基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)與訓(xùn)練研究

張東徽，仇飛云，周洪敏

(金陵科技學(xué)院 公共基部體育教研室，江蘇 南京 211169)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)與訓(xùn)練研究

張東徽，仇飛云，周洪敏

(金陵科技學(xué)院 公共基部體育教研室，江蘇 南京 211169)

以定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)和訓(xùn)練組織、競賽管理為研究對象，搭建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的競訓(xùn)平臺，該系統(tǒng)通過RFID技術(shù)，借助定位器、標(biāo)識卡及讀寫器等終端設(shè)備，能夠動(dòng)態(tài)定位運(yùn)動(dòng)場上人員和器材的分布狀況和運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)多種定向運(yùn)動(dòng)競訓(xùn)元素的合理匹配，節(jié)約競訓(xùn)時(shí)間和成本，對校園定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)和訓(xùn)練的科學(xué)化、比賽的管理具有積極的促進(jìn)作用。

物聯(lián)網(wǎng)；RFID；定向運(yùn)動(dòng)；定位；軌跡

定向運(yùn)動(dòng)作為一種新興的戶外體育運(yùn)動(dòng)，其體育教育價(jià)值很高，它不僅能夠強(qiáng)健體魄，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、克服困難等意志品質(zhì)和個(gè)人能力。是一項(xiàng)非常有利于健康的智慧型體育項(xiàng)目，其獨(dú)特的趣味性和新奇性容易激發(fā)學(xué)生的上課熱情。在大學(xué)體育課程建設(shè)中的影響力也越來越大，大大地促進(jìn)了高校體育課程的多元化發(fā)展。但是定向運(yùn)動(dòng)在大學(xué)校園的推廣和普及還面臨著諸多問題，因?yàn)槎ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)的教學(xué)與競訓(xùn)特點(diǎn)十分特殊，從空間上看，定向運(yùn)動(dòng)的場地較復(fù)雜，它可以遍布校園的任何一個(gè)地方，不再拘泥于某一體育場地。從時(shí)間上說，前期的布點(diǎn)和器材的準(zhǔn)備，課后器材的歸整和成績的統(tǒng)計(jì)等，工作量繁冗。體育教師和管理人員組織和管理的難度非常大：1)場地相對復(fù)雜和廣闊，場上人員無規(guī)則分散在各處；2)器材設(shè)備本身價(jià)格昂貴，而且分布范圍很廣、很散。其管理的難度相比較于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和普通校園體育比賽不可同日而語。因此，要拓展定向運(yùn)動(dòng)，如何有效實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)、競訓(xùn)工作的科學(xué)化和高效化的問題亟待解決。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來及其技術(shù)的日臻完善，它的高科技化組織管理模式將幫助找到理想的突破口。

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)代世界信息技術(shù)革命前沿的一種技術(shù)模式，它是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。在大學(xué)體育教育網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展的今天，，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)開放、高效以及適應(yīng)定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)和競訓(xùn)特點(diǎn)的運(yùn)行體系將具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 RFID技術(shù)介紹

射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification Technology)是一種通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)非接觸式的最新自動(dòng)識別技術(shù)。一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)一般包括以下3個(gè)部份：1)標(biāo)簽(Tag)，即每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。2)閱讀器(Reader)，即讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備。3)天線(Antenna)，即在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號[2]。

這套系統(tǒng)的電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)如選手姓名、號碼等信息。讀寫器可無接觸地(識別距離根據(jù)需要調(diào)整射頻信號)識讀該選手事先錄入的數(shù)據(jù)，可以精確地識別目標(biāo)對象的適時(shí)狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)原理圖

