基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)*

李曉豁， 劉海亮

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

跑步測試是我國高校在校生體能測試任務(wù)之一，以人工手動(dòng)計(jì)時(shí)方式為主，極少數(shù)地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)測量、射頻識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)手段[1,2]。

作為一種新型技術(shù)，使用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)技術(shù)能夠通過衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)對(duì)物體的高度、精度等信息進(jìn)行瞬時(shí)測量，這種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度、全時(shí)段、全天候以及全方位的優(yōu)勢，在室外快速追捕和定位的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用。在GPS定位系統(tǒng)軟件不斷更新和不斷完善的過程中出現(xiàn)了各種類型的GPS接收機(jī)，當(dāng)移動(dòng)人群佩戴電子腕帶以及電子標(biāo)簽等工具以后就能夠進(jìn)行快速的定位，通過網(wǎng)絡(luò)傳送能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)管中心。目前, 市場上有很多體積較小和質(zhì)量較輕的接收機(jī)，這些接收機(jī)具有方便攜帶的優(yōu)勢，有效促進(jìn)了監(jiān)管部門工作的順利進(jìn)行[3～5]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)，用于完成普通院校學(xué)生的跑步測試的任務(wù)。在對(duì)測試系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜度、計(jì)時(shí)成本等情況進(jìn)行綜合考慮的基礎(chǔ)上，本文沒有采用高精度馬拉松計(jì)時(shí)系統(tǒng)，而是采用基于ZigBee定位和GPS定位組合的計(jì)時(shí)方式，以達(dá)到提高跑步測試系統(tǒng)計(jì)時(shí)精度、降低工作人員工作強(qiáng)度、降低計(jì)時(shí)成本的目的。

1 跑步測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文將學(xué)校中常見的400 m跑道作為研究對(duì)象，基于ZigBee定位和GPS定位技術(shù)，設(shè)計(jì)1 000 m體能測試自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)?；赯igBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)在400m跑道上的硬件設(shè)置如圖1所示。

圖1 跑步測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出跑道并不具有較大的面積和長度，而且跑道終點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)員的計(jì)時(shí)和識(shí)別是這種自動(dòng)記時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所用電子標(biāo)簽的識(shí)別使用中低功率的閱讀器即可實(shí)現(xiàn)，這種閱讀器所識(shí)別的標(biāo)簽范圍可以達(dá)到百米范圍內(nèi)，這種有源標(biāo)簽?zāi)軌蜻_(dá)到5年以上的壽命，因此具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

本文研究的基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)主要采用具有高精度定位特性的ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)跑步測試的終點(diǎn)到達(dá)判別以及采用便于大范圍運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)測試人員軌跡跟蹤。

2 跑步測試系統(tǒng)硬件

2.1 ZigBee硬件系統(tǒng)

作為一種微型的嵌入式系統(tǒng)，ZigBee無線傳感的節(jié)點(diǎn)對(duì)模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了應(yīng)用，主要包含電源模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和處理器模塊，圖2所示為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)

使用TI公司的MSP430系列處理器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器，具有性能穩(wěn)定和功耗低的優(yōu)勢，在功耗有限制場合具有非常明顯的優(yōu)勢，調(diào)試程序通過四線制JTAG接口下載至芯片內(nèi)[6,7]，圖3所示為MSP430處理器的JTAG接口電路。

圖3 JTAG接口電路

CC2420射頻芯片符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，因此本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無線通信模塊使用該主芯片。通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)四線制接口可以將CC2420射頻芯片與MSP430處理器連接起來，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。使用CCA,先入先出(first in,first out,FIFO),FIFOP以及SFD能夠反饋收發(fā)的狀態(tài)。通過碼移鍵控(code shift keying,CSK)引腳MSP430處理器能夠?qū)⒕_的時(shí)鐘頻率提供給CC2420芯片[8]。圖4所示為CC2420射頻芯片與MSP430FG4618處理器的連接電路。

圖4 處理器與射頻芯片電路

為了降低功耗，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用的低功耗芯片，為保證正常工作需要將電壓控制在2.4～3.6 V范圍內(nèi)，圖5所示為供電模塊電路。

