游泳不僅是深具歷史及魅力的運動，也是現今運動競賽裡不可或缺的專項運動之一。而在競賽訓練中可能會面臨到一些問題，像是需要大量工作人員管理場中秩序、確認比賽的裁判公平性，或是關注運動員的生理狀況，避免憾事發生等不可預期的情況。
炎炎夏日中，游泳是備受人們喜愛的運動項目之一。不僅能強健體魄增強心肺功能，也可以排解壓力、提高自信心，對身心有諸多益處。現今，游泳也成為許多競賽的項目之一。然而在多人賽事中，由於水下競賽肢體部分受到遮蔽，導致評審觀察困難、無法判別運動員身份。也可能遇到無法準確分辨競賽過程的名次順序、無法即時判斷運動員身體狀況等挑戰。因此，本文筆者開發了一套供游泳檢測之穿戴式計時比賽系統，以提升游泳競賽的安全性與賽事監控功能。
透過此系統的開發與設計，讓運動員在競賽過程中，可以計算時間、定時量測心率血氧等生理數據。同時，也可透過設置於泳池四個角落的接收站判斷與穿戴式裝置的距離，並將測量數據回傳至伺服器中。最後，透過伺服器的數據來分析整理選手的游泳時間或來回次數與圈數，並呈現於網頁中，以供訓練人員查閱或瞭解。本系統不僅提升競賽的安全性，還提供更為全面的數據分析，讓游泳的運動數據更具視覺化，科學化與數據化。
來自水下競賽的挑戰與契機
游泳不僅是深具歷史及魅力的運動，也是現今運動競賽裡不可或缺的專項運動之一。而在競賽訓練中可能會面臨到一些問題，像是需要大量工作人員管理場中秩序、確認比賽的裁判公平性，或是關注運動員的生理狀況，避免憾事發生等不可預期的情況。而這些因素大都會影響到競賽的進行，或是導致競賽公平性備受質疑，因此就會需要大量的人力資源。有鑑於此，一套可供游泳檢測之穿戴式計時比賽系統就有其被開發的急迫性。
不論任何體育競賽或訓練管理中，主辦單位都會面臨一個嚴峻的挑戰，就是往往需要大量工作人員來記錄過程賽事的成績與分數。這不僅導致人力資源的浪費，還增加了工作流程中的錯誤風險。而數據管理和分析常常不夠即時，不只影響工作人員的決策效率，也無法即時監測運動員的生理狀態，增加了運動傷害的風險。因此，如何透過運動科技的相關技術來解決所面臨的賽事管理與分析，就成為目前IT技術落地到相關運動領域的重要的課題。筆者將運用LoRa協定與模組來實現感測數據的資料傳輸，並透過LoRa模組的訊號強度來偵測模組端點之前的距離[1-3]。
為了解決上述的問題，筆者打造了一個能夠自動化競賽管理的游泳檢測之穿戴式計時比賽系統。主要的研究目的是減少人力資源的浪費，並提升比賽過程的競賽效率與公平性。同時，本系統也能提高比賽結果的透明度，讓成績能即時公開，增加比賽的觀賞的娛樂性。此外，本系統使運動員的生理狀態可視化，利用可視化的折線圖呈現監測到的數據，並即時追蹤運動員的生理情況，進而避免運動員發生不可預期的缺憾。
系統設計目的與工作原理
本系統的研究目的為：自動化競賽管理、提升比賽結果透明度、多端同步資料顯示，以及可視化生理資訊顯示。以下分別介紹本系統的相關工作原理。
關鍵模組與核心功能
本系統整體分為三大部分，第一與第二部分都使用了Holtek公司的HT32F52352，分別作為接收站與穿戴式裝置。接收站透過UART協定，與ESP12S、RYLR896做溝通，將來自穿戴式裝置的資料轉傳給伺服器進行處理。而穿戴式裝置則使用了SPI、I2C與UART等多樣協定，將GC9A01、MAX30102與RYLR896等多個周邊元件連接，並將測量到的心率血氧以及RTC運算的時間值，透過HT32F52352進行整合處理後，傳送給接收站，最後在螢幕上顯示心率、血氧和時間。第三部分則為網頁伺服器設計，其負責提供主要的資料存取與管理功能。
資料傳輸與測距機制
圖1為本系統採用的LoRa模組RYLR896模組[4]，該模組具有無線通訊、遠距離傳輸、低功耗、工作頻率範圍廣、抗干擾能力佳與AT指令控制等特色，並可透過UART協定與HT32F52352進行溝通。此模組為穿戴式裝置與接收站之間重要的傳輸模組。因傳輸距離遠之特性，可適用於不同種類的泳池或水域，且可透過此模組之間的訊號強度推測大約距離，判斷運動員是否已通過指定路線。
圖1 RYLR896模組實體圖[4]
ESP-12S是基於ESP8266WiFi開發的無線網路模組[5]，該模組內建2.4GHz WiFi模組，並具有豐富的I/O介面、多元的開發系統以及低功耗的特性，可透過UART協定與HT32F52352進行溝通。此模組是負責接收站與伺服器之間重要的通訊模組，由於尺寸小巧，可使本系統的接收站體積極小化，有方便攜帶與可移動性的優點。
圖2 ESP-12S模組實體圖[5]
生理訊號偵測
