室外運動場中長跑項目自動計時計圈系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐濟(jì)仁，郭云輝，戴衛(wèi)標(biāo)

（1 國防科技大學(xué) 電子對抗學(xué)院，合肥 230037；2 南京泉匯川網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，南京 210000）

0 引言

長期以來，運動中的計時都是通過人工操作來實現(xiàn)的，不僅數(shù)據(jù)量大、勞動強(qiáng)度高、容易出錯，而且失去了實時性的意義。許多長跑項目（如5000 m、10 km 競走、20 km 競走等）都有數(shù)十或數(shù)百名學(xué)生參加。手工方法不僅難以準(zhǔn)確記錄每個學(xué)生的排名和成績，而且還需要大量的評委，如此也還不能保證真實性與精確性。又因距離遠(yuǎn)、時間長、場面宏大、組織管理困難，雖然有成熟的自動電子定時終端設(shè)備，但對于一百多名學(xué)員和日常訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)備一直也不完全適合這種應(yīng)用場景，不能完全準(zhǔn)確地記錄每個學(xué)員的排名和成績。例如，在3000 m 比賽中，由于運動員人數(shù)眾多，第一個人和最后一個離開起跑線的人之間有很長的時間間隔。沒有準(zhǔn)確的計時裝置，就會造成不公平競爭。近年來，軍隊院校加強(qiáng)了對在職干部的體育訓(xùn)練和體育教學(xué)績效考核。牽涉到很多人。如此則亟需研發(fā)一個自動計時系統(tǒng)，伴隨著干部培訓(xùn)考核的始終。特別是在比賽中配備RFID 的計數(shù)計圈系統(tǒng)來實現(xiàn)自動計時計圈，準(zhǔn)確解讀學(xué)生的排名和成績，保證比賽的公開、公正、公平。

本課題的設(shè)計采用非接觸式遠(yuǎn)程無線有源電子標(biāo)簽（RFID）來記錄測試儀的計時。該設(shè)計方法還可以實現(xiàn)末端位置識別誤差小，防止人為操作重寫時間等問題，且試驗操作方便、快速、準(zhǔn)確、公平，縮短了試驗時間。

該系統(tǒng)結(jié)合了無線射頻識別（RFID）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的優(yōu)點，兩者相輔相成，更適合長途移動定時。

1 基于RFID 運動計時系統(tǒng)

研究可知，運動計時多數(shù)情況下仍還停留在手工記錄的水平，如肉眼識別或攝像機(jī)監(jiān)控，不僅效果差，而且容易出錯，無法得到觀察學(xué)生的詳細(xì)信息，因此難以做到實時、自動觀察。這就直接導(dǎo)致得到的觀察結(jié)果也不能用來對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)管理。

RFID 技術(shù)在體育計時中的應(yīng)用有助于解決上述問題?；赗FID 運動計時系統(tǒng)，將電子標(biāo)簽綁定到觀察學(xué)生身上，并在跑道內(nèi)等關(guān)鍵觀察位置安裝閱讀器。當(dāng)學(xué)生經(jīng)過測評者的閱覽區(qū)時，測評者將得到的信息傳遞給后臺計算機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)對學(xué)生的實時觀察。

學(xué)生的日常訓(xùn)練和比賽都有自己的獨有特點，如人數(shù)多、組織復(fù)雜、管理困難等，所以要求RFID觀測時間系統(tǒng)具有閱讀距離長、閱讀精度高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點。

綜合考慮，系統(tǒng)選擇如下：

（1）915 MHz 工作頻段。一般來說，高頻段能量高，適合遠(yuǎn)程應(yīng)用。此外，915 MHz 工業(yè)控制頻段無線通信不需要無線電控制委員會的批準(zhǔn)，也不需要支付頻譜占用費用。

（2）無源電子標(biāo)簽。無源電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)送的信號到電子標(biāo)簽的反饋信號需要經(jīng)過雙倍的空間距離，特別是遇到障礙物的情況下，需要經(jīng)過2 次障礙物。被動標(biāo)簽只通過障礙物發(fā)送一次信號。

