面向中長(zhǎng)跑體能測(cè)試的RFID設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李慶功

摘 要： 將RFID無(wú)線射頻技術(shù)應(yīng)用于中長(zhǎng)跑的體能測(cè)試計(jì)時(shí)，以我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)400 m跑道為例設(shè)計(jì)RFID自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的無(wú)線閱讀器布局，使用頻率為2.4 GHz的閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。針對(duì)基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的無(wú)線閱讀器和電子標(biāo)簽進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并使用幀時(shí)隙ALOHA算法實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)員同時(shí)進(jìn)入閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的防碰撞處理。使用定位算法對(duì)閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行定位，確定運(yùn)動(dòng)員成績(jī)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： RFID； 體能測(cè)試； 自動(dòng)計(jì)時(shí)； CC2530

Abstract： The RFID technology is applied to the physical fitness test timekeeping of the middle?and long?distance race. The wireless reader layout of the RFID?based automatic timekeeping system was designed by taking the standard 400 m track as an example. The reader of 2.4 GHz is used to identify the electronic tag. The hardware design was performed for wireless reader and electronic tag of the RFID?based middle?and long?distance race automatic timekeeping system. The frame time?slot ALOHA algorithm is used to conduct the anti?collision processing when several athletes go into the reader′s recognition range at the same time. The positioning algorithm is used to locate the athletes within the reader′s recognition range， and determine the performance of the athletes. The RFID?based middle and long distance race automatic timekeeping system was verified with the experimental method.

Keywords： RFID； physical fitness test； automatic timekeeping； CC2530

0 引 言

我國(guó)現(xiàn)代教育一直將培養(yǎng)學(xué)生的德智體作為教育的主要目標(biāo)。通過(guò)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出我國(guó)學(xué)生體質(zhì)狀況越來(lái)越差，學(xué)生的肥胖比例逐年增加。另外，在很多農(nóng)村學(xué)校肥胖學(xué)生的比例也是居高不下。一些例如糖尿病、冠心病、高血脂以及高血壓等在老年人身上經(jīng)常出現(xiàn)的肥胖疾病開(kāi)始在青少年身上出現(xiàn)，而且患病率逐漸提升，因此我國(guó)陸續(xù)制定了相關(guān)的措施來(lái)避免學(xué)生過(guò)度肥胖，以達(dá)到維護(hù)我國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康的目的[1]。

在對(duì)學(xué)生個(gè)人身體素質(zhì)進(jìn)行衡量的過(guò)程中，中長(zhǎng)跑測(cè)試是主要的衡量指標(biāo)。攝像法、光學(xué)法以及人工手動(dòng)計(jì)時(shí)法是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)采用的主要方法。實(shí)際上人工手動(dòng)計(jì)時(shí)存在一定的缺陷，首先運(yùn)動(dòng)成績(jī)需要由專(zhuān)門(mén)的人員進(jìn)行記錄，而且可以認(rèn)為改寫(xiě)記錄的成績(jī)，如果兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)就會(huì)有較強(qiáng)的人為操作性，無(wú)法產(chǎn)生較高的精度。由于其具有較高的精度，光學(xué)方法得到了廣泛的應(yīng)用，但是在個(gè)體識(shí)別方面不能發(fā)揮較好的效果[2?3]。

作為一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，RFID技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其能夠在較為復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用，具有較快的識(shí)別速度，通過(guò)和定位技術(shù)的相互結(jié)合能夠在局部區(qū)域內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位[4]。

本文使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)跑體能測(cè)試的自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，避免人工手動(dòng)計(jì)時(shí)的誤差，降低人工勞動(dòng)的強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文以目前中國(guó)中小學(xué)以及高校普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)400 m跑道為例，設(shè)計(jì)基于RFID的1 000 m體能測(cè)試自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。400 m跑道中直道總長(zhǎng)度為2×85.96 m，彎道總長(zhǎng)度為2×114.04 m，彎道半徑為[5]36 m。根據(jù)跑道長(zhǎng)度和面積設(shè)計(jì)RFID自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的無(wú)線閱讀器布局，如圖1所示。

由圖1可以看出，由于跑道長(zhǎng)度和面積不算大，并且基于RFID的自動(dòng)計(jì)時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)是在跑道終點(diǎn)處標(biāo)簽（運(yùn)動(dòng)員）的識(shí)別和計(jì)時(shí)，因此使用頻率為2.4 GHz的閱讀器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別，2.4 GHz的閱讀器能夠?qū)Π倜追秶鷥?nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，標(biāo)簽為有源標(biāo)簽，標(biāo)簽壽命可達(dá)6年以上，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性[6]。