MAX30102模組可透過I2C協定與HT32F52352進行溝通[6]，並利用LED紅外光的反射偵測心跳波形，再根據波形頻率來計算心率。本系統為了減少檢測時出現的壓力而導致的不適感，例如：心電圖感測提取、壓力感測器測量時的雜波動等。因此，使用LED紅光、紅外光及光學感測器等非侵入性的測量方式，以測得血氧飽和度和心率等生理參數。
圖3 MAX30102模組實體圖[6]
數據顯示介面
圖4為本系統採用的IPS圓形LCD觸控螢幕實體圖[7]，該模組為電容感應式的觸控螢幕模組，具有反應快、使用壽命長等優點。此模組為1.28吋IPS圓形LCD觸控螢幕擴展板，解析度為240×240。由於IPS技術擁有較寬的視角與良好的對比度，因此在不同角度下都有著穩定的顯示效果，亦可透過SPI協定與HT32F52352進行溝通。本系統將其應用於穿戴式裝置上，可顯示心率、血氧及時間，供運動員隨時查看。
圖4 IPS圓形LCD觸控螢幕實體圖[7]
能源管理與裝置可攜性
TP4056 FC-75模組是專為單節鋰電池充電設計的模組[8]，並使用TP4056充電管理IC，具有恆流-恆壓兩段式充電、可調式充電電流以及供電方式靈活等特性，適用於行動電源及手持裝置等電子產品。本系統將其應用在穿戴式裝置上，並透過5V直流電充電。充電時，紅色LED燈會亮起；充電完成後，紅色LED燈熄滅，藍色LED燈亮起，是一個尺寸小巧、經濟且高效率的充電方案。
圖5 TP4056 FC-75模組實體圖[8]
圖6、圖7是本系統採用的鋰離子聚合物電池之實體圖，本系統使用的鋰離子聚合物電池，其電壓為3.7V，分別使用501430和503450尺寸做為穿戴式裝置及接收站的供電電源，尺寸小巧，不會占據過多空間，也不會造成穿戴上的負擔。
圖6 501430電池模組實體圖[9]
圖7 503450電池模組實體圖[10]
Node.js執行環境與XAMPP軟體
本系統採用的執行環境為Node.js，是一個基於Chrome V8 JavaScript引擎的開源運行環境，並支援使用JavaScript在伺服器端進行開發。由於其採用非同步、事件驅動的架構，適用於開發高效能、可擴展的應用程式，並且支援多種框架，如Express.js、Koa、Meteor等。本系統利用Node.js及Express框架開發使用者介面，能供主辦方、評審、運動員和觀眾管理及查看。
圖8 Node.js示意圖
圖9是本系統採用的免費與開源跨平台軟體包，其中包含有Apache網頁伺服器、MySQL資料庫、PHP和Perl等軟體，適合開發者於本地進行Web開發，並提供一個完整的伺服器環境來運行動態網站或Web應用。此外，該軟體包也包含多種工具，如管理MySQL資料庫的phpMyAdmin軟體。本系統採用了XAMPP之中的Apache網頁伺服器和MySQL資料庫，輔助架設網站。
圖9 XAMPP示意圖
韌體流程與硬體架構
圖10為本系統的整體架構圖，其中包含穿戴式裝置與接收站等兩個硬體裝置。以下說明本系統結構的相關設計方式。
圖10 專題作品整體架構圖
圖11所示為穿戴式裝置端之韌體流程圖，當穿戴式裝置啟動後，會開始收集心律與血氧數據，並將結果顯示在螢幕上。如果接收到藉由接收站轉傳的開始訊號，裝置則透過LoRa模組將測量數據傳送至接收站，且會持續傳輸，直到接收到停止訊號為止。在此期間，螢幕會不斷更新顯示最新的數據。
圖11 穿戴式裝置端之韌體流程圖
圖12為接收站端之韌體流程圖。當裝置啟動後，依序判斷接收到的資料類型，包括開始訊號、使用者資料或結束訊號。若WiFi傳輸模組接收到開始訊號，且判斷編號為A(圖18所示的游泳池角落的接收站編號)，則透過LoRa傳輸模組發送開始訊號至穿戴式裝置。之後，LoRa傳輸模組接收來自穿戴式裝置的使用者資料。若有則透過WiFi傳回網站伺服器。最後，若收到結束訊號，則由LoRa傳輸模組發送結束訊號至穿戴式裝置，再開始下一輪的接收判斷。
圖12 接收站端之韌體流程圖
圖13為穿戴式裝置硬體架構圖，其包含穿戴式裝置之HT32F52352元件與周邊模組的連結關係圖。其中，穿戴式裝置側邊設有滑動開關用於喚醒螢幕，並透過GPIO加以控制。運用UART協定來連接LoRa模組，並接收訊號及發送使用者資料到接收站。使用者資料包含有心率、血氧、計時時間以及穿戴式裝置與接收站之間的訊號強度值。此外，透過I2C協定與心率感測器溝通，測得心率血氧值後，心率血氧值與目前的時間會透過SPI協定傳送到螢幕上顯示，鋰電池與充電模組則為穿戴式裝置提供電力來源。
圖13 穿戴式裝置硬體架構圖
圖14為接收站硬體架構圖。其中包含接收站之HT32F52352核心元件與周邊模組連結關係圖。接收站裝置使用LoRa模組，作為接收使用者訊息的傳輸方法，並以UART協定，傳輸給開發板，接著透過UART協定送給ESP-12S WiFi模組，ESP-12S WiFi再以TCP/IP協定傳輸到伺服器，將經過處理的資訊顯示在網頁上。
