白維維

（凱里學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州，凱里556011）

基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

白維維

（凱里學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州，凱里556011）

本課題是在大型綜合性運(yùn)動會評分系統(tǒng)研究中提出和完成的。根據(jù)國內(nèi)外大型綜合性體育賽事評分類項目的特點(diǎn)，同時借鑒國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況，提出了基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計思想，以達(dá)到可更加快速、有效、可靠的服務(wù)于體育賽事的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是負(fù)責(zé)采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，是整個競賽的主要數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)構(gòu)，因此，在系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用的是典型的C／S模式，該模式具有分布性強(qiáng)，維護(hù)方便，開發(fā)簡單且共享性強(qiáng)，總體成本低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的提出既保障了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性與穩(wěn)定性，也減輕了大型綜合性運(yùn)動會的人力、物力負(fù)擔(dān)。

綜合性運(yùn)動會；評分類項目；無線技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；C／S模式；802．11b標(biāo)準(zhǔn)；TCP／IP協(xié)議

1 引 言

近年來，伴隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展［1］，大型綜合性體育賽事已不是體育競技那么簡單，更是信息技術(shù)含量的較量，信息技術(shù)在大型綜合性體育賽事中的重要性也日漸突出［2］。在以往的比賽中，評分類項目的數(shù)據(jù)采集大量使用手工數(shù)據(jù)。但是評分類項目具有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)眾多、評分裁判座次分散、裁判崗位變化頻率較大等特點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)采集量很大，若全部采用手工數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)人為因素的錯誤，且不能保障其實(shí)時性與穩(wěn)定性，需要耗費(fèi)大量的人力、物力［3］。針對評分類項目的以上特點(diǎn)，設(shè)計了基于無線技術(shù)的前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是負(fù)責(zé)采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，是整個競賽的主要數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)構(gòu)，具有分布性強(qiáng)，維護(hù)方便，開發(fā)簡單且共享性強(qiáng)，總體成本低等特點(diǎn)。本系統(tǒng)已通過集成環(huán)境測試，滿足競賽需求。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

基于無線技術(shù)［4］的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過競賽現(xiàn)場以太網(wǎng)接入整個競賽信息系統(tǒng)，與其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用802．11b無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集器同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行無線通信。

2．1 工作原理

基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、無線AP組成［5］。數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用802．11b無線技術(shù)，通過無線AP接入現(xiàn)場局域網(wǎng)，將裁判針對運(yùn)動員動作的最后評分輸入到數(shù)據(jù)采集器中，通過場館無線局域網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時成績信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器［6］。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理圖

2．2 硬件設(shè)計

基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。設(shè)計方案為：數(shù)據(jù)采集器以S3C2410為硬件依托，通過PCMCIA接口連接無線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)卡為美國網(wǎng)件公司的MA401，采用的是802．11b標(biāo)準(zhǔn)。通過無線接入點(diǎn)AP接入現(xiàn)場局域網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（PC機(jī)）同樣接入現(xiàn)場局域網(wǎng)，這樣數(shù)據(jù)采集器同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器即可按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行無線通信。該方案應(yīng)用的無線技術(shù)是802．11b無線技術(shù)，802．11b無線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是其兼容性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2．3 軟件設(shè)計

基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計采用典型的C／S模式。數(shù)據(jù)采集器（評分器）作為客戶端，處理器是微型CPU，對數(shù)據(jù)處理的速度和能力等有限；并且數(shù)據(jù)采集器個數(shù)多、分布分散。因此，設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用軟件時，數(shù)據(jù)采集器應(yīng)盡量集成主要關(guān)鍵功能，處理有限數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器作為服務(wù)器，一般為PC機(jī)，具有相對較好的數(shù)據(jù)處理能力。因此，將數(shù)據(jù)采集服務(wù)器設(shè)計成承擔(dān)對各個裁判實(shí)時評分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等功能主要任務(wù)。該種設(shè)計結(jié)構(gòu)為典型的胖服務(wù)器／瘦客戶機(jī)［7］。應(yīng)用軟件的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全通過TCP／IP協(xié)議進(jìn)行競賽信息數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（服務(wù)器）和數(shù)據(jù)采集器（客戶機(jī)）之間通信的數(shù)據(jù)包是按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行定義的。應(yīng)用軟件的主要設(shè)計流程如4圖所示。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 軟件工作流程圖

（1）數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集器在系統(tǒng)工作前首先進(jìn)行初始化設(shè)置

