胡志明+魏振鋼+張小龍+柏長財

摘要：隨著近年來國家對青少年體質(zhì)健康測試重視程度的不斷提升，傳統(tǒng)體質(zhì)測試暴露出越來越多弊端，諸如數(shù)據(jù)混亂、誤差過大、容易丟失等。為改善傳統(tǒng)體質(zhì)測試的弊端，設(shè)計了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)生體質(zhì)健康測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android中央控制器、路由器終端3部分，可實現(xiàn)學(xué)生體質(zhì)測試的自動化，通過Android端可以實時顯示學(xué)生體質(zhì)測試成績。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運行流暢，達到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：體質(zhì)測試；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；Android移動端

DOIDOI：10.11907/rjdk.171560

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011005404

0引言

青少年體質(zhì)是關(guān)系到國家興旺和民族振興的百年大計[1]。但是近年來青少年學(xué)生體質(zhì)不斷下降，因此加強學(xué)生體質(zhì)鍛煉、完善學(xué)生體質(zhì)測試體系顯得尤為重要。傳統(tǒng)的體質(zhì)健康測試往往形式單一、內(nèi)容單調(diào)，測試的公開、公正性難以保證。而且測試結(jié)果沒有給學(xué)生及時反饋，讓學(xué)生了解自己的體質(zhì)健康狀態(tài)，從而對薄弱項目進行針對性訓(xùn)練。由于工作量大、學(xué)生人數(shù)眾多，加上很多學(xué)校為了各種利益關(guān)系，對現(xiàn)場測試進行干預(yù)，嚴重影響了體質(zhì)健康測試的真實性與準確性[2]。同時，學(xué)生體質(zhì)健康測試項目大多由人工進行統(tǒng)計，其中主觀因素太多，容易導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不準確甚至丟失。

基于以上情況，本文設(shè)計了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)生體質(zhì)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用常見的Android系統(tǒng)作為設(shè)備控制端，以新興的低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為傳輸中介[3]，不僅能夠自動測試出學(xué)生百米跑、折返跑、仰臥起坐等項目成績，還可以將測試成績實時顯示在平板終端上。與傳統(tǒng)體質(zhì)測試相比，保證了測試的公平公正性，減少了體育教師工作量，有效解決了傳統(tǒng)體質(zhì)測試中存在的弊端。

1系統(tǒng)工作原理

學(xué)生體質(zhì)健康測試系統(tǒng)是集無線傳感技術(shù)與計算機軟硬件技術(shù)于一體的智能化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要工作原理如下：Android平臺通過USB轉(zhuǎn)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，協(xié)調(diào)器再通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)廣播給路由器終端，路由器終端接收到指令解析后，啟動終端上的光電感應(yīng)器并發(fā)出光聲信號作為提示；用戶收到光聲信號后迅速遮擋終端上的光電感應(yīng)器，遮擋后感應(yīng)器關(guān)閉，并記錄下感應(yīng)器啟動和關(guān)閉的時間差，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將時間數(shù)據(jù)及終端編號返回給中央控制器；中央控制器解析出返回的數(shù)據(jù)，以此作為依據(jù)進行下一步操作。通過Android中央控制器控制感應(yīng)器的啟停，從而得出時間差值，進而測出學(xué)生體測成績。體質(zhì)健康測試系統(tǒng)由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android中央控制器、路由器終端3部分組成，如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件模塊

2.1終端感應(yīng)模塊

終端節(jié)點主要包含紅外收發(fā)傳感器和數(shù)據(jù)處理與無線通信模塊，主要負責傳感器數(shù)據(jù)的采集與上傳、協(xié)調(diào)器命令的接收與解析。

紅外收發(fā)器由發(fā)送端和接收端兩部分組成，發(fā)送端采用控制電路將待發(fā)送的信號編碼轉(zhuǎn)換為脈沖信號，通過發(fā)射管經(jīng)透鏡發(fā)射紅外信號。當紅外線被物體遮擋時，會產(chǎn)生反射和散射。紅外接收端采用性能可靠的一體化紅外接收頭接收信號，同時將接收的信號放大、檢波并整形，最終得到TTL電平的編碼信號，再發(fā)送給控制電路解碼并進行相關(guān)操作。

數(shù)據(jù)處理和無線通信模塊采用CC2530作為主控芯片，它是一款由德州儀器公司研制，主要應(yīng)用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的芯片。當無線通信模塊收到中央控制器發(fā)來的指令后，由CC2530核心模塊進行數(shù)據(jù)處理分析，并對其它電路和元器件發(fā)出指令。當無線收發(fā)器需要向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將紅外收發(fā)器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由CC2530核心模塊對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后發(fā)送出去。