本文研究的基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的工作原理是：首先利用天線閱讀器將射頻信號(hào)向外發(fā)射，進(jìn)而對(duì)工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行激活，天線大小、發(fā)射功率以及射頻信號(hào)頻率決定了閱讀器的工作范圍；其次如果標(biāo)簽沒(méi)有超過(guò)閱讀器的工作范圍就可以激活射頻信號(hào)，在產(chǎn)生感應(yīng)電流的過(guò)程中標(biāo)簽就可以獲得能量，然后閱讀器就能夠獲得相關(guān)的ID信息。最后在接收到標(biāo)簽發(fā)出的數(shù)據(jù)信息以后，閱讀器就可以經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)I/O接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)上[7]。

2 RFID計(jì)時(shí)硬件系統(tǒng)

基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)硬件部分主要包括無(wú)線閱讀器和電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由電池供電，以腕表的形式系掛在運(yùn)動(dòng)員手腕上。無(wú)線閱讀器在跑道終點(diǎn)線上以一定規(guī)則布置。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

作為射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本組成部分，電子標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)π枰蛔R(shí)別的物體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，主要由電源模塊、天線、射頻收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊以及主控模塊組成。其中標(biāo)識(shí)是通過(guò)ID號(hào)實(shí)現(xiàn)的，生產(chǎn)日期以及產(chǎn)地等一系列信息能夠通過(guò)ID號(hào)體現(xiàn)出來(lái)，閱讀器能夠讀取存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的這些信息，同時(shí)無(wú)法修改這些信息。

閱讀器主要包含天線、電源模塊、I/O 接口模塊、射頻收發(fā)模塊以及主控模塊。利用天線發(fā)動(dòng)射頻信號(hào)閱讀器就能夠?qū)⒎秶鷥?nèi)的標(biāo)簽激活，標(biāo)簽返回信號(hào)再被天線接收的過(guò)程中就能夠?qū)崿F(xiàn)與標(biāo)簽之間的通信，這樣就可以對(duì)表現(xiàn)的信息進(jìn)行獲取。工作在不同頻段的閱讀器具有不同的通信距離。

本文使用的電子標(biāo)簽工作頻率為2.4 GHz，標(biāo)簽的電源由紐扣式電池提供，電子標(biāo)簽的射頻前端主要使用Nordic的nRF24L01，微處理器使用TI的CC2530，供電輸入電壓為+3 V，通過(guò)SPI口配置nRF24L01的寄存器以及控制nRF24L01。電子標(biāo)簽中CC2530主控芯片和射頻芯片nRF24L01的引腳連接如圖3所示[8]。

無(wú)線閱讀器主要由主控模塊、無(wú)線射頻收發(fā)模塊、天線以及RS 232通信模塊和電源模塊等組成。

（1） 主控模塊實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用軟件的通信，同時(shí)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送的指令進(jìn)行執(zhí)行，對(duì)無(wú)線射頻電子標(biāo)簽的通信過(guò)程進(jìn)行控制，編碼和解碼信號(hào)。對(duì)防碰撞算法進(jìn)行執(zhí)行。解密和加密標(biāo)簽與讀卡器交換數(shù)據(jù)，驗(yàn)證標(biāo)簽和讀卡器之間的身份。

（2） 無(wú)線射頻收發(fā)模塊利用產(chǎn)生的高頻發(fā)射能量對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行激活。調(diào)制發(fā)射信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮訕?biāo)簽，接收并解調(diào)來(lái)自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。

（3） 天線用于對(duì)電子標(biāo)簽和閱讀器之間的射頻信號(hào)進(jìn)行傳送。

（4） RS 232通信模塊連接上位機(jī)和閱讀器，對(duì)電子標(biāo)簽采集的信息進(jìn)行傳輸。

（5） 電源模塊使用1117?3.3芯片將5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V電源供給射頻模塊。

（6） 通信模塊主要使用CP2102芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線閱讀器與上位機(jī)的通信，上傳運(yùn)動(dòng)員的跑步成績(jī)。

3 RFID計(jì)時(shí)軟件系統(tǒng)

3.1 防碰撞算法

當(dāng)一個(gè)閱讀器同時(shí)被幾個(gè)標(biāo)簽要求信息傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)之間就會(huì)產(chǎn)生干擾，使得無(wú)法正確的識(shí)別標(biāo)簽。這樣閱讀器只能采用多路存取方式對(duì)不同標(biāo)簽的信息進(jìn)行讀取。其中空分多址、碼分多址、頻分多址以及時(shí)分多址是多路存取防碰撞的主要方式。

時(shí)分多址中信息的傳輸是通過(guò)不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)的，能夠按照時(shí)間劃分整個(gè)信道，這樣同一個(gè)信道就不會(huì)被多個(gè)標(biāo)簽占用。該方法在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用能夠達(dá)到很好的防碰撞效果。

