基于紅外通信技術(shù)的田徑運動自動計數(shù)計時系統(tǒng)設(shè)計

【摘 要】針對田徑運動中、長跑賽事中采用人工計數(shù)計時存在工作強(qiáng)度大、人為失誤較嚴(yán)重，以及使用基于射頻識別技術(shù)的自動計數(shù)計時系統(tǒng)因磁場耦合因素容易出現(xiàn)識別錯誤而導(dǎo)致計時誤差的不足，本文利用紅外通信具有方向性強(qiáng)的特性，設(shè)計實現(xiàn)了新型田徑運動自動計數(shù)計時系統(tǒng)。經(jīng)測試，本系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了運動員身份識別和精確計數(shù)計時功能。

【關(guān)鍵詞】田徑運動 紅外通信 身份識別 計數(shù)計時

一、引言

目前，在國內(nèi)外各種體育運動或賽事中，田徑中長跑項目由于運動員人數(shù)多，計數(shù)計時存在很大困難。采用人工計數(shù)計時需要裁判員多且容易出現(xiàn)人為誤差，而使用高速電子攝像機(jī)雖然解決了人為誤判，但還未能實現(xiàn)運動員身份的自動識別確認(rèn)和自動計數(shù)計時功能。曾有學(xué)者利用射頻識別技術(shù)設(shè)計了自動計圈計時系統(tǒng)[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)運動員的身份識別和自動計數(shù)計時功能，但由于射頻識別技術(shù)是基于電磁波通信，射頻識別受磁場耦合因素影響，磁場邊界無法進(jìn)行界定控制，在多位運動員并排時很難精確判斷先后次序，數(shù)據(jù)可靠性難以得到保證。

本文利用紅外通信具有嚴(yán)格的方向性這個特點，通過軟硬件設(shè)計實現(xiàn)了適合中長距離田徑運動的自動計數(shù)計時系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以完成田徑中長跑賽事或訓(xùn)練活動時運動員的身份識別和自動計數(shù)計時工作，減輕勞動強(qiáng)度，降低人為因素，提高賽事或訓(xùn)練效率，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性，從而保證田徑訓(xùn)練和賽事的質(zhì)量和公平。

二、系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)運動員身份自動識別、圈數(shù)統(tǒng)計和計時功能，軟硬件實現(xiàn)較為容易。系統(tǒng)由標(biāo)識器、感應(yīng)器和計算機(jī)三部分組成，標(biāo)識器是一塊微電路系統(tǒng)，以粘貼的方式置于運動員肩膀上，每個標(biāo)識器以相同的通信波特率通過紅外發(fā)光二極管發(fā)射不同編號的編碼信號。感應(yīng)器由紅外接收頭陣列和單片機(jī)組成的電路系統(tǒng)，架設(shè)于運動場跑道起點或終點處上方位置，與跑道起點或終點線平行。當(dāng)運動員經(jīng)過跑道起點和終點線時，其肩上的標(biāo)識器發(fā)射的紅外編碼信號被感應(yīng)器識別接收，感應(yīng)器經(jīng)解碼后發(fā)送至計算機(jī)，計算機(jī)通過上位機(jī)軟件對各信號進(jìn)行處理，記錄統(tǒng)計運動員所得圈數(shù)和所需時間。系統(tǒng)原理如圖1所示。

三、硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要硬件是標(biāo)識器和感應(yīng)器，二者的核心部件采用的都是小型低功耗、具有EEPROM功能的STC11LxxE系列單片機(jī)，STC11LxxE系列單片機(jī)是宏晶科技設(shè)計的單時鐘/機(jī)器周期（1t）的單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度卻快8-12倍。其內(nèi)部集成了高可靠的復(fù)位電路，適用于高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾場合等領(lǐng)域。該系列單片機(jī)的定時器0、定時器1、串行口與傳統(tǒng)的8051兼容，并增加了獨立波特率發(fā)生器，省去了定時器2，指令執(zhí)行速度全面提速，工作電壓僅為2.4V-3.6V[2]。

