入籃藤球競賽信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與組網(wǎng)設(shè)計?

馬 堃，牟 艷，金 超，陸 輝

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

·微機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信·

入籃藤球競賽信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與組網(wǎng)設(shè)計?

馬 堃，牟 艷，金 超，陸 輝

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

根據(jù)入籃藤球競賽信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，對數(shù)據(jù)交換機(jī)制和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了組網(wǎng)模式、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)交換格式等設(shè)計方法。開發(fā)出的系統(tǒng)已成功實(shí)施于“第27屆緬甸東南亞運(yùn)動會入籃藤球競賽項(xiàng)目”，完成了比賽中成績采集、處理和顯示工作。

競賽信息系統(tǒng)；入籃藤球；數(shù)據(jù)交換；組網(wǎng)

1 引 言

入籃藤球運(yùn)動盛行于東南亞地區(qū)，比賽分多個場地同時進(jìn)行，要求各參賽隊(duì)的每名運(yùn)動員使用規(guī)定動作把球踢入藤籃，分別統(tǒng)計參賽隊(duì)總分。比賽中對競賽信息系統(tǒng)的要求是按照比賽規(guī)則，實(shí)現(xiàn)比賽成績的實(shí)時采集、處理和發(fā)布。先前使用的是一種基于單片機(jī)的簡單系統(tǒng)，只具備單一場地的成績采集和顯示功能，不具備成績存儲、處理和發(fā)布機(jī)制，并且存在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)陳舊、布置不合理、現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)交換困難等問題，影響了競賽信息的實(shí)時采集、及時處理和高效顯示。針對這些問題，在開發(fā)“第27屆東南亞運(yùn)動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統(tǒng)”的過程中，筆者重點(diǎn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換機(jī)制和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用在入籃藤球競賽信息系統(tǒng)的總體框架、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及通信方式等設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了入籃藤球競賽信息系統(tǒng)在一個穩(wěn)定、高效、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中工作，并在該次賽會中成功應(yīng)用。

2 系統(tǒng)概述與數(shù)據(jù)需求

2.1 系統(tǒng)概述

入籃藤球競賽信息系統(tǒng)是直接服務(wù)于裁判和觀眾的一套計算機(jī)系統(tǒng)，賽時與裁判配合并按照競賽日程服務(wù)賽事的運(yùn)行，直到賽事結(jié)束［1］。在賽事準(zhǔn)備階段，競賽信息系統(tǒng)需要錄入?yún)①惔韴F(tuán)和運(yùn)動員信息，同時按照競賽日程編排比賽并打印賽事信息報表，并將由裁判長確認(rèn)后的賽事信息發(fā)布給觀眾和媒體。在賽事運(yùn)行時，系統(tǒng)需要分別采集每個場地運(yùn)動員的每個動作的得分，同時通過場館內(nèi)的場地記分牌、現(xiàn)場大屏幕、官方網(wǎng)站和電視字幕等展現(xiàn)給觀眾。每一階段的比賽結(jié)束后，系統(tǒng)需要根據(jù)各代表隊(duì)總分生成晉級名單和成績公告等賽事信息，并經(jīng)裁判長確認(rèn)后發(fā)布。在全部比賽結(jié)束后，系統(tǒng)應(yīng)生成比賽的名次公告和獎牌榜，并經(jīng)確認(rèn)后發(fā)布供外界查看。

2.2 系統(tǒng)組成

入籃藤球競賽信息系統(tǒng)分為三個部分，如圖1所示。

圖1 入籃藤球競賽信息系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集：完成比賽成績數(shù)據(jù)的采集，是整個競賽信息系統(tǒng)與入籃藤球比賽銜接最緊密的部分，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭。入籃藤球比賽通常為多場地共同比賽，每個場地設(shè)有一個由裁判操控的打分端，全場設(shè)置一個統(tǒng)一的打分監(jiān)控端。賽前打分監(jiān)控端接收由成績處理系統(tǒng)發(fā)來的比賽信息數(shù)據(jù)（如比賽階段、代表團(tuán)名稱、運(yùn)動員名稱、場地號等），并按照場地號將比賽分配至各場地的打分端。賽時打分監(jiān)控端監(jiān)控各個打分端的工作狀態(tài)，接收由打分端發(fā)來的成績信息，并將其發(fā)送給成績處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