作為一種概率類(lèi)型算法，ALOHA算法能夠采用競(jìng)爭(zhēng)的方式進(jìn)行信道的訪問(wèn)。幀時(shí)隙ALOHA算法改進(jìn)了時(shí)隙ALOHA算法，將一個(gè)幀分為個(gè)時(shí)隙，這樣標(biāo)簽只能根據(jù)從個(gè)時(shí)隙中選擇的時(shí)隙進(jìn)行信息的發(fā)送。當(dāng)時(shí)，算法示意圖如圖5所示[9]。

幀的時(shí)隙數(shù)在該算法中是固定不變的，大小為同時(shí)時(shí)隙的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)和標(biāo)簽完成信息傳輸所需要的時(shí)間一致。當(dāng)時(shí)隙只有一個(gè)標(biāo)簽時(shí)就可以成功讀取標(biāo)簽信息；當(dāng)時(shí)空時(shí)隙向下一個(gè)時(shí)隙跳轉(zhuǎn)，產(chǎn)生碰撞時(shí)，需要等到這個(gè)幀結(jié)束后，再對(duì)相關(guān)的時(shí)隙進(jìn)行搜尋，進(jìn)而完成信息的發(fā)送[10]。

3.2 電子標(biāo)簽定位算法

本文使用到達(dá)時(shí)間定位算法計(jì)算運(yùn)動(dòng)員到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間。在計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離時(shí)主要通過(guò)兩點(diǎn)之間數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)公式對(duì)于超聲波以及電磁波等測(cè)量信號(hào)，在獲悉其波速以后就可以通過(guò)對(duì)兩者之間信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定得到兩者之間的相對(duì)距離[11]。

設(shè)為需要定位的電子標(biāo)簽，如果只存在一個(gè)測(cè)量參考點(diǎn)，那么就只能對(duì)點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，該點(diǎn)在以為半徑，為圓心的圓周上。如果存在兩個(gè)參考點(diǎn)，那么兩個(gè)點(diǎn)為圓心所對(duì)應(yīng)的圓會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)，因此兩個(gè)交點(diǎn)中的一點(diǎn)為的位置，但是對(duì)于具體的點(diǎn)無(wú)法確定。如果存在三個(gè)參考點(diǎn)和可以得到三個(gè)點(diǎn)（A，B，C）的相對(duì)距離，然后通過(guò)解析幾何就可以對(duì)點(diǎn)的位置進(jìn)行計(jì)算。因此只要三個(gè)參考點(diǎn)不處在同一條直線上就能夠準(zhǔn)確地對(duì)點(diǎn)進(jìn)行定位。定位算法原理如圖6所示[12]。

4 RFID計(jì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證本文研究的基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。使用人工計(jì)時(shí)的方式與本文研究系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。利用100名運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行1 000 m測(cè)試，起點(diǎn)和終點(diǎn)如圖1所示。運(yùn)動(dòng)員需要經(jīng)過(guò)三次終點(diǎn)線才能完成1 000 m的測(cè)試，分別使用人工計(jì)時(shí)的方式與本文研究的自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的部分記錄成績(jī)?nèi)绫?，表2所示。

使用光學(xué)測(cè)量方法對(duì)運(yùn)動(dòng)員的1 000 m測(cè)試成績(jī)進(jìn)行記錄，認(rèn)為該成績(jī)?yōu)檎鎸?shí)成績(jī)。由于光學(xué)測(cè)量方法的硬件系統(tǒng)和成績(jī)處理復(fù)雜，因此僅在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。使用人工計(jì)時(shí)的方式與本文研究系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)員的真實(shí)成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比曲線如圖7所示。

可以看出，本文研究的自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)記錄的成績(jī)穩(wěn)定性好，誤差能夠控制在一定范圍內(nèi)，并且誤差比人工計(jì)時(shí)方式更小，使用人工計(jì)時(shí)方式的誤差波動(dòng)較大，主要受到裁判人員的判斷誤差和注意力不集中的影響。

5 結(jié) 論

本文對(duì)使用RFID技術(shù)的中長(zhǎng)跑體能測(cè)試的自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免人工手動(dòng)計(jì)時(shí)的誤差，降低人工勞動(dòng)的強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文研究的基于RFID的中長(zhǎng)跑自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，結(jié)果表明，本文研究的自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)記錄的成績(jī)穩(wěn)定性好，誤差能夠控制在一定范圍內(nèi)，并且誤差比人工計(jì)時(shí)的方式更小，使用人工計(jì)時(shí)方式的誤差波動(dòng)較大，主要受到裁判人員的判斷誤差和注意力不集中的影響。

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