圖14 接收站硬體架構圖
圖15與16則分別是本系統的接收站及穿戴式裝置實體圖，筆者運用3D列印技術設計大小合適的穿戴式裝置，讓使用者在訓練或競賽時也能照常發揮。同時，考量到各個使用者體態的不同，故使用魔鬼氈來調節長度，也使心率感測模組能更貼近皮膚。
圖15 接收站實體圖
圖16 穿戴式裝置實體圖
系統實測與應用場景
本系統使用LoRa模組作為穿戴式裝置與接收站之間的溝通方式，且穿戴式裝置將數據傳輸到接收站時，能一併取得訊號強度。透過訊號強度，可判斷使用者是否依比賽規劃之路線進行比賽。這種設計方式，除了可傳輸使用者資料，同時也能把接收站當作檢查點使用。
圖17為本系統測試的LoRa距離-訊號強度關係圖。其中，X軸為距離單位公尺，Y軸為訊號強度單位dBm。當發送端發送資料時，訊號強度值越高，表示發送端距離接收站越近。反之，表示訊號強度值越低，表示發送端距離接收站越遠。
圖17 LoRa距離-訊號強度關係圖
圖18為本作品測試情境圖，首先，將接收站放置於四個角落，並將其編號為A、B、C、D，以及讓運動員穿戴好裝置。此時，由裁判方控制網頁，設定目標圈數按下開始時，運動員將按照指定站點，繞至相對應的圈數。
圖18 系統測試情境圖
圖19為操作網頁畫面。此為設定頁面需在賽前登記運動員訊息。圖20所示為設定賽事頁面與顯示當前比賽圈數、心率及時間頁面。一開始，使用者可選擇場次與輸入圈數，按下「比賽開始」後，如再按下更新資料按鈕，會開始顯示當前的比賽圈數、心率及時間斗資訊。按下存入按鈕後，即可記錄本場賽事資料。
圖19 系統操作網頁-設定頁面圖
圖20 設定賽事頁面
圖21則是選手健康狀態頁面，在選擇對應運動員穿戴式裝置編號時，可個別顯示此運動員的生理狀況，包括可達最大心率、目前運動強度與心率血氧折線圖等。圖22則為歷史數據頁面，會顯示記錄過的賽事資訊。
圖21 選手健康狀態頁面
圖22 歷史數據頁面
本文筆者所開發之游泳檢測之穿戴式計時比賽系統，成功結合了生理數據監測與即時定位技術，能有效提升游泳競賽的安全管理與資訊透明度。透過心率與血氧濃度的即時量測、比賽時間與圈數統計，以及資料上傳至伺服器後的視覺化呈現，使訓練人員與賽事工作人員得以即時掌握選手狀況、確保選手健康，同時還能進行賽後分析與訓練調整。
此系統的導入不僅有助於提升競賽公平性與判斷準確性，也促進運動科技的應用與發展。未來若能進一步整合AI辨識與無線通訊優化技術，將更能拓展於訓練監控、選手選拔與運動醫學等領域之應用範躊。
參考資料
[1] 柯凱翔 (2017,February) 〈以LoRa為基礎之無線網狀網路通訊模組的設計與分析〉。 https://hdl.handle.net/11296/r7xxcq
[2] Macnman (2023, November 21) “How Do I Send Data between Many LoRa Nodes to the LoRa Receiver to Avoid Data Collisions?” Medium. https://medium.com/@digital.macnman/how-do-i-send-data-between-many-lora-nodes-to-the-lora-receiver-to-avoid-data-collisions-ede7194be6c8
[3] Ferre, G (2017, October 26) “Collision and Packet Loss Analysis in a LoRaWAN Network.” IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/8081678
[4] RYLR896，https://www.digikey.hk/
[5] ESP-12S，https://www.mouser.tw/
[6] MAX30102感測器模組，https://www.icshop.com.tw
[7] 1.28吋IPS圓形LCD觸控螢幕擴展板240×240，https://www.icshop.com.tw
[8] TP4056鋰電池充電與保護一體板，https://shopee.tw/
[9] 3.7V 051430P 501430 with protection board, https://www.aliexpress.com/
[10] 3.7V聚合物鋰電池503450，https://shopee.tw/