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面向中長跑體能測試的RFID設(shè)計與實現(xiàn)

2017-02-16 10:59李慶功
現(xiàn)代電子技術(shù) 2017年1期

李慶功

摘 要: 將RFID無線射頻技術(shù)應(yīng)用于中長跑的體能測試計時,以我國標(biāo)準(zhǔn)400 m跑道為例設(shè)計RFID自動計時系統(tǒng)的無線閱讀器布局,使用頻率為2.4 GHz的閱讀器對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別。針對基于RFID的中長跑自動計時系統(tǒng)的無線閱讀器和電子標(biāo)簽進(jìn)行硬件設(shè)計,并使用幀時隙ALOHA算法實現(xiàn)多個運(yùn)動員同時進(jìn)入閱讀器識別范圍內(nèi)的防碰撞處理。使用定位算法對閱讀器識別范圍內(nèi)的運(yùn)動員進(jìn)行定位,確定運(yùn)動員成績。最后通過實驗方法驗證基于RFID的中長跑自動計時系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞: RFID; 體能測試; 自動計時; 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)。通過相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出我國學(xué)生體質(zhì)狀況越來越差,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)的肥胖疾病開始在青少年身上出現(xiàn),而且患病率逐漸提升,因此我國陸續(xù)制定了相關(guān)的措施來避免學(xué)生過度肥胖,以達(dá)到維護(hù)我國學(xué)生體質(zhì)健康的目的[1]。

在對學(xué)生個人身體素質(zhì)進(jìn)行衡量的過程中,中長跑測試是主要的衡量指標(biāo)。攝像法、光學(xué)法以及人工手動計時法是目前國內(nèi)運(yùn)動計時采用的主要方法。實際上人工手動計時存在一定的缺陷,首先運(yùn)動成績需要由專門的人員進(jìn)行記錄,而且可以認(rèn)為改寫記錄的成績,如果兩個運(yùn)動員同時到達(dá)終點就會有較強(qiáng)的人為操作性,無法產(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,但是在個體識別方面不能發(fā)揮較好的效果[2?3]。

作為一種非接觸自動識別技術(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,具有較快的識別速度,通過和定位技術(shù)的相互結(jié)合能夠在局部區(qū)域內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行定位[4]。

本文使用RFID技術(shù)實現(xiàn)中長跑體能測試的自動計時系統(tǒng),避免人工手動計時的誤差,降低人工勞動的強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

由圖1可以看出,由于跑道長度和面積不算大,并且基于RFID的自動計時關(guān)注的重點是在跑道終點處標(biāo)簽(運(yùn)動員)的識別和計時,因此使用頻率為2.4 GHz的閱讀器即可實現(xiàn)對電子標(biāo)簽的識別,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的中長跑自動計時系統(tǒng)的工作原理是:首先利用天線閱讀器將射頻信號向外發(fā)射,進(jìn)而對工作范圍內(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頻率決定了閱讀器的工作范圍;其次如果標(biāo)簽沒有超過閱讀器的工作范圍就可以激活射頻信號,在產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程中標(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)過解調(diào)和解碼獲得相關(guān)數(shù)據(jù),通過I/O接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)上[7]。

2 RFID計時硬件系統(tǒng)

基于RFID的中長跑自動計時系統(tǒng)硬件部分主要包括無線閱讀器和電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由電池供電,以腕表的形式系掛在運(yùn)動員手腕上。無線閱讀器在跑道終點線上以一定規(guī)則布置。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

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

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)動射頻信號閱讀器就能夠?qū)⒎秶鷥?nèi)的標(biāo)簽激活,標(biāo)簽返回信號再被天線接收的過程中就能夠?qū)崿F(xiàn)與標(biāo)簽之間的通信,這樣就可以對表現(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]。

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

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

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

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

(4) RS 232通信模塊連接上位機(jī)和閱讀器,對電子標(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芯片實現(xiàn)無線閱讀器與上位機(jī)的通信,上傳運(yùn)動員的跑步成績。

3 RFID計時軟件系統(tǒng)

3.1 防碰撞算法

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

時分多址中信息的傳輸是通過不同的時隙實現(xiàn)的,能夠按照時間劃分整個信道,這樣同一個信道就不會被多個標(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。

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

幀的時隙數(shù)在該算法中是固定不變的,大小為同時時隙的長度應(yīng)當(dāng)和標(biāo)簽完成信息傳輸所需要的時間一致。當(dāng)時隙只有一個標(biāo)簽時就可以成功讀取標(biāo)簽信息;當(dāng)時空時隙向下一個時隙跳轉(zhuǎn),產(chǎn)生碰撞時,需要等到這個幀結(jié)束后,再對相關(guān)的時隙進(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)時間定位算法計算運(yùn)動員到達(dá)終點的時間。在計算點與點之間的距離時主要通過兩點之間數(shù)據(jù)信號傳輸所耗費(fèi)的時間進(jìn)行計算。根據(jù)公式對于超聲波以及電磁波等測量信號,在獲悉其波速以后就可以通過對兩者之間信號傳播時間的測定得到兩者之間的相對距離[11]。

設(shè)為需要定位的電子標(biāo)簽,如果只存在一個測量參考點,那么就只能對點的相對位置進(jìn)行測量,該點在以為半徑,為圓心的圓周上。如果存在兩個參考點,那么兩個點為圓心所對應(yīng)的圓會產(chǎn)生兩個交點,因此兩個交點中的一點為的位置,但是對于具體的點無法確定。如果存在三個參考點和可以得到三個點(A,B,C)的相對距離,然后通過解析幾何就可以對點的位置進(jìn)行計算。因此只要三個參考點不處在同一條直線上就能夠準(zhǔn)確地對點進(jìn)行定位。定位算法原理如圖6所示[12]。

4 RFID計時系統(tǒng)實驗

通過實驗方法驗證本文研究的基于RFID的中長跑自動計時系統(tǒng)。使用人工計時的方式與本文研究系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。利用100名運(yùn)動員進(jìn)行1 000 m測試,起點和終點如圖1所示。運(yùn)動員需要經(jīng)過三次終點線才能完成1 000 m的測試,分別使用人工計時的方式與本文研究的自動計時系統(tǒng)的部分記錄成績?nèi)绫?,表2所示。

使用光學(xué)測量方法對運(yùn)動員的1 000 m測試成績進(jìn)行記錄,認(rèn)為該成績?yōu)檎鎸嵆煽儭S捎诠鈱W(xué)測量方法的硬件系統(tǒng)和成績處理復(fù)雜,因此僅在實驗中應(yīng)用。使用人工計時的方式與本文研究系統(tǒng)與運(yùn)動員的真實成績進(jìn)行對比,對比曲線如圖7所示。

可以看出,本文研究的自動計時系統(tǒng)記錄的成績穩(wěn)定性好,誤差能夠控制在一定范圍內(nèi),并且誤差比人工計時方式更小,使用人工計時方式的誤差波動較大,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

本文對使用RFID技術(shù)的中長跑體能測試的自動計時系統(tǒng)硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,避免人工手動計時的誤差,降低人工勞動的強(qiáng)度。通過實驗驗證本文研究的基于RFID的中長跑自動計時系統(tǒng),結(jié)果表明,本文研究的自動計時系統(tǒng)記錄的成績穩(wěn)定性好,誤差能夠控制在一定范圍內(nèi),并且誤差比人工計時的方式更小,使用人工計時方式的誤差波動較大,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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