定向越野電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)

樊 麗

（榆林學(xué)院，陜西榆林，719000）

0 引言

在體育比賽里的許多定向越野計(jì)時(shí)項(xiàng)目（如自行車、山地車、馬拉松、等）中，由于不計(jì)其數(shù)的運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常是同時(shí)在越野，如果要精確記錄單個(gè)參賽者的名次和速度，難度是相當(dāng)大的，且準(zhǔn)確率低，而且需要極其巨大的數(shù)量裁判來輔助，造成了人力、財(cái)力、物力等方面的巨大浪費(fèi)。自動(dòng)電子設(shè)備雖然有很多種，已經(jīng)應(yīng)用到比賽中，但是，這些產(chǎn)品都不是很成熟，有這樣那樣的缺點(diǎn)，如果用在多段路段比賽中，這些設(shè)備的弱點(diǎn)就暴露無遺。國(guó)際重大賽事現(xiàn)在采取了RFID 技術(shù)，比如波士頓馬拉松比賽等，使用RFID 技術(shù)，可以節(jié)省大量人力、財(cái)力，另一方面，運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)，圈數(shù)等一目了然，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可靠性，公平性昭然若揭。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID 技術(shù)相結(jié)合，RFID 和WSN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，無線傳感器將記錄的數(shù)據(jù)傳給總臺(tái)統(tǒng)一處理，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了當(dāng)前的電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)的不足與弱點(diǎn)，填補(bǔ)了越野比賽中的計(jì)時(shí)空白。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 RFID 技術(shù)

是射頻識(shí)別技術(shù)的簡(jiǎn)稱，（Radio Frequency Identification）興起于上世紀(jì)90年代的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別的科學(xué)。無線射頻方式被采用，非接觸式進(jìn)行雙向通信，自動(dòng)識(shí)別計(jì)時(shí)并無線傳播數(shù)據(jù)，這項(xiàng)新發(fā)明被應(yīng)用在各項(xiàng)領(lǐng)域內(nèi)。非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的有點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)、精確度高、安全系數(shù)高等特點(diǎn)，電子購票、快遞系統(tǒng)、供應(yīng)系統(tǒng)中廣泛采用。

1.2 WSN 技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensors Network，以下簡(jiǎn)稱WSN）根據(jù)所處環(huán)境自動(dòng)生成，微小傳感器節(jié)點(diǎn)上有電腦芯片，密布在無人值班的區(qū)域，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,其特點(diǎn)有無人值守、全自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)性。目前，環(huán)境、軍事、家庭、商務(wù)、醫(yī)療、空間探索等諸多領(lǐng)域都已經(jīng)應(yīng)用了這種技術(shù)。

1.3 兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合

無線傳感器能量消耗大是個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由于無線傳感器應(yīng)用的特點(diǎn)，無線傳感器必須具備容量小、性價(jià)比高、使用壽命長(zhǎng)，這給無線設(shè)備提出了巨大的挑戰(zhàn)，RFID 技術(shù)解決了能量持續(xù)供給的問題。這種技術(shù)是從電磁場(chǎng)中獲得電能，電磁場(chǎng)由讀寫器的天線中產(chǎn)生，運(yùn)用自動(dòng)發(fā)電的原理。此外，不斷發(fā)展完善的RFID 成功產(chǎn)品也為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品提供了重要的借鑒。因此，RFID 技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩項(xiàng)技術(shù)巧妙結(jié)合，兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)都能同時(shí)發(fā)揮，獲得了巨大的成功。

1.3.1 RFID 傳感器標(biāo)簽

主要由一個(gè)微控制單元，感測(cè)單元，射頻單元，通信單元，所述定位單元和電源單元，傳感器的RFID 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的微控制單元負(fù)責(zé)的任務(wù)的分配和調(diào)度RFID 傳感器標(biāo)簽整個(gè)芯片，完成后的數(shù)據(jù)的分析，存儲(chǔ)和forwardingwireless 數(shù)據(jù)驗(yàn)證和維護(hù)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的路由，RF 單元控制接收和發(fā)送射頻信號(hào)，并使用空分復(fù)用，時(shí)分復(fù)用，頻分復(fù)用和代碼分多址接入方法，achievetarget 識(shí)別和系統(tǒng)防沖突機(jī)制，通信和定位裝置，用于解決無線通信運(yùn)營(yíng)商的頻帶，數(shù)據(jù)傳輸速率，信號(hào)的調(diào)制，編碼等的選擇，并且在發(fā)送和接收經(jīng)由天線之間的芯片和讀寫器的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合，請(qǐng)求仲裁和路由選擇功能，所述定位單元的定位，以實(shí)現(xiàn)芯片位置的定位和方向的信息傳輸?shù)臒o線傳輸協(xié)議，如基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 協(xié)議等;電源單元的引腳，持續(xù)regularstable 的能源供應(yīng)得到合理的集芯片發(fā)送和待機(jī)能源消耗消耗和傳輸?shù)目煽啃詥栴}是可以解決的，有效延長(zhǎng)的使用壽命芯片。