（3）只讀標(biāo)簽。電子標(biāo)簽只需要存儲序列號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不需要頻繁更改標(biāo)簽內(nèi)容。因此，選擇只讀電子標(biāo)簽。標(biāo)簽內(nèi)存容量為96 字節(jié)。

（4）卡片電子標(biāo)簽。主要用于學(xué)生粘貼，便于粘貼或安裝在固定部件上。

（5）固定式讀卡器。計時過程中，讀卡器只需固定在軌道內(nèi)側(cè)，無需手持讀卡器。

（6）讀卡器接口。讀卡器采用RS232 接口，RS232 是最常用的串口與計算機(jī)通信，這樣就能降低系統(tǒng)的總成本。

2 軟件需求與總體分析

通過對系統(tǒng)的需求分析，研究可知系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為3 個部分：賽前數(shù)據(jù)管理、賽間數(shù)據(jù)管理和賽后數(shù)據(jù)管理。對此擬做探討表述如下。

（1）賽前數(shù)據(jù)管理。在比賽前，運動員的相關(guān)數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中綁定到the RFID 電子標(biāo)簽本身的唯一ID 號，如此一來標(biāo)簽用戶將通過RFID閱讀器進(jìn)行初步存儲。

（2）比賽期間的數(shù)據(jù)管理。當(dāng)攜帶RFID 電子標(biāo)簽的運動員經(jīng)過讀寫器的時候，通過電磁場的互相耦合，就可以讀出運動員的唯一RFID 標(biāo)識號。研究中對運動員每次通過讀寫器時間加以處理，就可以對運動員進(jìn)行自動的計時計圈，同時將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。再通過系統(tǒng)的后臺處理進(jìn)行實時顯示或打印，一并也可以分享給裁判和現(xiàn)場觀眾。

（3）比賽結(jié)束后的數(shù)據(jù)管理。選手從終點線出發(fā)，通過讀取RFID 電子標(biāo)簽用戶信息存儲區(qū)域，并對比數(shù)據(jù)庫中早期收到的信息，核對比賽時間和定位數(shù)據(jù)，可以提高時間和定位的準(zhǔn)確性，為比賽裁判提供有效的依據(jù)，并能打印出相關(guān)的業(yè)績報告。

2.1 系統(tǒng)組成與功能

整個系統(tǒng)主要由5 個子系統(tǒng)組成，分別是：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、學(xué)生注冊子系統(tǒng)、在線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、學(xué)生成績實時發(fā)布子系統(tǒng)、輔助分析與決策系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由每個RFID 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，其他4 個子系統(tǒng)構(gòu)成軟件環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)參見圖1。這里對各子系統(tǒng)的功能解析可給出闡釋分述如下。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

（1）學(xué)生注冊子系統(tǒng)。主要是為運動員和RFID 電子標(biāo)簽的ID 號建立一定對應(yīng)關(guān)系，并將這種對應(yīng)關(guān)系存儲在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。重點是在為RFID電子標(biāo)簽的ID 號建立一定對應(yīng)關(guān)系后即可進(jìn)行建立、修改、查詢等操作，同時還可以打印出各種各樣的統(tǒng)計報表，并適時進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

（2）在線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。在400 m 的標(biāo)準(zhǔn)跑道上設(shè)置2 個節(jié)點，每一個節(jié)點配置一個RFID 讀寫器。讀寫器每隔一個固定時間（通常都會設(shè)置為100 ms）讀入位于讀寫器范圍之內(nèi)的所有的電子標(biāo)簽的唯一識別號（UID）和時間。讀入的UID 標(biāo)識號存入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。該子系統(tǒng)具有自檢、自動診斷和自動排除故障等功能。

（3）數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。主要對采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析，包括RFID 電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)和各傳感器采集數(shù)據(jù)，綜合評估學(xué)生在環(huán)境和物理因素的情況下可以得到什么樣的結(jié)果。