2.2中央控制器

作為系統(tǒng)的控制中心，負責整個系統(tǒng)運行、網(wǎng)絡(luò)組建、感應(yīng)器控制、指令接收和發(fā)送以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實時接收、展示及維護。

中央控制器由Android平板和Zigbee協(xié)調(diào)器組成，平板的USB轉(zhuǎn)串口（UART）連接ZigBee協(xié)調(diào)器。Android平板端將命令通過USB串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過無線傳輸方式發(fā)送給終端節(jié)點；同樣協(xié)調(diào)器接收到終端發(fā)來的消息之后傳送給串口，Android端讀取串口信息后進行數(shù)據(jù)分析與處理。

3無線通信

無線通信模塊主要是實現(xiàn)中央控制器和多個移動終端感應(yīng)器之間的數(shù)據(jù)交互。鑒于該系統(tǒng)是近距離的感應(yīng)設(shè)備，且要求傳輸安全、可靠、功耗小，因此本系統(tǒng)通訊采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)。ZigBee技術(shù)通常用于短距離無線通信，是一種低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、高安全、近距離無線連接的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]。

WiFi是日常生活中常見的無線網(wǎng)絡(luò)，它與ZigBee存在很多相似之處。兩者都工作在2.4GHz的ISM頻段上，采用的擴頻方式都是DSSS方式。Zigbee有16個信道，WiFi有11個信道，WiFi在國內(nèi)使用1、6、11三個信道，也即是說二者信道選擇會有重疊部分，因此會造成很大干擾[5]。WiFi信道1、6、11，分別與ZigBee的11～14、16～19、21～24信道重疊，與15、20、25、26信道不重疊[6]。為了減少ZigBee信號與WiFi信號之間的干擾，應(yīng)從15、20、25、26這4個信道中選取一個ZigBee的通信信道。

4軟件設(shè)計

4.1通信協(xié)議設(shè)計

由于系統(tǒng)需要控制終端進行多項操作，如開關(guān)里外圈指示燈、感應(yīng)器、燈光顏色等，同時終端感應(yīng)器還需要返回電量、短地址等信息，所以需要對數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行設(shè)計。通信數(shù)據(jù)主要以字節(jié)為單位。表1是協(xié)調(diào)器發(fā)送指令格式。endprint

由于要控制終端進行多種操作，因此需要大量的指令組合，所以將利用功能碼中每個Byte中的比特進行組合。表2是功能碼的詳細描述。

4.2Android端程序設(shè)計

Android客戶端程序可以分為3個模塊：一是數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，這是軟件的核心模塊，主要負責指令的發(fā)送與接收；二是設(shè)備檢測模塊，主要負責查看終端設(shè)備的連接狀態(tài)，獲取終端設(shè)備的電量和短地址；三是體質(zhì)健康測試模塊，主要包括3個項目：折返跑、百米跑和仰臥起坐。

4.2.1數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)前必須先初始化串口，確保USB接口正確連接上了協(xié)調(diào)器模塊。指令發(fā)送是直接將數(shù)據(jù)寫入串口，協(xié)調(diào)器檢測并分析數(shù)據(jù)，再發(fā)送出去。下面是發(fā)送的核心代碼：

private synchronized void sendMessage（String data）{

Timer.sleep（20）；

if （ftDev.isOpen（） == false）{

Log.e（"j2xx"， "SendMessage： device not open"）；

return；}

ftDev.setLatencyTimer（（byte） 128）；

byte[] OutData = data.getBytes（）；

ftDev.write（OutData， data.length（））；

}

協(xié)調(diào)器收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)寫入串口。數(shù)據(jù)接收就是當項目測試開始后，單獨開啟一個接收線程，每隔15ms讀取一次串口。讀取到數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析。

表2功能碼描述

占位數(shù)和功能功能組合

第一個Byte3bit（2-4）指示燈亮顏色000：無效001：藍色010：紅色100：品紅2bit（5-6）控制蜂鳴器00：無效01：短響10：連響一秒11：連響兩秒2bit（7-8）控制指示燈閃爍00：無效01：慢閃10：快閃

第二個Byte3bit（2-4）控制指示燈亮滅000：無效001：開外圈燈010：開里圈燈011：開全部燈100：關(guān)燈3bit（5-7）控制感應(yīng)器000：無效001：開紅外感應(yīng)器010：開觸碰感應(yīng)器011：開兩種感應(yīng)器100：關(guān)閉感應(yīng)器

