華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 麥啟明

基于物聯(lián)網(wǎng)的定向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 麥啟明

【摘要】隨著定向運(yùn)動(dòng)發(fā)展，各種訓(xùn)練和比賽對(duì)定向運(yùn)動(dòng)成績平臺(tái)的要求也越來越高。因此本文提出了一種基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的定向運(yùn)動(dòng)電子打卡計(jì)時(shí)設(shè)備，該設(shè)計(jì)除了無需校正時(shí)間，并且可以實(shí)時(shí)提供各參賽隊(duì)伍的打卡信息，還可以提供該點(diǎn)簽器的具體GPS位置。較好地解決了比賽地圖和實(shí)際定向越野點(diǎn)標(biāo)不一致的問題。

【關(guān)鍵詞】定向運(yùn)動(dòng)；物聯(lián)網(wǎng)；SIM5320E

1 引言

科技的發(fā)展一直影響著運(yùn)動(dòng)成績的提高，從“鯊魚皮”到“刀鋒戰(zhàn)士”，從田徑的電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)到球類比賽的“鷹眼系統(tǒng)”，電子科技的發(fā)展和進(jìn)步無時(shí)無刻都影響著運(yùn)動(dòng)成績的進(jìn)步，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的成熟和網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)的降低，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐步走進(jìn)千家萬戶。

相對(duì)于其它運(yùn)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入中國的時(shí)間比較短，國內(nèi)最早的定向運(yùn)動(dòng)比賽出現(xiàn)在1983年3月中國人民解放軍體育學(xué)院（廣州）參照國際定向運(yùn)動(dòng)競賽方法，在廣州白云山舉行“定向越野試驗(yàn)比賽”［1］。1995年12月成立中國定向運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)。2004年7月，中國定向運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)首次組建中國國家定向隊(duì)和中國青年定向隊(duì)。近年來隨著定向運(yùn)動(dòng)比賽的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)員的成績也越來越好，有效的訓(xùn)練方法、公平的電子打卡計(jì)時(shí)設(shè)備顯得更為重要。

2 定向運(yùn)動(dòng)介紹和需求

定向運(yùn)動(dòng)是指運(yùn)動(dòng)員借助地形圖和指北針，自我選擇行進(jìn)路線并按組織者規(guī)定的方式到訪地圖上所標(biāo)示的地面檢查點(diǎn)，以通過全程檢查點(diǎn)用時(shí)較短者或在規(guī)定時(shí)間找到檢查點(diǎn)分?jǐn)?shù)較多者為勝的一種體育運(yùn)動(dòng)［1］。早期檢查點(diǎn)由機(jī)械打卡器構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)員使用紙卡到不同的檢查點(diǎn)打卡，通過設(shè)置每個(gè)檢查點(diǎn)的出來的點(diǎn)狀圖案不同，比賽終點(diǎn)回收紙卡后再統(tǒng)計(jì)成績。近年來定向運(yùn)動(dòng)比賽加入了由電子點(diǎn)簽器組成的，電子點(diǎn)簽器之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，比賽前需要用特定的模塊來對(duì)各個(gè)點(diǎn)簽器進(jìn)行時(shí)間校對(duì)。原來的紙卡變成了RFID （Radio Frequency Identification）非接觸手環(huán)，查分點(diǎn)刷卡的參數(shù)由RFID卡保存。所以到終點(diǎn)后可以馬上得出成績。這樣做有兩個(gè)問題，在比賽過程中不能實(shí)時(shí)有比賽過程的結(jié)果。難以對(duì)觀眾開展直播等推廣活動(dòng)。點(diǎn)簽器實(shí)際的位置和比賽地圖中標(biāo)注的位置會(huì)有誤差。通過引入移動(dòng)通信模塊，可以提供實(shí)時(shí)通信和GPS（Global Positioning System）地址，可以解決以上問題。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)電路部分主要由電子點(diǎn)簽器電路， RFID卡和PC機(jī)終端構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 軟件流程圖