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器作為服務(wù)器其初始化工作為設(shè)置網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽端口，負(fù)責(zé)監(jiān)聽、接收來自各個數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的數(shù)據(jù)包；選取當(dāng)前賽事的賽段、場次等信息；選取當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收方式：手動輸入裁判評分或自動通過網(wǎng)絡(luò)接收裁判評分；選取當(dāng)前上場運(yùn)動員。數(shù)據(jù)采集器作為客戶端的初始化工作如表1所示。

（2）數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器同數(shù)據(jù)采集器之間的通信數(shù)據(jù)包皆按照競賽信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議定義、傳輸和解析。賽前進(jìn)行初始化操作后，比賽開始，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器向各個相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)送Go（比賽開始）數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包含項目基礎(chǔ)信息。動作結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送解鎖數(shù)據(jù)包，若有數(shù)據(jù)采集器沒有接收到解鎖指令，相應(yīng)裁判員控制數(shù)據(jù)采集器發(fā)送請求解鎖指令到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器收到請求解鎖指令后重新發(fā)送解鎖指令給對應(yīng)數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器收到解鎖指令后，各個裁判根據(jù)參賽者動作完成質(zhì)量按照競賽規(guī)則進(jìn)行評分，將評分輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器評分界面，然后將裁判員的評分?jǐn)?shù)據(jù)包發(fā)送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收到評分?jǐn)?shù)據(jù)包后進(jìn)行解析，然后將相應(yīng)的評分信息顯示到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的窗體控制界面上。

表1 數(shù)據(jù)采集器初始化參數(shù)表

該種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器為無線手持型終端設(shè)備，供電時間有限，若競賽現(xiàn)場出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器電量耗盡而導(dǎo)致比賽中斷是不允許的。所以在設(shè)計該種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，各個數(shù)據(jù)采集器要定時向數(shù)據(jù)采集服務(wù)器發(fā)送電量和信號強(qiáng)度信息，使得信息技術(shù)保障人員能夠及時更換數(shù)據(jù)采集器，從而保障比賽的順利進(jìn)行。

該種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案的數(shù)據(jù)傳輸完全是基于現(xiàn)場局域網(wǎng)的，如果競賽場館局域網(wǎng)或連接在場館局域網(wǎng)上的無線網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，那么同樣會造成比賽中斷，對于運(yùn)動會競賽信息系統(tǒng)這種實(shí)時系統(tǒng)來說是不允許的。所以在設(shè)計該種系統(tǒng)方案時，設(shè)計了一種叫做心跳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包是一種帶有數(shù)據(jù)反饋的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器定時為每個數(shù)據(jù)采集器發(fā)送不包含消息體的心跳數(shù)據(jù)包，一旦有數(shù)據(jù)采集器接收來自數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的心跳數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)采集器就要馬上發(fā)送心跳反饋數(shù)據(jù)包給數(shù)據(jù)服務(wù)器。這種發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包主要是用來測試現(xiàn)場場館的網(wǎng)絡(luò)連通性的，心跳數(shù)據(jù)包發(fā)送的時差要根據(jù)系統(tǒng)測試而決定，既要考慮不給系統(tǒng)造成不必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)和數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，同時也要保證網(wǎng)絡(luò)連通測試的及時性和有效性。

（3）數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸工作

在每套動作結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器每接收到一個來自裁判的實(shí)時評分?jǐn)?shù)據(jù)，就要對該套動作的最后得分進(jìn)行實(shí)時計算，得到單套動作的中間得分。同時每套動作還對應(yīng)了一個扣分，扣分是通過手工錄入方式輸入到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的控制界面上。當(dāng)所有裁判評分?jǐn)?shù)據(jù)都傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器后，對該套動作進(jìn)行最后得分計算。然后將相應(yīng)的裁判評分等信息存儲到競賽信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，從而完成數(shù)據(jù)采集信息的處理和存儲工作。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的另一個重要任務(wù)是將對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸對象有現(xiàn)場終端顯示系統(tǒng)、現(xiàn)場成績處理系統(tǒng)和現(xiàn)場成績監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器到成績綜合處理系統(tǒng)的傳輸內(nèi)容為：針對每套動作，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器每收到一個評分?jǐn)?shù)據(jù)，發(fā)送消息通知包給現(xiàn)場成績處理系統(tǒng)，現(xiàn)場成績處理系統(tǒng)再到競賽信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2．4 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的設(shè)計

對于基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，其數(shù)據(jù)庫設(shè)計分成兩部分：一部分采用sql server數(shù)據(jù)庫；一部分采用Access數(shù)據(jù)庫。sql server數(shù)據(jù)庫［8］是整個競賽信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的一部分，主要維護(hù)參賽者信息、競賽項目信息、賽段場次信息、分?jǐn)?shù)信息；Access數(shù)據(jù)庫主要維護(hù)的是數(shù)據(jù)采集器的基本信息，包括數(shù)據(jù)采集器的IP地址、端口號、裁判編號、主機(jī)名等信息；基于以太網(wǎng)＋微功率短距離無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器數(shù)據(jù)庫只有sql server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集器的基本信息由數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集接收機(jī)共同維護(hù)。