（2）成績處理：是整個競賽信息系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的競賽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、接收從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)來的成績信息并進(jìn)行處理，同時可發(fā)布給場館外部的外圍競賽信息系統(tǒng)，如負(fù)責(zé)監(jiān)管全部競賽項(xiàng)目的中央成績處理系統(tǒng)、電視字幕系統(tǒng)等。

（3）現(xiàn)場顯示：由兩部分組成，分別是現(xiàn)場大屏幕和各場地的液晶顯示屏（Plasma Display Panel，PDP）。其中現(xiàn)場大屏幕顯示的內(nèi)容為所有場地實(shí)時成績的綜合一覽，而PDP的顯示內(nèi)容為其所在場地的實(shí)時比賽成績。現(xiàn)場大屏幕由播放控制終端控制播放終端來展示播放的內(nèi)容。PDP由各場地的打分端直接控制其顯示。

2.3 數(shù)據(jù)交換要求

入籃藤球競賽信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換即場館內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，此系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)來源有多種，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源，其傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容和其傳輸對網(wǎng)絡(luò)的要求也不同［2］，詳見表1。

表1 入籃藤球競賽信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求表

3 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

3.1 組網(wǎng)模式

數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸與交換是競賽信息系統(tǒng)能成功運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，而要保證信息在各方之間能夠穩(wěn)定可靠的傳輸，就必須設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)信息在一個安全可靠的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸和交換。這里考慮了兩種設(shè)計，一是基于有線網(wǎng)的方案，如圖2所示，系統(tǒng)使用傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，分配至各個場地的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的打分端將采集到的成績數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的打分監(jiān)控端，并存入本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時將成績通過VGA連接線直接連接至場地內(nèi)的PDP完成此場的成績顯示。播放控制終端通過現(xiàn)場以太網(wǎng)控制播放終端將成績顯示在現(xiàn)場大屏幕上。成績處理系統(tǒng)讀取本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的成績數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過賽會競賽專網(wǎng)上傳至場外的負(fù)責(zé)存儲所有比賽信息的數(shù)據(jù)中心，外圍其他系統(tǒng)如官方網(wǎng)站等可通過此競賽專網(wǎng)讀取本項(xiàng)目的競賽數(shù)據(jù)。

另一種設(shè)計基于無線網(wǎng)方案。當(dāng)場館面積較大、場地使用相對較多時，系統(tǒng)所需的大量網(wǎng)線會破壞競賽場地的整體布局，使用的網(wǎng)槽也會給場地工作人員的行走帶來麻煩，同時網(wǎng)絡(luò)布線工作量很大。針對這種情況，系統(tǒng)可使用有線以太網(wǎng)加無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）來布置入籃藤球競賽信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。系統(tǒng)中的設(shè)備通過無線AP接入現(xiàn)場以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的打分端使用基于Android系統(tǒng)的平板電腦，PDP控制終端硬件方面采用與打分端一樣的硬件平臺，不同的是PDP控制端舍棄了平板電腦的觸摸屏，通過HDMI高清接口與PDP相接。打分端每次向本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和打分監(jiān)控端提交成績消息時會向PDP控制終端發(fā)送消息通知，PDP控制終端接收到消息后，對消息進(jìn)行解析，得到消息類型及其內(nèi)容，再調(diào)用相應(yīng)（事先編寫好）的模板顯示到PDP上，系統(tǒng)其他部分的工作模式與有線網(wǎng)相同，在此不再贅述。

圖2 有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，使用基于有線網(wǎng)的方式安全可靠，傳輸效率較高，網(wǎng)線數(shù)量使用多，成本相比無線網(wǎng)較高，適用于場地數(shù)較少的情況?；跓o線網(wǎng)的方案具有設(shè)備可移動性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)易部署等特點(diǎn)，但存在信號易受干擾等問題，所以要想獲得好的通信效果，就需要設(shè)計合理的通信方案保障其通信性能。兩種方案各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)場地實(shí)際情況選擇相對較優(yōu)的方案。

3.2 通信協(xié)議

在競賽信息系統(tǒng)中通常使用的通信協(xié)議有TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、HTTP協(xié)議等，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換要求（見表1），入籃藤球競賽信息系統(tǒng)的通信協(xié)議選用方案如圖4所示。

入籃藤球競賽信息系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換對實(shí)時性要求較高，并且根據(jù)此項(xiàng)目的特點(diǎn)，需多場地同時發(fā)送數(shù)據(jù)信息量較小的數(shù)據(jù)，即需要使用傳輸效率高并且資源占有率小的通信協(xié)議，綜合TCP協(xié)議與UDP協(xié)議的特點(diǎn)，采用UDP協(xié)議較合適［3］。