1.2 工作原理

該系統(tǒng)主要是利用RFID無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)讲杉?wù)器，并實(shí)現(xiàn)上層的各種應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對選手或器材的身份識別、定位跟蹤和軌跡查詢等功能。系統(tǒng)終端主要包括低頻定位器、RFID基站、RFID標(biāo)識卡、采集系統(tǒng)。其中，讀寫器(定位器)采用主動(dòng)式發(fā)送器，當(dāng)標(biāo)識卡進(jìn)入此范圍以后，能夠接收到定位器連續(xù)發(fā)送的信號并識別。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包涵以下4部分：Web上層應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。Web上層應(yīng)用系統(tǒng)通過軟件平臺采集數(shù)據(jù)，給教師和管理方以直觀的效果顯示，并實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)如成績報(bào)表統(tǒng)計(jì)管理。前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為RFID無線傳輸系統(tǒng)，主要由無線射頻腕帶標(biāo)識卡、讀寫器、RFID基站、現(xiàn)場總線/局域網(wǎng)組成。其主要作用是以無線方式采集標(biāo)識卡發(fā)送的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和上傳專線組成，主要作用是將采集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲處理。數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)主要包括GIS系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器、系統(tǒng)管理工作站等。其主要作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并向上層應(yīng)用系統(tǒng)提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)定向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)通過在校園里教學(xué)樓、路口、或按校園定向圖適合布點(diǎn)的位置根據(jù)實(shí)際需求布置定位器，實(shí)現(xiàn)人員定位，布設(shè)基站實(shí)現(xiàn)信號覆蓋，課堂教學(xué)或給競訓(xùn)時(shí)給選手配發(fā)電子標(biāo)簽，按自己實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)對教學(xué)和競訓(xùn)工作的科學(xué)化管理，如圖3 所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)校園定向運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案圖

2 系統(tǒng)評價(jià)

運(yùn)用RFID技術(shù)，在競訓(xùn)過程中，既可以對全場進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描和監(jiān)控，隨時(shí)可以精確定位選手的位置，一旦出現(xiàn)爭議，也可以調(diào)取選手在既定時(shí)間內(nèi)的行動(dòng)軌跡，既能達(dá)到確保定向比賽的公正和公平，教練員也能觀察到比賽過程中運(yùn)動(dòng)員的適時(shí)狀態(tài)和比賽能力，同時(shí)也可以保存比賽的數(shù)據(jù)，如實(shí)際路線的選擇，為將來的訓(xùn)練提供有力的訓(xùn)練依據(jù)。同樣也大大提高了教師課堂教學(xué)的效率，同時(shí)也是教學(xué)評價(jià)的有力依據(jù)。

2.1 實(shí)時(shí)定位

相對于其他運(yùn)動(dòng)來說，定向運(yùn)動(dòng)的場地復(fù)雜和特殊，場上人員較為分散，管理和協(xié)調(diào)及其困難。一定程度上有發(fā)生意外的可能性，如摔倒無法行走。在野外比賽時(shí)還會發(fā)生迷路走失等未知因素。傳統(tǒng)管理模式下，教師和管理人員只能被動(dòng)地原地等待或是憑借經(jīng)驗(yàn)和按照地圖尋找。本系統(tǒng)可在電子地圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示選手的位置，管理人員可動(dòng)態(tài)掌握場上人員的數(shù)量和分布情況，隨時(shí)可查看既定人員詳細(xì)信息如年齡、編號、出發(fā)時(shí)間、實(shí)時(shí)位置等。如要在尋找某個(gè)選手的位置時(shí)，錄入該選手的編號便可定位其所在的區(qū)域和活動(dòng)狀態(tài)、當(dāng)前速度等。甚至可以根據(jù)需要開發(fā)增加實(shí)時(shí)心率、血壓的感應(yīng)模塊。為競訓(xùn)人員提供安全保障，為教師和工作人員的管理提供強(qiáng)有力的支撐。

2.2 軌跡查詢

這套系統(tǒng)不僅可以記錄所有選手到達(dá)檢查點(diǎn)的精確時(shí)間，而且可以記錄該選手的運(yùn)動(dòng)軌跡，到達(dá)每個(gè)檢查點(diǎn)之間的間隔時(shí)間，并可按要求進(jìn)行軌跡回放。定向運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)個(gè)人體驗(yàn)為主的運(yùn)動(dòng)，很大程度上限制了定向運(yùn)動(dòng)傳播與推廣。因?yàn)橛^眾無法直觀地看到選手的路線選擇和比賽狀態(tài)。但是，現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡并將選手軌跡記錄通過GPRS后發(fā)射到服務(wù)器，進(jìn)而對比賽進(jìn)行電視及互聯(lián)網(wǎng)的同步播放。丹麥的TracT-rac公司已經(jīng)多次為世界定向錦標(biāo)賽(WOC)，Jukola，Tiomila，PWT等重大賽事提供賽事過程實(shí)時(shí)追蹤服務(wù)。使得觀眾及定向愛好者可以有機(jī)會仔細(xì)學(xué)習(xí)優(yōu)秀選手的定向技術(shù)和定向理念[3]。