（1）Sql server數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫主要維護(hù)的信息包括：當(dāng)前競賽項目的基本信息；當(dāng)前競賽項目對應(yīng)的賽段、場次等信息；當(dāng)前參賽者的基本信息（參賽者出場序號、參賽者名稱、代表團(tuán)、參賽者狀態(tài)等信息）；當(dāng)前成績的錄入方式（手動錄入、自動接收）；當(dāng)前動作的評分信息（初始成績、中間成績、最終成績、參賽者當(dāng)前排名信息）。

（2）Access數(shù)據(jù)庫

Access數(shù)據(jù)庫［9］是針對基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的，它主要維護(hù)了數(shù)據(jù)采集器的基本信息，包括數(shù)據(jù)采集器的IP地址、端口號、裁判編號、主機(jī)名等信息；采集系統(tǒng)的分組信息，特別地，對跳水項目現(xiàn)場裁判評分分為兩種；數(shù)據(jù)采集器同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務(wù)器端運(yùn)行界面圖

3 系統(tǒng)實(shí)驗室環(huán)境集成測試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是競賽數(shù)據(jù)的主要來源，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個競賽信息系統(tǒng)的核心部分，主要任務(wù)是完成對競賽現(xiàn)場每一個裁判員成績信息數(shù)據(jù)的采集，并對采集的數(shù)據(jù)做出簡單處理然后傳輸給現(xiàn)場成績處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試及測試工作主要側(cè)重在網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。下文主要給出該系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)。

在基于無線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，保障其可靠性和穩(wěn)定性的一個重要因素是數(shù)據(jù)采集器的無線通信可靠性。用數(shù)據(jù)采集器在100米以內(nèi)ping現(xiàn)場無線AP，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測試表

注：例如4/3表示數(shù)據(jù)采集器每ping100個數(shù)據(jù)包時，丟失4個數(shù)據(jù)包，平均延時為3ms。數(shù)據(jù)采集器在不同通訊距離的網(wǎng)絡(luò)丟包率如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)采集器距離測試表

4 結(jié)束語

根據(jù)目前評分類項目數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀，針對評分類項目比賽的需要，提出了評分類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案在軟件體系架構(gòu)設(shè)計上采用c／s體系架構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器分開，極大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。并根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，采用了以太網(wǎng)＋802．11b的無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與其他競賽信息系統(tǒng)的通信。該技術(shù)的采用，滿足了數(shù)據(jù)采集點(diǎn)眾多、評分裁判座次分散、裁判崗位變化頻率較大等特點(diǎn)，完全符合競賽需求。

［1］ 馬建．我國大型運(yùn)動會信息系統(tǒng)的發(fā)展［C］．全國體育計算機(jī)應(yīng)用研討會．北京：中國體育科學(xué)學(xué)會體育計算機(jī)應(yīng)用分會，2009．Jian Ma．The Development Of The Information Systems Of Large－Scale Games［C］．The National Sports Seminar In Computer Application．BeiJing：ChinaSportsScience Society Computer Application Branch．2009．

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Design on Data Acquisition System Based on Wireless Technology

Bai Weiwei
（Department of Information Engineering，Kaili University，Kaili Guizhou 556011，China）

According to the features of scoring sports of domestic and international large－scale comprehensive games and the foreign advanced technology and experience，combining with the development of the applications of wireless network communication technology，the project is presented and completed during the research of the scoring system of the comprehensive games，and the concept of design on the data acquisition system，based on wireless technology，is proposed in order to make the sporting events more rapid，efficient and reliable．The system is responsible for data acquisition，processing and transmission and it can be used as main data source and data distribution mechanism during the race．Therefore，the typical C／S mode is applied to the system structure which has the characteristics of strong distribution，convenient maintenance，simple development，strong sharing and low cost．The system is put forward to guarantee the stability and real－time performance of data acquisition，and reduce the burden of manpower and material resources of the large－scale comprehensive games．

Comprehensive Games；Scoring Sports；Wireless technology；Date Acquisition；Client／Sever Mode；802．11b Standard；TCP／IP Protocol

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．005

TN014

B

1002－2279（2015）04－0015－05

白維維（1989－），女（苗），貴州省黔東南州黃平縣人，碩士研究生，主研方向：智能信息處理理論與技術(shù)。

2014－12－25