圖5 供電模塊電路

2.2 GPS軌跡跟蹤模塊

本文中的GPS定位模塊選用高性能NEO—6M—0—001模塊。

文獻(xiàn)[9]中對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)與GPS接收模塊的連接方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖6所示。天線與RF_IN 引腳連接，可以對(duì)衛(wèi)星的GPS信號(hào)進(jìn)行接收，為了使得GPS模塊在掉電以后能夠持續(xù)地獲取衛(wèi)星授時(shí)定位相關(guān)數(shù)據(jù)，將NEO—6接收模塊的SCL2 和SDA2與存儲(chǔ)器24AA32A的SCL 和SDA引腳連接；單片機(jī)可以與GPS接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于應(yīng)用了TTL電平，電平轉(zhuǎn)換不需要在單片機(jī)和GPS接收模塊之間實(shí)現(xiàn)，通過串口通信就能夠?qū)崿F(xiàn)，單片機(jī)的TXD,RXD引腳可以與RXD1,TXD1連接， GPS 接收模塊NEO—6與單片機(jī)可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過對(duì)NAME 0183協(xié)議的參考，單片機(jī)就可以將經(jīng)緯度信號(hào)以及時(shí)間信號(hào)從天線接收的導(dǎo)航電文中解析出來，進(jìn)而達(dá)到定位的目的。

圖6 GPS硬件原理

3 跑步測試監(jiān)測系統(tǒng)軟件

3.1 防碰撞算法

如果多個(gè)標(biāo)簽都要求閱讀器進(jìn)行信息傳輸，各個(gè)數(shù)據(jù)之間將出現(xiàn)干擾，使得識(shí)別標(biāo)簽出現(xiàn)錯(cuò)誤，閱讀器在讀取不同標(biāo)簽信息時(shí)只能夠采用多路存取的形式。目前多路存取防碰撞的主要形式有時(shí)分多址、頻分多址、碼分多址以及空分多址。

在信息傳輸?shù)倪^程中時(shí)分多址主要通過不同的時(shí)隙來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)信道都可以通過時(shí)間來進(jìn)行劃分，這樣就可以避免多個(gè)標(biāo)簽占用同一個(gè)信道。在射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)系統(tǒng)中應(yīng)用這種方法具有非常好的防碰撞效果。

作為一種概率類型算法，ALOHA算法通過采用競爭的形式訪問信道。時(shí)隙ALOHA算法可以通過幀時(shí)隙ALOHA 算法進(jìn)行改進(jìn)，將1幀分為M個(gè)時(shí)隙，從M個(gè)時(shí)隙中標(biāo)簽就可以發(fā)送相關(guān)信息。

在該算法中幀的時(shí)隙數(shù)是固定不變的，大小為M，另外標(biāo)簽完成信息傳輸所需要的時(shí)間與時(shí)隙的長度一致。如果時(shí)隙的標(biāo)簽數(shù)為1個(gè)，標(biāo)簽信息就能夠被成功讀??；如果時(shí)隙為空就會(huì)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)隙，如果碰撞產(chǎn)生就需要保證結(jié)束這個(gè)幀，并搜尋相關(guān)的時(shí)隙，可以完成信息發(fā)送[10]。

3.2 電子標(biāo)簽定位算法

1)測距原理

在進(jìn)行測距工作時(shí)，首先測距脈沖信號(hào)發(fā)送到基站端，如果這個(gè)測距脈沖信號(hào)為標(biāo)簽端檢測到，并將一個(gè)測距脈沖信號(hào)返回給基站端，通過對(duì)標(biāo)簽端發(fā)送測距脈沖的延遲時(shí)間以及收發(fā)信號(hào)的時(shí)間差就可以對(duì)測距信號(hào)的飛行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。利用這種雙向測距的方法能夠保證同步精度，提升測距精度的同時(shí)降低了標(biāo)簽端系統(tǒng)和測距基站端系統(tǒng)的復(fù)雜程度[11]。

2)定位原理

當(dāng)標(biāo)簽端與基站端的測量問題解決以后，下面就需要測量3個(gè)基站對(duì)1個(gè)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，進(jìn)而就可以獲取相關(guān)的位置坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。作為一種算法簡便和常用的定位方法， 三邊測量定位方法易于實(shí)現(xiàn)。但該方法易于出現(xiàn)對(duì)于3個(gè)節(jié)點(diǎn)無法正交于一點(diǎn)的問題[12]，三邊質(zhì)心定位方法能夠有較大的改善。三邊質(zhì)心定位方法的工作原理如圖7所示。

圖7 三邊質(zhì)心定位方法的工作原理

假設(shè)3個(gè)基站的節(jié)點(diǎn)圓分別交于D,E,F3點(diǎn)，構(gòu)成三角形，則此三角形的質(zhì)心O為目標(biāo)定位節(jié)點(diǎn)。交點(diǎn)D點(diǎn)的坐標(biāo)(xd,yd)為

(xd-xa)2+(yd-ya)2≤da2

(xd-xb)2+(yd-yb)2=db2

(xd-xc)2+(yd-yc)2=dc2

(1)

△DEF剩余兩點(diǎn)的坐標(biāo)E(xe,ye)和F(xf,yf)可以采用相同的方法獲取，可以得到需要定位的節(jié)點(diǎn)O的坐標(biāo)O(xo,yo)

