导线，导线与外设接口连接的一端设置直径为3.5mm4段插头。为进一步提高防水性能，该插头与外设接口28可以采用螺纹紧配加防水垫圈的结构。
为进一步的降低运动员终端设备的功耗、方便运动员终端与无线中继装置之间组网，并提高数据传输的可靠性，FM信号发射单元与FM信号接收模块之间具体可以选用低功耗、频率覆盖各国调频波段、支持灵活的信道间隔模式、自动频率控制和自动增益控制、数字自适应噪声抑制、模拟和数字音量控制等特点的如下无线电频段：76MHz~108MHz。终端射频收发模块与中继射频收发单元之间通信的无线电频率具体可以选用位于亚GHz的无线公频433MHz。
为保证多对一（即多个运动员终端对一个无线中继装置）通信的稳定性，运动员终端的终端射频收发模块可以采用时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）传输模式，把时间分割成互不重叠的时段（帧），再将帧分割成互不重叠的时隙（信道）与相应用户建立一一对应关系，从而可以依据时隙区分来自不同地址的用户信号，完成多址连接，保证了所采集的信息在短时间内可靠有效的传递到教练员终端和云端服务器。
需要说明的是，上述系统实施例属于优选实施例，所涉及的单元和模块并不一定是本申请所必须的。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本申请所提供的一种游泳训练助教系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。