（4）學(xué)生成績實時發(fā)布子系統(tǒng)。子系統(tǒng)通過UID 唯一標(biāo)識符對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，可以計算出學(xué)生的運動成績，并進(jìn)行排序、查詢、插入、刪除等操作，此外，可以通過操場的大屏幕系統(tǒng)進(jìn)行顯示。此外，還可以通過打印機(jī)對學(xué)生的成績進(jìn)行打印，并會在適時予以發(fā)布。

（5）輔助分析與決策軟件。通過對學(xué)生體育成績的分析，并與優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行比較，找出差距，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及以下2 個方面。一方面是采用了弱方向性天線，這樣整個讀寫器的讀寫范圍比較大，丟數(shù)據(jù)的可能性就會很小。另一方面是通過誤差修正來進(jìn)一步減少系統(tǒng)的計時誤差。

本系統(tǒng)中的讀寫器和電子標(biāo)簽，都是采用直接采購的方式，用的都是目前在開發(fā)上已臻至完備的讀寫器和電子標(biāo)簽，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。采用的頻率是UHF915 MHz 高頻，電子標(biāo)簽也是同樣的頻率。對系統(tǒng)設(shè)計中仍有待研究解決的技術(shù)問題，可做具體闡述如下：

（1）基于RFID 協(xié)議構(gòu)建WSN。

（2）多名運動員同時通過讀寫器時相互之間發(fā)生碰撞的問題。學(xué)員跑步時攜帶的電子標(biāo)簽都是同一頻率，所以當(dāng)多名學(xué)員同時進(jìn)入讀寫器范圍時，就會出現(xiàn)互相干擾、即碰撞。

（3）運動員速度過快，系統(tǒng)會來不及響應(yīng)。

（4）系統(tǒng)設(shè)計時軟、硬件方面的工程實現(xiàn)問題。主要是RFID 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、自主開發(fā)與設(shè)計、制作PCB、波峰焊以及用于管理的主機(jī)軟件設(shè)計。

2.3 系統(tǒng)主要功能

（1）適用于部隊與院校各種規(guī)模和檔次的體育考試、體能測試，體育中考、高考的中長跑。

（2）主要性能與技術(shù)參數(shù)。具體內(nèi)容如下：

①具備RFID 卡自動編碼識別功能，可以與學(xué)員佩戴號碼進(jìn)行捆綁。

②可測試任意長度中長跑項目，全程自動化。測試誤差小于1 s，分辨度為0.1 s。③實時顯示人員編號、測試圈數(shù)、測試成績等。④具有IC 卡與編號識別、成績自動生成排序、以及儲存、查詢、篩選數(shù)據(jù)等功能。

（3）與行業(yè)內(nèi)的中長跑計時系統(tǒng)相比，有以下特點：

①RFID 卡識別率為100%，不會丟失數(shù)據(jù)。這是非常重要的。

②RFID 卡片用別針系于測試者后背，操作簡單。人員不受限制。

③配備攝像和校對時間的功能。

④具有智能判斷犯規(guī)和防作弊功能。

⑤語音提示。語音提示人數(shù)可調(diào)整，語音提示內(nèi)容，如“0019，1.5 圈，12 min 13 s”。

計時系統(tǒng)在干部體能達(dá)標(biāo)測試中的場景圖，如圖2 所示。

圖2 計時系統(tǒng)在干部體能達(dá)標(biāo)測試中的場景圖Fig.2 Scene diagram of timing system in cadre physical fitness standard test

2.4 本項目創(chuàng)新點

（1）本文通過將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和射頻識別技術(shù)（RFID）進(jìn)一步融合，應(yīng)用于中長跑的計時，并進(jìn)行輔助分析，提高了整個計時系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性。在標(biāo)準(zhǔn)的400 m 跑道上，可以同時設(shè)置2 個、4 個或者是6 個節(jié)點，系統(tǒng)的擴(kuò)展性良好。同時，可以沿著一個比較長的、任意設(shè)置的路徑，自由設(shè)置節(jié)點，系統(tǒng)的靈活性好。