4.2.2設(shè)備檢測模塊

進入主界面后，當activity的onstart方法執(zhí)行時，開啟檢測設(shè)備的線程。設(shè)備檢測線程每隔10s執(zhí)行一次，連接終端的電量信息，實時更新電量，在onPause方法中結(jié)束該線程。核心代碼如下：

private class AutoCheckPower extends Thread{

private boolean powerFlag = true；

@Override

public void run（）{

while （powerFlag）{

//發(fā)送并獲取全部設(shè)備信息指令

device.sendGetDeviceInfo（）；

//開啟接收電量的線程

new ReceiveThread（handler， device.ftDev，

ReceiveThread.POWER_RECEIVE_THREAD， POWER_RECEIVE）.start（）；

Timer.sleep（10000）；}

}

}

4.2.3體質(zhì)健康測試模塊

（1）百米跑。在每個跑道終點放置一個終端感應(yīng)器，當開始命令發(fā)出后點擊“開始”按鈕，調(diào)用device.sendOrder方法發(fā)送開指示燈和紅外感應(yīng)器命令，同時開啟Timer計時線程。學(xué)生到達終點時會遮擋紅外感應(yīng)器觸發(fā)終端，指示燈熄滅同時返回數(shù)據(jù)。平板接收到數(shù)據(jù)后記錄下時間，該時間即是該跑道對應(yīng)學(xué)生的成績。

（2）折返跑。每兩個終端設(shè)備分為一組，可以多組同時進行，起點和終點位置各放一個。學(xué)生從起點出發(fā)，到達終點后揮滅終點處的感應(yīng)器，再回到起點揮滅起點處的感應(yīng)器，記為一次折返跑。每個感應(yīng)器撲滅5s后會自動開啟。如果學(xué)生偷懶沒有跑到終點即返回，起點的感應(yīng)器會連續(xù)撲滅兩次，系統(tǒng)會將這次判定為犯規(guī)無效，可防止學(xué)生作弊。次數(shù)達到預(yù)設(shè)值時會記下該組所用的總時間。

（3）仰臥起坐。兩個設(shè)備一組，多組同時進行。學(xué)生平躺時一個感應(yīng)器側(cè)放在頭部位置，一個側(cè)放在大腿位置，兩個感應(yīng)器都用支架架起。學(xué)生起來時手肘部會遮擋大腿位置的紅外感應(yīng)器，指示燈滅，同時頭部的感應(yīng)器和指示燈亮起；當學(xué)生躺下后，觸發(fā)頭部位置的感應(yīng)器，指示燈熄滅的同時，腿部的感應(yīng)器打開，記為一次俯臥撐。

5系統(tǒng)功能測試

5.1終端感應(yīng)器連接測試

首先測試無線終端是否能夠自動連接協(xié)調(diào)器。打開APP進入主頁，稍等一會屏幕左側(cè)自動顯示出連接到當前協(xié)調(diào)器的終端列表，同時顯示每個終端的電量信息。設(shè)備終端列表信息如圖3所示。

5.2百米跑測試

終端感應(yīng)器連接成功之后，便可以進行體質(zhì)健康項目測試。百米跑項目首先要選擇分組，分組即設(shè)置幾人同時進行，然后再設(shè)置需要的感應(yīng)模式和燈光顏色等屬性，準備好后點擊開始按鈕。如圖4所示為100m測試成績。

5.3折返跑測試

折返跑需要先選定往返跑的次數(shù)即訓(xùn)練強度，然后選擇同時測試的人數(shù)以及感應(yīng)器屬性，最后點擊開始。測試結(jié)束后可以得出每組學(xué)生折返跑所用的時間。

5.4仰臥起坐測試

仰臥起坐測試需要先設(shè)定訓(xùn)練時間，即多長時間后訓(xùn)練結(jié)束。其次再設(shè)定同時測試的人數(shù)，最后點擊開始按鈕。測試結(jié)束后會顯示每組學(xué)生完成的仰臥起坐個數(shù)。如圖5所示為學(xué)生1分鐘仰臥起坐的成績。

6結(jié)語

本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與學(xué)生體質(zhì)測試相結(jié)合，它能夠快速、便捷地獲取學(xué)生體質(zhì)測試成績，并且實時在平板終端上顯示出來，測試結(jié)束后可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地保存。后期還將進行數(shù)據(jù)與云平臺的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動同步上傳，使學(xué)生能夠自行在網(wǎng)絡(luò)平臺上查看自己的體質(zhì)測試成績，了解自己的身體健康狀態(tài)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本系統(tǒng)將致力于更多應(yīng)用，如運動員體能訓(xùn)練和專項訓(xùn)練等。

參考文獻參考文獻：

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[3]劉敏，譚守標，陳軍寧.基于Android平臺和Zigbee技術(shù)新型智能家居系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012（12）：133136，157.

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[5]張毅，吳錦，羅元，等.新型ZigBeeWiFi無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計及其抗干擾技術(shù)的研究[J].計算機應(yīng)用與軟件，2014（5）：122124，187.

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責任編輯（責任編輯：黃健）endprint