(2)

3.3 捷徑作弊判別程序

為了防止測試人員選擇捷徑到達(dá)終點(diǎn)這樣的作弊行為。本文研究的基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)中加入了捷徑作弊判別程序，其基本原理是采用GPS定位模塊實(shí)時(shí)跟蹤測試人員的運(yùn)行軌跡，當(dāng)監(jiān)測到其坐標(biāo)處于非正常跑道區(qū)域內(nèi)時(shí)，判斷其為作弊行為。判別方法如圖8所示。

圖8 捷徑作弊判別示意

假設(shè)有4個(gè)點(diǎn)：A,B,C,D，將其GPS定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至以跑道中心為零點(diǎn)的直角坐標(biāo)系內(nèi)，需要判別其是否在非跑道區(qū)域內(nèi)(A和C點(diǎn)在跑道區(qū)域內(nèi)，C和D在非跑道區(qū)域內(nèi))。首先判斷各點(diǎn)x軸坐標(biāo)的絕對(duì)值，若小于等于跑道直線段長度，則認(rèn)為其在矩形范圍內(nèi)，再判斷其y軸坐標(biāo)絕對(duì)值，若小于跑道寬度，則判別其在非跑道區(qū)域內(nèi)，屬于作弊行為。若各點(diǎn)x軸坐標(biāo)的絕對(duì)值大于跑道直線段長度，則需要判斷各點(diǎn)是否在圓弧區(qū)域內(nèi)。此時(shí)使用點(diǎn)到圓形距離公式能夠判斷其是否在非跑道區(qū)域內(nèi)。使用數(shù)學(xué)公式表示上述判斷過程如下：

1)矩形區(qū)域內(nèi)外判別：在矩形區(qū)域內(nèi)為|xi|≤L/2;在弧形區(qū)域內(nèi)為|xi|>L/2。

2)矩形區(qū)域內(nèi)作弊判別：各點(diǎn)在跑道區(qū)域內(nèi)為|yi|≥B/2;各點(diǎn)在非跑道區(qū)域內(nèi)為|yi|

3)弧形區(qū)域內(nèi)作弊判別：各點(diǎn)在跑道區(qū)域內(nèi)為(xi-R-L/2)2+(yi-R)2≥R;各點(diǎn)在非跑道區(qū)域內(nèi)為(xi-R-L/2)2+(yi-R)2

4 跑步測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

4.1 跑步測試計(jì)時(shí)實(shí)驗(yàn)

使用本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)與人工計(jì)時(shí)方式進(jìn)行對(duì)比。使用高精度光學(xué)測量方法得到的成績作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。參與測試人員50名，測試類型為1 000 m。能夠得到使用本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)與人工計(jì)時(shí)方式下，50名測試人員第一次、第二次經(jīng)過終點(diǎn)線以及到最終達(dá)終點(diǎn)時(shí)的計(jì)時(shí)誤差如圖9所示。

圖9 本文研究的計(jì)時(shí)系統(tǒng)與人工計(jì)時(shí)的誤差對(duì)比

可以看出，跑步測試人員進(jìn)行1 000 m測試時(shí)需要3次經(jīng)過終點(diǎn)線，由人工計(jì)時(shí)的誤差出現(xiàn)了明顯的隨機(jī)性，計(jì)時(shí)結(jié)果不穩(wěn)定，而由本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)得到的計(jì)時(shí)誤差穩(wěn)定性好，基本能夠真實(shí)反映出測試者的真實(shí)成績。

4.2 捷徑作弊監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

使用本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)捷徑作弊判別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)令4名測試人員中2名人員正常跑步，另外 2人隨機(jī)地點(diǎn)選擇捷徑跑向終點(diǎn)，查看跑步測試系統(tǒng)界面上對(duì)測試人員的跑步監(jiān)測軌跡，如圖10所示。

圖10 捷徑作弊監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)捷徑作弊判別，測試人員在正確跑道內(nèi)的軌跡為正常顏色和線性，當(dāng)測試人員偏離跑道，選擇捷徑時(shí)，線性和顏色發(fā)生變化，提示監(jiān)控人員，并將此次成績作廢。

5 結(jié) 論

使用本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)與人工計(jì)時(shí)方式進(jìn)行對(duì)比。由人工計(jì)時(shí)的誤差出現(xiàn)了明顯的隨機(jī)性，計(jì)時(shí)結(jié)果不穩(wěn)定，而由本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)得到的計(jì)時(shí)誤差穩(wěn)定性好，基本能夠反映出測試者的真實(shí)成績。本文設(shè)計(jì)的跑步測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)捷徑作弊判別，當(dāng)測試人員偏離跑道，系統(tǒng)能夠提示監(jiān)控人員，并將此次成績作廢。