完整的備案和記錄運(yùn)動(dòng)員在比賽過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡提高了比賽現(xiàn)場監(jiān)督的科學(xué)性，同時(shí)也是裁判員執(zhí)法的有力依據(jù)。此外，通過軌跡查詢可進(jìn)行更加科學(xué)直觀的訓(xùn)練分析，有助于教練員和運(yùn)動(dòng)員對其技術(shù)的深度分析，可以有效地提高自身的技戰(zhàn)術(shù)水平。定向運(yùn)動(dòng)路線的選擇是十分復(fù)雜的過程，相同任務(wù)的地圖路線，不同選手實(shí)際選擇的路線可能會有所不同，即使是同一名選手在不同時(shí)期所選擇的路線也可能會截然不同，這也使得教練員的賽后分析變得十分復(fù)雜。過去憑借記憶對照地圖的訓(xùn)練方式已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展，尤其在一些地形相對復(fù)雜的場地問題顯得尤為突出。

現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了一種全新思路，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)員實(shí)際選擇的路線軌跡，通過軟件進(jìn)行分析處理，可以分析比賽中出現(xiàn)的不足。此外，對于定向教學(xué)也是一個(gè)良好的輔助，教師可以更加直觀地了解學(xué)生的路線選擇能力， 學(xué)生也可以通過運(yùn)動(dòng)軌跡地和地圖上的路線進(jìn)行比對并找出差距。因此，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅能使教學(xué)更為生動(dòng)直觀，還能大大提高教學(xué)效果。如圖4所示，圖中顯示出場上每個(gè)選手的具體位置信息，深色路線為根據(jù)需要查詢的277號選手的運(yùn)動(dòng)軌跡，方框內(nèi)為此選手的具體信息。

圖4 金陵科技學(xué)院校園定位軌跡查詢圖(截圖)

2.3 定向教學(xué)與競訓(xùn)器材管理

定向電子器材較昂貴，同時(shí)又散布在各個(gè)區(qū)域，管理起來較為困難。 因此，通過在器材嵌入射頻標(biāo)簽，通過射頻識別，可以實(shí)時(shí)跟蹤和管理定向器材；管控其發(fā)放、使用和回收以及存貯等整個(gè)過程，對每件器材嵌入唯一的射頻標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識。另外，對讀寫器、熱敏打印機(jī)、終端等相對昂貴的器材裝上定位標(biāo)簽，并根據(jù)實(shí)際要求對其進(jìn)行特殊區(qū)域設(shè)置，如果該器材被帶出限制區(qū)域，系統(tǒng)即報(bào)警，管理者可根據(jù)實(shí)時(shí)定位，及時(shí)找回器材[4]。

此外，在實(shí)際的教學(xué)與訓(xùn)練工作中，提前布點(diǎn)和收點(diǎn)的過程也是一項(xiàng)繁冗的任務(wù)，一方面要耗費(fèi)教師和教練員大量的時(shí)間來準(zhǔn)備這項(xiàng)工作；另一方面，人工布點(diǎn)的誤差也會給教學(xué)訓(xùn)練工作帶來不便，還會經(jīng)常造成器材的丟失。運(yùn)用這套系統(tǒng)，日常的教學(xué)工作和訓(xùn)練將無需提前布點(diǎn)和懸掛點(diǎn)標(biāo)旗，只需要在地圖上標(biāo)出既定的點(diǎn)就可以達(dá)到教學(xué)訓(xùn)練的目的，大大地提高了的工作效率。

2.4 場地調(diào)劑與管理

定向運(yùn)動(dòng)場地錯(cuò)綜復(fù)雜，線路變化多端，在比賽和訓(xùn)練中，合理安排定向運(yùn)動(dòng)隊(duì)伍的競訓(xùn)時(shí)間和場地的管理是一個(gè)難題。但是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些原來的問題都將得到有效解決。管理人員在監(jiān)控信息中可以觀察到場地內(nèi)所有競訓(xùn)人員以及場地器材的使用情況，實(shí)時(shí)發(fā)布場地、器材以及場上人員的分布情況，管理人員、教練員和教師可根據(jù)場地的安排和使用情況及時(shí)做出調(diào)整。