（2）通過節(jié)點的讀寫器讀入運動員的電子標(biāo)簽信息，并存入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。利用對數(shù)據(jù)庫的插入、刪除、排序等操作可以實時地獲取運動員的成績并進(jìn)行發(fā)布。這些信息的準(zhǔn)確獲取就可全面感知運動員在運動場的狀態(tài)，為下一步的輔助分析和決策提供基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計了一種基于WiFi 的WSN 網(wǎng)絡(luò)，具有判斷犯規(guī)和防作弊功能。一開始，準(zhǔn)備借助移動運營商網(wǎng)絡(luò)，如中國移動、或中國聯(lián)通。但這需要增加用戶額外的開銷。后來經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡，決定在外場組建基于WiFi 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過若干個無線路由WiFi 組成一個外場網(wǎng)絡(luò)，相互傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。賽場范圍完全是一個內(nèi)網(wǎng)，不增加用戶任何的額外開銷。

在400 m 跑道的不同位置部署2 個RFID 傳感器節(jié)點。一個在終點，稱主測試節(jié)點。另一個距離終點200 m，稱從測試節(jié)點。每跑一圈，產(chǎn)生2 個點的數(shù)據(jù)。干部體能達(dá)標(biāo)考核3000 m 長跑時，共產(chǎn)生16 個點的數(shù)據(jù)，并通過基于WiFi 的WSN 網(wǎng)絡(luò)將2 個RFID 傳感器節(jié)點信息匯聚起來，傳送到中心計算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理。

（4）通過輔助分析軟件，且與優(yōu)秀學(xué)員成績加以比對，找出“為什么跑步成績不理想，問題出在哪里”的癥結(jié)所在，有針對性地進(jìn)行訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效果。

（5）電子標(biāo)簽采用獨特的雙環(huán)連接技術(shù)，用別針系于學(xué)員的后背。學(xué)員在跑步過程中，由于電子標(biāo)簽采用獨特的雙環(huán)連接，一方面可以在空中自由旋轉(zhuǎn)，切割磁力線，獲得額外的感應(yīng)電動勢，縮短感應(yīng)器充電及讀取數(shù)據(jù)時間，進(jìn)一步保證了RFID 的高識別率。另一方面，在空中自由旋轉(zhuǎn)的電子標(biāo)簽，可以部分避開前后學(xué)員的遮擋，降低了電磁波的損耗，同時也縮短了感應(yīng)器充電及讀取數(shù)據(jù)時間。

3 結(jié)束語

本成果屬于近場通信與計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，針對學(xué)員中長跑訓(xùn)練或比賽缺少自動計時計圈系統(tǒng)、測試成績時耗費大量人力財力等（軍事）需求及不足，通過射頻識別（RFID）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的使用，自動記錄中長跑學(xué)員的跑步圈數(shù)、成績，保證了比賽的準(zhǔn)確性、可靠性和公平性。不僅如此，研究還提供了學(xué)員中長跑成績的評估結(jié)果，借助于輔助分析軟件，及時發(fā)現(xiàn)問題，找出差距，提升訓(xùn)練效果。本系統(tǒng)性價比很高，便于大范圍推廣。

本文立足于體育徑賽自動記圈系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行研究，提出了利用現(xiàn)有RFID技術(shù)、WSN 來完成對數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，從而以非人工的方式對運動員行進(jìn)的圈數(shù)實現(xiàn)自動統(tǒng)計。

本項目應(yīng)用場合有2 個。一是多學(xué)員的運動比賽和計時。二是用于日常訓(xùn)練，解決學(xué)員平時訓(xùn)練過程中缺少計時和評估的問題，通過輔助分析決策軟件，及時找出和發(fā)現(xiàn)問題，有針對性地開展訓(xùn)練，使日常訓(xùn)練能夠獲得更好的效果。

本系統(tǒng)安裝與測試手段簡單，便于大范圍推廣。對于軍事院校的學(xué)員尤其重要，也可應(yīng)用于各種場合的運動計時比賽。目前預(yù)研工作已經(jīng)完成階段性的成果，樣機(jī)在學(xué)院干體能測試3000 m 長跑中進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了令人滿意的成效。