圖1中的虛線框內(nèi)表示檢查點(diǎn)的電子點(diǎn)簽器電路，該電路由STM32F103主控芯片、RFID模塊、移動(dòng)通信模塊和顯示模塊構(gòu)成，其中RFID模塊負(fù)責(zé)讀取RFID卡的卡號(hào)，通過STM32F103的串口3將RFID卡號(hào)傳輸?shù)绞荢TM32中，STM32的串口1與移動(dòng)通信通信模塊相連，然后STM32將RFID卡號(hào)、刷卡時(shí)間、檢查點(diǎn)設(shè)備號(hào)、GPS位置等信息按照固定格式通過UDP使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。上位機(jī)接收到信息后給對(duì)應(yīng)的電子點(diǎn)簽器回復(fù)接收成功的信號(hào)。圖中的電子點(diǎn)簽器模塊根據(jù)不同的設(shè)備代碼被上位機(jī)識(shí)，允許有多個(gè)同時(shí)上傳。

3.1 移動(dòng)通信模塊概述

本設(shè)計(jì)采用的無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸模塊為芯訊通公司SIMCom推出了一款高性價(jià)比的3G/HSDPA模塊SIM5320，SIM5320模塊內(nèi)嵌GPS和A-GPS，客戶無需額外的成本就可以支持位置類服務(wù)，使客戶的GPS開發(fā)簡單和快速。定向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)也可以使用其他公司的通信模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)制式的支持。在本設(shè)計(jì)中移動(dòng)通信模塊主要負(fù)責(zé)提供授時(shí)信號(hào)、GPS信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，用于計(jì)時(shí)、定位和與PC機(jī)通信。

3.2 RFID模塊

RFID模塊采用NXP公司的MFRC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，MFRC522是使用了13.56MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，是NXP公司針對(duì)“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。MFRC522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。支持14443A兼容應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測。此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424kbit/s。對(duì)于定向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來說完全足夠。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序流程圖

電子點(diǎn)簽器主要軟件流程圖如圖2所示。開機(jī)后，先初始化各個(gè)硬件模塊。單片機(jī)向3G模塊發(fā)送設(shè)置的AT指令，判斷單片機(jī)是否與模塊正常連接，接收到ok后單片機(jī)再向3G模塊發(fā)送開啟網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。本系統(tǒng)與上位機(jī)傳輸用的協(xié)議是UDP，當(dāng)有打卡信息時(shí)，開啟UDP連接，然后再根據(jù)發(fā)送的字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。根據(jù)上位機(jī)的回復(fù)來確定是否上傳成功。若不成功重新上傳。

4.2 與上位機(jī)通信

在系統(tǒng)獲取到RFID刷卡信息后，需要把刷卡信息發(fā)送給上位機(jī)，本設(shè)計(jì)參考的數(shù)據(jù)通信格式如下表，共6個(gè)參數(shù)，其中DevID的序列號(hào)根據(jù)中國徒步定向運(yùn)動(dòng)競賽規(guī)則規(guī)定需要大于30的數(shù)字，SN代表每次從考勤系統(tǒng)發(fā)送給上位機(jī)的編號(hào)，用于區(qū)分不同的打卡條目，MsgType代表消息種類在開機(jī)時(shí)，發(fā)送1，代表設(shè)備登錄，在打卡時(shí)發(fā)送2，代表有人打卡。

表1 點(diǎn)簽器與上位機(jī)通信參數(shù)

4.3 PC界面

圖3 PC端界面

圖3為PC端界面，可以設(shè)置比賽開始時(shí)間，出發(fā)隊(duì)伍間隔，在比賽過程中可以實(shí)時(shí)看到電子點(diǎn)簽器上傳的數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)隊(duì)伍的分組來排序來輸出比賽結(jié)果。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)承載，可以實(shí)時(shí)地顯示比賽或訓(xùn)練中的情況，也可以提供點(diǎn)簽器的GPS信號(hào)，但是目前的能耗還需要進(jìn)一步降低，以提高便攜性，作為定向運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練比賽平臺(tái)，有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］張新安，劉宗偉.定向運(yùn)動(dòng)∶一項(xiàng)促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)展的時(shí)尚運(yùn)動(dòng)［M］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003∶86-88.

［2］鄭海杰，倪燃，王愛旭.基于嵌入式系統(tǒng)的定向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］.電視技術(shù)，2015∶16-18.

［3］李良胤.基于網(wǎng)絡(luò)WebCT技術(shù)構(gòu)建定向運(yùn)動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的研究［J］.吉林體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（04）.