相對于其他項(xiàng)目，定向比賽的時(shí)間耗時(shí)長，工作量龐大，如因?yàn)榭紤]到安全因素，現(xiàn)在的定向比賽規(guī)則是必須等到最后一名運(yùn)動(dòng)員到達(dá)終點(diǎn)時(shí)比賽才能結(jié)束。假設(shè)最后一名選手在中途迷路或已經(jīng)錯(cuò)點(diǎn)、漏點(diǎn)的情況下，即使是無效成績，所有工作人員都不得不等待其到達(dá)終點(diǎn)時(shí)才能終止比賽。這也造成定向比賽的效率低下和場地管理工作繁瑣。通過動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控定位就可以判斷出場地內(nèi)每名運(yùn)動(dòng)員的情況，管理人員能更加科學(xué)地控制比賽進(jìn)程，大大地提高比賽效率和降低工作強(qiáng)度。同時(shí)也可以在第一時(shí)間處置突發(fā)性運(yùn)動(dòng)損傷和運(yùn)動(dòng)傷害事故。

表1分別為機(jī)械打孔式、電子計(jì)時(shí)式和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模式運(yùn)用于定向運(yùn)動(dòng)中的主要功能對比，可以看出物聯(lián)網(wǎng)管理模式巨大的優(yōu)勢。

表1 3種模式主要功能對比

主要功能機(jī)械打卡式電子計(jì)時(shí)式物聯(lián)網(wǎng)模式計(jì)時(shí)成績手動(dòng)自動(dòng)自動(dòng)成績有效性判定無法判斷可判斷可判斷賽事組織管理手動(dòng)錄入信息化管理信息化管理實(shí)時(shí)定位不能不能可定位軌跡查詢不能不能可查詢布點(diǎn)過程提前布點(diǎn)提前布點(diǎn)無需布點(diǎn)打點(diǎn)過程卡鉗打孔接觸式感應(yīng)射頻識別

3 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)代表了當(dāng)今信息技術(shù)革命的最前沿，也將全面滲透到體育領(lǐng)域，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在定向運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用為研究背景，討論了物聯(lián)網(wǎng)在定向運(yùn)動(dòng)中的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于定向運(yùn)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。有助于提高教練員、教師對于運(yùn)動(dòng)員或?qū)W生在訓(xùn)練和教學(xué)過程中的整體情況有較準(zhǔn)確的掌握，能夠?qū)夹g(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析。不僅使賽后技術(shù)分析更具有科學(xué)性，訓(xùn)練計(jì)劃的調(diào)整更具有客觀性。而且也可以讓教師在制定教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)方法的針對性方面有了系統(tǒng)性依據(jù)。

[1] 邵順增.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及發(fā)展[J].硅谷，2010(4)：71-72.

[2] 于君，張雪英.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代軍事中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].電視技術(shù)，2011，35(23)：161-164.

[3] 程立.高校GPS定向運(yùn)動(dòng)的開展研究[J].成都體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(8)：86-89.

[4] 韓佳岐，淺談物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的賽事管理[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013(10)：41-43.

[5] 謝浩.GPS技術(shù)在定向運(yùn)動(dòng)中運(yùn)用的研究[J].浙江體育科學(xué)，2009(1)：61-63.

[6] 喬克滿，王歸然，孫衛(wèi).感知體育：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用體系架構(gòu)[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，46(1)：72-75.

[7] 尚曉軍.基于網(wǎng)格技術(shù)的CAVE定向運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008(5)：56-58.

[8] 王雅麗，侍崇艷.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的學(xué)校體育發(fā)展探論[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010(2)：128-130.

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

Research on Teaching and Training of Orienteering Based on Internet of Things

ZHANG Donghui，QIU Feiyun，ZHOU Hongmin

(JinlingInstituteofTechnology，Nanjing211169，China)

In this paper the orienteering teaching and training，contest management as the research object，to build training platform based on Internet of things.by the RFID technology， the locator， identification card and read-write terminal devices such as composition， distribution and movement by means of the dynamic positioning system can field personnel and equipment.Reasonable matching to achieve a variety of Orienteering Training elements，has a positive role in promoting the campus oriented scientific， transport the game teaching and training monitoring and management.

Internet of things；RFID；orienteering；positioning；trajectory

G807.4

A

10.16280/j.videoe.2015.18.004

2015-03-17

【本文獻(xiàn)信息】張東徽，仇飛云，周洪敏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)與訓(xùn)練研究[J].電視技術(shù),2015，39(18).