1.3.2 基于RFID 協(xié)議構(gòu)建WSN

網(wǎng)絡(luò)需要考慮以下幾個(gè)問題：建立網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功耗，網(wǎng)絡(luò)成本問題，流動(dòng)性管理。有沒有專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，RFID 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個(gè)研究方向。代表RFID 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)EPC，ISO，UID 等，制定一個(gè)統(tǒng)一的全球覆蓋頻段的RFID 標(biāo)準(zhǔn)也正在進(jìn)行中。根據(jù)標(biāo)簽的新一代的RFID 標(biāo)準(zhǔn)，將有更多的存儲(chǔ)空間，成本更低，更靈活，更安全的通信機(jī)制，因此建立一個(gè)基于RFID 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是完全可行的，它具有以下特點(diǎn)：基于RFID的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)閱讀器為中心的網(wǎng)絡(luò)：讀寫器是無線傳感器能量提供者，在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息樞紐，從根本上解決了無線傳感器能量供應(yīng)的問題，其中大多數(shù)的信息處理和網(wǎng)絡(luò)管理功能集中在閱讀器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而使傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。RFID 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低成本的網(wǎng)絡(luò)：無線傳感器的設(shè)計(jì)基于RFID 芯片技術(shù)在未來可能會(huì)降低到幾毛錢的幅度的順序?；赗FID 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)相對(duì)安全的網(wǎng)絡(luò)：RFID 協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的措施，包括傳感器和讀卡器通信網(wǎng)絡(luò)和信息安全和隱私控制機(jī)制的關(guān)鍵。基于RFID 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多種附加功能：如RFID 定位技術(shù)是一個(gè)具有重要意義的關(guān)鍵技術(shù)，另一個(gè)例子是，RFID 防碰撞技術(shù)，可同時(shí)讀取多個(gè)無線傳感器。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

RFID 已經(jīng)初步應(yīng)用的計(jì)時(shí)碼表機(jī)芯，取得了良好的效果，但也有很多不足點(diǎn)，如信息節(jié)點(diǎn)的可靠性，自動(dòng)匯集問題。因此，對(duì)于長(zhǎng)距離計(jì)時(shí)錦標(biāo)賽建立一個(gè)更全面的RFID 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的意義，該系統(tǒng)具有更低的成本，實(shí)用性強(qiáng)。

2.1 硬件環(huán)境

2.1.1 RFID 傳感器節(jié)點(diǎn)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括：主控制器，RF 收發(fā)器，RF 天線，RFID 讀寫器，RFID 天線，電池，和各種連接器和終端的RFID 傳感器標(biāo)簽（標(biāo)簽）。工作流節(jié)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)員部署RFID 傳感器標(biāo)簽（TAG）傳感器節(jié)點(diǎn)通過RFID 天線發(fā)出查詢信號(hào)的標(biāo)簽，標(biāo)簽激活電磁波，驅(qū)動(dòng)天線的RFID 天線以應(yīng)對(duì)自己的信息，信息是RFID 閱讀器來讀出并處理發(fā)送到主控制器通過RS-232 串行接口，則達(dá)到了RF收發(fā)器通過SPI 接口，由RF 天線到其他節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過多跳（multi-hop），和最終的信息的控制和處理中心，從而在所需的目標(biāo)信息。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖WSN 結(jié)構(gòu)通過RFID 傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)，Internet 網(wǎng)絡(luò)（或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)），遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。每個(gè)RFID 傳感器節(jié)點(diǎn)通過獨(dú)立的，匯集到網(wǎng)關(guān)的信息，然后傳送到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過Internet 網(wǎng)絡(luò)（或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)）。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還可以發(fā)送遠(yuǎn)程命令,通過RFID 傳感器節(jié)點(diǎn)，一些RFID 傳感器標(biāo)簽讀寫操作，完成指定的功能。

2.2 軟件環(huán)境

整個(gè)系統(tǒng)主要包括四個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)員登記子系統(tǒng)，在線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)性能的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集 子系統(tǒng)所說的RFID 傳感器節(jié)點(diǎn)，其余三個(gè)子系統(tǒng)軟件環(huán)境。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)員登記子系統(tǒng)

該系統(tǒng)完成運(yùn)動(dòng)的登記注冊(cè)，建立后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，具體完成功能有：具有輸入、修改、查詢等功能；具有打印各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表的功能；具有資料備份的功能。

2.2.2 在線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)每過一定時(shí)間向數(shù)據(jù)子系統(tǒng)發(fā)送一次參數(shù)采集指令，并等待數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳送相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集單元通過接口讀到從射頻控制器傳來的RFID 傳感器標(biāo)簽編碼信息，再根據(jù)此信息從數(shù)據(jù)庫中查出該運(yùn)動(dòng)員的資料，并自動(dòng)記錄到達(dá)時(shí)間（或分段時(shí)間）。該子系統(tǒng)具有錯(cuò)誤自動(dòng)診斷和排除功能。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要針對(duì)匯集上來的各種數(shù)據(jù)，包括RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)、sensor 數(shù)據(jù)等，集中進(jìn)行分析，可以綜合評(píng)判一個(gè)運(yùn)動(dòng)員在環(huán)境因素、身體因素下得到什么樣的成績(jī)。

2.2.4 成績(jī)實(shí)時(shí)發(fā)布子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)處理后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的運(yùn)動(dòng)員成績(jī)和排名，并通過顯示設(shè)備顯示出來，同時(shí)可以實(shí)時(shí)打印運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)報(bào)表以及成績(jī)公告報(bào)表等。

3 總結(jié)

本文討論了RFID 和WSN 技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合這兩種技術(shù)，建立一個(gè)基于RFID 的傳感器網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)使用。具體的系統(tǒng)架構(gòu)，從硬件到軟件的全面分析，分析其可行性。進(jìn)一步解決防碰撞的問題，相應(yīng)速度快的系統(tǒng)，以適應(yīng)游戲標(biāo)簽，閱讀器，天線和其他問題，并輔以由軟件控制和管理，該系統(tǒng)可以同樣適用于正式的長(zhǎng)距離比賽。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)，可以更廣泛地使用。

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