在現(xiàn)場顯示系統(tǒng)里，現(xiàn)場大屏幕部分在應(yīng)用程序方面采用B／S（Browser／Server，瀏覽器／服務(wù)器）架構(gòu)，即播放控制終端將需要顯示的內(nèi)容及其格式使用UDP協(xié)議發(fā)送給播放終端，播放終端將數(shù)據(jù)解析并生成既定格式的HTTP請求，使用HTTP協(xié)議向本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器請求播放內(nèi)容，服務(wù)器將請求的內(nèi)容通過網(wǎng)頁形式反饋給播放終端，播放終端再將此內(nèi)容通過VGA連接線顯示在現(xiàn)場大屏幕上。在PDP顯示上，在使用有線網(wǎng)組網(wǎng)時，由于各場地的PDP是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的打分端使用VGA連接線與其相連控制其顯示，在協(xié)議的使用方面只需考慮使用無線網(wǎng)的情況。打分端與打分監(jiān)控端和PDP控制終端之間、本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與成績處理系統(tǒng)和打分監(jiān)控端之間均使用UDP協(xié)議通信。

圖4 入籃藤球競賽信息系統(tǒng)通信協(xié)議選用方案

由上述可知，系統(tǒng)中多數(shù)使用UDP協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，針對UDP協(xié)議自身的不可靠性，本課題結(jié)合UDP協(xié)議通信的實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計了多線程通信保障機(jī)制來降低通信過程中的風(fēng)險［4］。系統(tǒng)需要進(jìn)行通信時，先在發(fā)送端建立一個消息隊(duì)列，該消息隊(duì)列遵循先進(jìn)先出的原則，存放的內(nèi)容是能夠唯一識別每條消息的標(biāo)識符MSGGUID。系統(tǒng)通信將由三條線程來完成：線程1即發(fā)送線程，該線程負(fù)責(zé)由發(fā)送端發(fā)送消息給接收端并在本地存儲該條消息，之后將該消息的MSGGUID號從消息隊(duì)列的尾部加入隊(duì)列，當(dāng)接收端接收到發(fā)送端的消息后將該條消息的MSGGUID號反饋給發(fā)送端；線程2即接收線程，該線程負(fù)責(zé)接收由接收端反饋的UDP消息（MSGGUID號），如果此消息中的MSGGUID號在消息隊(duì)列中存在則刪除該MSGGUID號，表示此MSGGUID號代表的消息已成功發(fā)送給接收端；線程3即重發(fā)線程，該線程負(fù)責(zé)在既定的時間片內(nèi)（入籃藤球項(xiàng)目一般為3秒）檢查消息隊(duì)列，并再次發(fā)送隊(duì)列頭部的MSGGUID號代表的那條消息，同時記錄其重發(fā)次數(shù)（根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整），當(dāng)重發(fā)次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)時就認(rèn)為物理網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)斷開，此時也刪除隊(duì)列中的MSGGUID號。

3.3 數(shù)據(jù)交換格式

數(shù)據(jù)交換方式是通過“請求-響應(yīng)”機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)提供方只需要提供數(shù)據(jù)，而不需要其他操作，數(shù)據(jù)接收方在數(shù)據(jù)有更新時讀取數(shù)據(jù)。通常情況下，可使用的數(shù)據(jù)格式有XML（Extensible Markup Language）、CSV（Comma Separated Values）、TXT（Text File）和二進(jìn)制文件。其中CSV、TXT和二進(jìn)制文件生成容易但解析難，通常在競賽信息系統(tǒng)中通常使用XML來描述消息。XML使用自定義的元素和屬性來描述數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳送過程中，XML始終保留了諸如父／子關(guān)系這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得消息體取得規(guī)范一致，這樣其數(shù)據(jù)可以被運(yùn)行于不同平臺上的各類應(yīng)用程序直接使用，達(dá)到實(shí)時處理數(shù)據(jù)的要求［5］。

如圖5所示的文件是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送給成績處理系統(tǒng)的XML格式的成績消息，Match節(jié)點(diǎn)表示此XML描述的是在場地1進(jìn)行的比賽號為“STM005101”的泰國隊(duì)男子入籃藤球比賽成績，節(jié)點(diǎn)Athlete1～6表示6名運(yùn)動員的注冊號、球衣號碼以及入籃藤球項(xiàng)目8種規(guī)定動作的成績。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全管理

