基于STC12系列單片機的多功能運動軌跡記錄裝置設計

武警警官學院 河北 廊坊 065000

引言

傳統(tǒng)中長跑測試考核如1500米、3000米、5000米等,一般采用人工掐秒表的方法對成績進行記錄。這樣不但需要耗費大量物力、人力,而且人工計時和記錄差錯較多。同時,在防作弊方面,采用人工監(jiān)督的方式,可能出現(xiàn)人為包庇參考人員的行為,影響考核公平公正。目前,市面上的考評設備多采用射頻技術(shù),能夠計時計圈,具用計時精確、響應速度快、電源充足的特點[1]。但仍存在設備成本高昂,設備組件復雜,操作維修困難,無法有效檢測替考、抄近道等作弊行為的問題。借鑒巡更系統(tǒng)的巡邏打卡和軌跡記錄技術(shù)[2],可設計一款基于運動軌跡記錄的系統(tǒng),用于輔助巡邏執(zhí)勤,加強安防建設。

1 系統(tǒng)整體設計

本設計立足于現(xiàn)有中長跑考核設備和巡邏打卡設備,設計出一套可跑步計時、巡邏打卡、檢測心率、違規(guī)報警的運動軌跡記錄裝置。利用多機無線通信技術(shù),設備可以探測到人員位置,并借助算法自動生成軌跡記錄。設備對運動軌跡數(shù)據(jù)進行分析處理,進而實現(xiàn)中長跑計時和巡邏打卡。該系統(tǒng)以電磁波為傳輸介質(zhì),省去復雜的線路,具有成本低、功耗小等優(yōu)點。此外,利用心率檢測傳感技術(shù),還能實現(xiàn)檢測人員生命體征和防作弊替考的功能[3]。

裝置由環(huán)線設備和攜帶設備組成,兩者均應用無線通信技術(shù)進行信息傳遞,經(jīng)過各種主控模塊分析處理后,調(diào)控各功能模塊,進而實現(xiàn)裝置的功能。根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),系統(tǒng)軟件分為攜帶設備控制軟件和環(huán)線設備控制軟件。多功能運動軌跡記錄裝置總體軟件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多功能運動軌跡記錄裝置總體軟件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

攜帶設備是一款可穿戴的設備,攜帶設備的無線通信模塊接收到信號后,對其進行分析處理,通過調(diào)控計時、顯示、報警、心率檢測等模塊,進而完成跑步計時、巡邏打卡和違規(guī)報警的功能。攜帶設備電路分為單片機主控模塊、無線通信模塊、計時模塊、心率檢測模塊、聲光報警模塊、按鍵輸入模塊、信息綜合顯示模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊。攜帶設備硬件電路見圖2。

圖2 攜帶設備硬件電路圖

攜帶設備的主控模塊負責讀取信號、處理信號、記錄軌跡和調(diào)控外圍模塊,選擇STC12C5A60S2單片機作為主控模塊。無線通信模塊用于在攜帶設備和環(huán)線設備之間建立了數(shù)據(jù)交互的橋梁,選用nRF24L01射頻通信作為無線通信模塊。信息綜合顯示模塊負責顯示時間、跑步成績、圈數(shù)、巡邏打卡記錄等信息,選用OLED顯示模塊顯示綜合信息。計時模塊負責產(chǎn)生實時日期和時間,完成中長跑測試計時和巡邏計時,選擇DS1302時鐘芯片實現(xiàn)計時功能。心率檢測模塊用于檢測使用者生命體征和判斷是否摘取設備,選用Pulsesensor心率脈沖傳感器,實現(xiàn)心率檢測功能。聲光報警模塊發(fā)出聲光警示信號,以達到報警目的,選用蜂鳴器報警和紅色發(fā)光二極管。按鍵輸入模塊用于設置相關參數(shù),與顯示器共同實現(xiàn)人機交互操作。電源轉(zhuǎn)換模塊為設備提供穩(wěn)定的電源,選擇鋰電池供電和LM1117系列穩(wěn)壓芯片調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓。

攜帶設備的工作狀態(tài)有待機狀態(tài)和功能運行狀態(tài),功能模式有跑步模式和巡邏模式。待機狀態(tài)下,OLED顯示器顯示主頁,可設置功能模式和查詢軌跡記錄。功能運行狀態(tài)下,設備鎖死按鍵,定時檢測心率,等待接收環(huán)線設備標號。當有信號傳輸時,讀取和處理標號,并記錄時間,形成運動軌跡記錄。當出現(xiàn)替考、抄近道等違規(guī)情況,設備進行聲光報警,并顯示違規(guī)類型。跑步模式下,單片機調(diào)用計時模塊,顯示器顯示跑步計時界面。巡邏模式下,顯示器顯示巡邏打卡界面,打卡后形成記錄。

環(huán)線設備是一組發(fā)射臺,通過發(fā)射環(huán)線設備標號,以便攜帶設備確定使用者的位置。環(huán)線設備電路分為單片機主控模塊電路、無線通信模塊、信號顯示模塊、按鍵輸入模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊。環(huán)線設備硬件見圖3。環(huán)線設備的主控模塊負責協(xié)調(diào)控制各個模塊,選擇和攜帶設備相同的STC12C5A60S2單片機。無線通信模塊負責發(fā)送設備標號,元器件選擇與攜帶設備相同。信號顯示模塊負責顯示設備標號和設備工作狀態(tài),僅要求顯示數(shù)字,LED數(shù)碼管能夠滿足。按鍵輸入模塊用于設置標號和轉(zhuǎn)換設備工作狀態(tài),選用獨立按鍵和74HC08四輸入與門。電源轉(zhuǎn)換模塊負責為無線通信模塊和主控模塊提供穩(wěn)定電源,環(huán)線設備是可移動的裝置,選擇于易于購買的更換的干電池即可。

3 結(jié)論

本文了一款基于STC12系列單片機的多功能運動軌跡記錄裝置。由于自身時間和能力有限,設計本身仍然存在一些問題。如:心率檢測功能不全面,設備只是簡單判斷是否檢測到心率,未能計算處準確的心率值,可改進用于實時檢測心率、血氧。實物尺寸有待減小,可改進為智能手環(huán)等隨身設備[4]。