李曉豁， 劉海亮

(遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

跑步測試是我國高校在校生體能測試任務(wù)之一，以人工手動計時方式為主，極少數(shù)地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)光學測量、射頻識別等先進技術(shù)手段[1,2]。

作為一種新型技術(shù)，使用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)技術(shù)能夠通過衛(wèi)星發(fā)射信號對物體的高度、精度等信息進行瞬時測量，這種衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有高精度、全時段、全天候以及全方位的優(yōu)勢，在室外快速追捕和定位的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用。在GPS定位系統(tǒng)軟件不斷更新和不斷完善的過程中出現(xiàn)了各種類型的GPS接收機，當移動人群佩戴電子腕帶以及電子標簽等工具以后就能夠進行快速的定位，通過網(wǎng)絡(luò)傳送能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)管中心。目前, 市場上有很多體積較小和質(zhì)量較輕的接收機，這些接收機具有方便攜帶的優(yōu)勢，有效促進了監(jiān)管部門工作的順利進行[3～5]。

本文設(shè)計了一種基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)，用于完成普通院校學生的跑步測試的任務(wù)。在對測試系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)復雜度、計時成本等情況進行綜合考慮的基礎(chǔ)上，本文沒有采用高精度馬拉松計時系統(tǒng)，而是采用基于ZigBee定位和GPS定位組合的計時方式，以達到提高跑步測試系統(tǒng)計時精度、降低工作人員工作強度、降低計時成本的目的。

1 跑步測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文將學校中常見的400 m跑道作為研究對象，基于ZigBee定位和GPS定位技術(shù)，設(shè)計1 000 m體能測試自動計時系統(tǒng)?；赯igBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)在400m跑道上的硬件設(shè)置如圖1所示。

圖1 跑步測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出跑道并不具有較大的面積和長度，而且跑道終點處運動員的計時和識別是這種自動記時系統(tǒng)的關(guān)鍵，所用電子標簽的識別使用中低功率的閱讀器即可實現(xiàn)，這種閱讀器所識別的標簽范圍可以達到百米范圍內(nèi)，這種有源標簽?zāi)軌蜻_到5年以上的壽命，因此具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

本文研究的基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)主要采用具有高精度定位特性的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)跑步測試的終點到達判別以及采用便于大范圍運動軌跡跟蹤的GPS技術(shù)實現(xiàn)測試人員軌跡跟蹤。

2 跑步測試系統(tǒng)硬件

2.1 ZigBee硬件系統(tǒng)

作為一種微型的嵌入式系統(tǒng)，ZigBee無線傳感的節(jié)點對模塊化的設(shè)計思想進行了應(yīng)用，主要包含電源模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和處理器模塊，圖2所示為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)

使用TI公司的MSP430系列處理器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理器，具有性能穩(wěn)定和功耗低的優(yōu)勢，在功耗有限制場合具有非常明顯的優(yōu)勢，調(diào)試程序通過四線制JTAG接口下載至芯片內(nèi)[6,7]，圖3所示為MSP430處理器的JTAG接口電路。

圖3 JTAG接口電路

CC2420射頻芯片符合ZigBee標準，因此本文設(shè)計系統(tǒng)的無線通信模塊使用該主芯片。通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)四線制接口可以將CC2420射頻芯片與MSP430處理器連接起來，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。使用CCA,先入先出(first in,first out,FIFO),FIFOP以及SFD能夠反饋收發(fā)的狀態(tài)。通過碼移鍵控(code shift keying,CSK)引腳MSP430處理器能夠?qū)⒕_的時鐘頻率提供給CC2420芯片[8]。圖4所示為CC2420射頻芯片與MSP430FG4618處理器的連接電路。

圖4 處理器與射頻芯片電路

為了降低功耗，進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路設(shè)計時應(yīng)選用的低功耗芯片，為保證正常工作需要將電壓控制在2.4～3.6 V范圍內(nèi)，圖5所示為供電模塊電路。