體育比賽競賽信息系統(tǒng)現(xiàn)場以太網(wǎng)的建設(shè)是依托整個大會競賽專網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)的，是專網(wǎng)的完善和補(bǔ)充。大會競賽專網(wǎng)作為與外部完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，具備了完善的安全措施和解決方案，可以認(rèn)為不存在通過競賽專網(wǎng)對競賽信息系統(tǒng)的現(xiàn)場以太網(wǎng)的安全威脅。主要面臨的安全隱患及防范措施如下所述：

（1）非授權(quán)訪問：指比賽場地中非競賽信息系統(tǒng)人員使用未授權(quán)的設(shè)備（如筆記本等）訪問此網(wǎng)絡(luò)。由于這些用戶普遍使用的是通用化民用設(shè)備，訪問并非惡意，采用一般性身份驗(yàn)證即可防范。

（2）交換機(jī)損壞：現(xiàn)場以太網(wǎng)的設(shè)備都是臨時布置，人為損壞和自然損壞都在所難免，在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和建設(shè)過程中，需要充分做好設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的備份，重要節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)必須雙路備份。

圖5 XML格式的比賽成績

（3）斷電：電是保證網(wǎng)絡(luò)正常工作的基本條件之一，為保證網(wǎng)絡(luò)工作正常，一方面應(yīng)采用POE供電模式，將供電管理統(tǒng)一集中到供電可靠的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備上，另一方面重要設(shè)備應(yīng)配備外接供電設(shè)備（如UPS等），以保證設(shè)備正常用電。

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)施

在2013年12月11日舉行的第27屆東南亞運(yùn)動會（緬甸）中，入籃藤球項(xiàng)目使用兩片場地同時進(jìn)行比賽，入籃藤球競賽信息系統(tǒng)采用有線以太網(wǎng)的方式布置網(wǎng)絡(luò)，完成了比賽賽前的集成測試，并在正式比賽中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場成績準(zhǔn)確采集和傳輸、成績處理及實(shí)時顯示的功能，滿足了入籃藤球項(xiàng)目的賽事需求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)布置合理，保證了比賽信息的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。比賽場館現(xiàn)場實(shí)施情況如圖6所示。

圖6 東南亞運(yùn)動會場館現(xiàn)場實(shí)施圖

5 結(jié)束語

針對入籃藤球競賽信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的特點(diǎn)，提出并比較了有線網(wǎng)和無線網(wǎng)兩種組網(wǎng)模式，并選取了各部分間最優(yōu)的通信協(xié)議來保證系統(tǒng)的通信服務(wù)質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)競賽信息的準(zhǔn)確采集、可靠傳輸和顯示，保障比賽順利進(jìn)行。通過在第27屆東南亞運(yùn)動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統(tǒng)中的成功應(yīng)用表明，設(shè)計的數(shù)據(jù)交換方式和組網(wǎng)模式是合理、有效的。

［1］歐陽波.中國體育科學(xué)學(xué)會計算機(jī)應(yīng)用分會論文集（2005-2009）：科技奧運(yùn)之運(yùn)動信息系統(tǒng)［C］.北京：中國體育科學(xué)學(xué)會體育應(yīng)用分會，2009.

［2］邱均平，黃曉斌，段宇鋒，等.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2004：15-60.

［3］胡道元.計算機(jī)局域網(wǎng)（第四版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：203-206.

［4］屠曉蕓.基于Web Service數(shù)據(jù)交換的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京化工大學(xué)，2007.

［5］郭荷清，王增勛.XML數(shù)據(jù)綁定及對象序列化的應(yīng)用研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006，23（5）：65-66.

Design of Data Exchange and Network of Hooptakraw Com petition Information System

MA Kun，MU Yan，JIN Chao，LU Hui
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

According to business requirements of the Hooptakraw competition information system，the paper studies the data exchangemechanism and network structure，and describes the designmethod of networking mode，communication protocol and data exchange format.The system has successfully performed in the 27th Myanmar SEA Games Hooptakraw competition，and completed the result acquisition，processing and display in the competition.

CIS；Hooptakraw；Data exchange；Network

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.007

TP319

：A

：1002-2279（2014）05-0018-05

國家體育總局體育信息中心委托項(xiàng)目—第27屆東南亞運(yùn)動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統(tǒng)

馬堃（1990-）女，山東省莒縣人，碩士研究生，主研方向：智能信息處理理論與技術(shù)。

2014-02-18