標(biāo)識器僅用于實現(xiàn)運動員編號編碼紅外信號發(fā)射功能，置于運動員肩上，要求做到輕、巧、小，電路盡可能微型化，只能采用微型紐扣電池供電，程序代碼也相對少，程序存儲空間不是很大。所以，標(biāo)識器電路核心部件采用的是引腳數(shù)為14的STC11L04E單片機(jī)，其外圍電路也很簡單，由晶振電路和紅外發(fā)光管電路組成。標(biāo)識器電路如圖2 所示。

感應(yīng)器主要是對標(biāo)識器信號進(jìn)行檢測識別，由于檢測目標(biāo)多，紅外信號檢測需要多個紅外接收頭形成陣列，以防止檢測盲區(qū)。本系統(tǒng)采用的是兩個紅外接收頭，型號為HX1838，其具有寬電壓適應(yīng)、低功耗、高靈敏度、抗干擾等特點[3]。由于感應(yīng)器程序較為復(fù)雜，需要16K的FLASH存儲空間。所以，感應(yīng)器采用的是STC11L16XE單片機(jī)作為核心部件。感應(yīng)器串口通過TTL轉(zhuǎn)換電路與計算機(jī)進(jìn)行通信。感應(yīng)器電路如圖3所示。

四、軟件設(shè)計

軟件部分與相應(yīng)的硬件對應(yīng)，包括標(biāo)識器程序、感應(yīng)器程序和上位機(jī)軟件。標(biāo)識器程序相對簡單，主要由定時器程序和編碼程序組成，不同的標(biāo)識器程序賦不同的數(shù)碼值，用于區(qū)分運動員身份，所有標(biāo)識器以相同的頻率（微秒級）輸出脈沖編碼信號控制紅外發(fā)光管發(fā)射一定頻率的紅外光波。感應(yīng)器程序相對復(fù)雜一些，其程序是基于RTX-51Tiny實時多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計[4]，程序包括三個主要子程序模塊，分別是數(shù)據(jù)讀取程序、解碼程序和串口發(fā)送程序，在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的快速輪流調(diào)動下交替運行，實時完成數(shù)據(jù)讀取、解碼和串口通信任務(wù)。上位機(jī)軟件是基于VC++6.0開發(fā)的可視化界面程序，軟件核心包括串口程序[5]、數(shù)據(jù)庫程序[6]及數(shù)據(jù)運算程序，串口程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收功能，數(shù)據(jù)庫程序則實現(xiàn)運動員信息錄入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、記錄數(shù)據(jù)接收時間并顯示等功能。每收到一次感應(yīng)器傳來的數(shù)據(jù)，則記錄接收數(shù)據(jù)的時間和統(tǒng)計次數(shù)，通過各數(shù)據(jù)算出運動員所得圈數(shù)和所需時間（由于數(shù)據(jù)檢測和傳送時間極短，只要上位機(jī)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的時間就可測算出運動員過線時間）。五、系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)安排兩人模擬運動員，測試3000米長跑，運動場周長為500米，設(shè)置圈數(shù)為6，同時與人工裁判組進(jìn)行對比測試。當(dāng)測試運動員跑完后，上位機(jī)軟件記錄的數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)與人工組進(jìn)行了對比測試，人工組同一位運動員安排了三位裁判進(jìn)行記錄。通過測試，系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了預(yù)期功能，系統(tǒng)數(shù)據(jù)與人工組數(shù)據(jù)對比，人工組各裁判員的數(shù)據(jù)有很大偏差，偏大于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這說明了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔沂峰.射頻識別技術(shù)在運動計圈計時中的應(yīng)用研究[D].山東理工大學(xué)，2007.4.

[2]STC11XX系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊[DB/OL]. http：//www.stcmcu.com/.

[3]陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]陳濤.單片機(jī)應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]李長林，高潔.VisualC++串口通信技術(shù)與典型應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[6]Rob Hawthorne.SQL Server2000數(shù)據(jù)庫開發(fā)從零開始[M].北京：人民郵電出版社，2001.

作者簡介：吳志海（1983-），男，碩士，研究方向為智能感知系統(tǒng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。