圖5 供電模塊電路

2.2 GPS軌跡跟蹤模塊

本文中的GPS定位模塊選用高性能NEO—6M—0—001模塊。

文獻[9]中對單片機系統(tǒng)與GPS接收模塊的連接方法進行了設(shè)計，如圖6所示。天線與RF_IN 引腳連接，可以對衛(wèi)星的GPS信號進行接收，為了使得GPS模塊在掉電以后能夠持續(xù)地獲取衛(wèi)星授時定位相關(guān)數(shù)據(jù)，將NEO—6接收模塊的SCL2 和SDA2與存儲器24AA32A的SCL 和SDA引腳連接；單片機可以與GPS接收模塊進行數(shù)據(jù)交換。由于應(yīng)用了TTL電平，電平轉(zhuǎn)換不需要在單片機和GPS接收模塊之間實現(xiàn)，通過串口通信就能夠?qū)崿F(xiàn)，單片機的TXD,RXD引腳可以與RXD1,TXD1連接， GPS 接收模塊NEO—6與單片機可以進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過對NAME 0183協(xié)議的參考，單片機就可以將經(jīng)緯度信號以及時間信號從天線接收的導航電文中解析出來，進而達到定位的目的。

圖6 GPS硬件原理

3 跑步測試監(jiān)測系統(tǒng)軟件

3.1 防碰撞算法

如果多個標簽都要求閱讀器進行信息傳輸，各個數(shù)據(jù)之間將出現(xiàn)干擾，使得識別標簽出現(xiàn)錯誤，閱讀器在讀取不同標簽信息時只能夠采用多路存取的形式。目前多路存取防碰撞的主要形式有時分多址、頻分多址、碼分多址以及空分多址。

在信息傳輸?shù)倪^程中時分多址主要通過不同的時隙來實現(xiàn)，整個信道都可以通過時間來進行劃分，這樣就可以避免多個標簽占用同一個信道。在射頻識別(radio frequency identification,RFID)系統(tǒng)中應(yīng)用這種方法具有非常好的防碰撞效果。

作為一種概率類型算法，ALOHA算法通過采用競爭的形式訪問信道。時隙ALOHA算法可以通過幀時隙ALOHA 算法進行改進，將1幀分為M個時隙，從M個時隙中標簽就可以發(fā)送相關(guān)信息。

在該算法中幀的時隙數(shù)是固定不變的，大小為M，另外標簽完成信息傳輸所需要的時間與時隙的長度一致。如果時隙的標簽數(shù)為1個，標簽信息就能夠被成功讀??；如果時隙為空就會跳轉(zhuǎn)到下一個時隙，如果碰撞產(chǎn)生就需要保證結(jié)束這個幀，并搜尋相關(guān)的時隙，可以完成信息發(fā)送[10]。

3.2 電子標簽定位算法

1)測距原理

在進行測距工作時，首先測距脈沖信號發(fā)送到基站端，如果這個測距脈沖信號為標簽端檢測到，并將一個測距脈沖信號返回給基站端，通過對標簽端發(fā)送測距脈沖的延遲時間以及收發(fā)信號的時間差就可以對測距信號的飛行時間進行計算。利用這種雙向測距的方法能夠保證同步精度，提升測距精度的同時降低了標簽端系統(tǒng)和測距基站端系統(tǒng)的復雜程度[11]。

2)定位原理

當標簽端與基站端的測量問題解決以后，下面就需要測量3個基站對1個標簽的位置坐標，進而就可以獲取相關(guān)的位置坐標計算數(shù)學模型。作為一種算法簡便和常用的定位方法， 三邊測量定位方法易于實現(xiàn)。但該方法易于出現(xiàn)對于3個節(jié)點無法正交于一點的問題[12]，三邊質(zhì)心定位方法能夠有較大的改善。三邊質(zhì)心定位方法的工作原理如圖7所示。

圖7 三邊質(zhì)心定位方法的工作原理

假設(shè)3個基站的節(jié)點圓分別交于D,E,F3點，構(gòu)成三角形，則此三角形的質(zhì)心O為目標定位節(jié)點。交點D點的坐標(xd,yd)為

(xd-xa)2+(yd-ya)2≤da2

(xd-xb)2+(yd-yb)2=db2

(xd-xc)2+(yd-yc)2=dc2

(1)

△DEF剩余兩點的坐標E(xe,ye)和F(xf,yf)可以采用相同的方法獲取，可以得到需要定位的節(jié)點O的坐標O(xo,yo)

(2)

3.3 捷徑作弊判別程序

為了防止測試人員選擇捷徑到達終點這樣的作弊行為。本文研究的基于ZigBee和GPS組合的跑步測試系統(tǒng)中加入了捷徑作弊判別程序，其基本原理是采用GPS定位模塊實時跟蹤測試人員的運行軌跡，當監(jiān)測到其坐標處于非正常跑道區(qū)域內(nèi)時，判斷其為作弊行為。判別方法如圖8所示。

圖8 捷徑作弊判別示意

假設(shè)有4個點：A,B,C,D，將其GPS定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至以跑道中心為零點的直角坐標系內(nèi)，需要判別其是否在非跑道區(qū)域內(nèi)(A和C點在跑道區(qū)域內(nèi)，C和D在非跑道區(qū)域內(nèi))。首先判斷各點x軸坐標的絕對值，若小于等于跑道直線段長度，則認為其在矩形范圍內(nèi)，再判斷其y軸坐標絕對值，若小于跑道寬度，則判別其在非跑道區(qū)域內(nèi)，屬于作弊行為。若各點x軸坐標的絕對值大于跑道直線段長度，則需要判斷各點是否在圓弧區(qū)域內(nèi)。此時使用點到圓形距離公式能夠判斷其是否在非跑道區(qū)域內(nèi)。使用數(shù)學公式表示上述判斷過程如下：

1)矩形區(qū)域內(nèi)外判別：在矩形區(qū)域內(nèi)為|xi|≤L/2;在弧形區(qū)域內(nèi)為|xi|>L/2。

2)矩形區(qū)域內(nèi)作弊判別：各點在跑道區(qū)域內(nèi)為|yi|≥B/2;各點在非跑道區(qū)域內(nèi)為|yi|

3)弧形區(qū)域內(nèi)作弊判別：各點在跑道區(qū)域內(nèi)為(xi-R-L/2)2+(yi-R)2≥R;各點在非跑道區(qū)域內(nèi)為(xi-R-L/2)2+(yi-R)2

4 跑步測試系統(tǒng)實驗研究

4.1 跑步測試計時實驗

使用本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)與人工計時方式進行對比。使用高精度光學測量方法得到的成績作為衡量標準。參與測試人員50名，測試類型為1 000 m。能夠得到使用本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)與人工計時方式下，50名測試人員第一次、第二次經(jīng)過終點線以及到最終達終點時的計時誤差如圖9所示。

圖9 本文研究的計時系統(tǒng)與人工計時的誤差對比

可以看出，跑步測試人員進行1 000 m測試時需要3次經(jīng)過終點線，由人工計時的誤差出現(xiàn)了明顯的隨機性，計時結(jié)果不穩(wěn)定，而由本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)得到的計時誤差穩(wěn)定性好，基本能夠真實反映出測試者的真實成績。

4.2 捷徑作弊監(jiān)測實驗

使用本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)實現(xiàn)捷徑作弊判別實驗。實驗時令4名測試人員中2名人員正常跑步，另外 2人隨機地點選擇捷徑跑向終點，查看跑步測試系統(tǒng)界面上對測試人員的跑步監(jiān)測軌跡，如圖10所示。

圖10 捷徑作弊監(jiān)測實驗

實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)捷徑作弊判別，測試人員在正確跑道內(nèi)的軌跡為正常顏色和線性，當測試人員偏離跑道，選擇捷徑時，線性和顏色發(fā)生變化，提示監(jiān)控人員，并將此次成績作廢。

5 結(jié) 論

使用本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)與人工計時方式進行對比。由人工計時的誤差出現(xiàn)了明顯的隨機性，計時結(jié)果不穩(wěn)定，而由本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)得到的計時誤差穩(wěn)定性好，基本能夠反映出測試者的真實成績。本文設(shè)計的跑步測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)捷徑作弊判別，當測試人員偏離跑道，系統(tǒng)能夠提示監(jiān)控人員，并將此次成績作廢。