盧凱飛 王紀源 趙恒 李娜娜

摘? 要：針對在投籃訓(xùn)練過程中計算命中率困難以及校園體育籃球考試公平性的問題，文章提出一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能籃球計數(shù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530硬件芯片，通過ZigBee技術(shù)搭建傳感網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)通信采用Socket技術(shù)，將上位機與服務(wù)器連接;服務(wù)器搭建基于MVC三層架構(gòu)，通過Web頁面與用戶進行信息交互，系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程投籃的進球數(shù)，發(fā)球數(shù)以及命中率的實時監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢功能，該系統(tǒng)具有功耗低、成本低、操作簡單便捷、可擴展性強等優(yōu)點，具有一定的推廣與應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee;Z-Stack;Web;實時;籃球計數(shù);WinForm;紅外對管

中圖分類號：TP368.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0154-05

Abstract：In view of the difficulty in calculating the hit rate in shooting training and the fairness of campus sports basketball examination，this paper proposes an intelligent basketball counting system based on ZigBee network. The system uses CC2530 hardware chip to build sensor network through ZigBee technology;the network communication uses Socket technology to connect the master computer with the server;the server is built based on MVC three-tier architecture to interact with the user through the Web page. The system realizes the function of real-time monitoring and historical data inquiry of the number of goals，serve and hit rate of the long-distance shooting. The system has the advantages of low power consumption，low cost，simple operation，strong scalability，etc.，and has certain promotion and application value.

Keywords：ZigBee;Z-Stack;Web;real-time;basketball counting;WinForm;infrared antitube

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)進程的加快，人們對于體育運動的需求也越來越多，能夠強身健體的籃球運動也早已經(jīng)進入千家萬戶。很多城市都涌現(xiàn)出大量的訓(xùn)練機構(gòu)，并且大部分高校也將籃球納入了體育考試的項目中，而在投籃訓(xùn)練和考試過程中計算命中率或進球數(shù)時都需要記分員人工計算，這種人工計數(shù)的方案不僅費時費力也帶來了很多不確定的隱患。針對這一現(xiàn)狀，也為了給學(xué)員或?qū)W生提供更加科學(xué)、公平、準確的訓(xùn)練與考試環(huán)境，迫切需要一種將數(shù)據(jù)進行存儲記錄和實時顯示的系統(tǒng)，方便用戶輕松便捷地查看與利用所記錄的數(shù)據(jù)。

本文提出了一種基于Web服務(wù)器的智能籃球計數(shù)系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、高可靠性的優(yōu)點[1]實現(xiàn)下位機無線采集控制組網(wǎng)，上位機能夠通過Socket連接與服務(wù)器資源相連從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的功能，Web端作為本系統(tǒng)的終端能夠查看數(shù)據(jù)信息和歷史相關(guān)記錄。本系統(tǒng)具有使用方便、成本低廉、穩(wěn)定性高、功能強大的特點。

1? 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)包括三大部分，分別是無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)（下位機）、上位機程序和Web端。

系統(tǒng)下位機由搭載Z-Stack協(xié)議棧的CC2530單片機構(gòu)成，其中終端節(jié)點實時收集發(fā)球和進球的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收集至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器負責創(chuàng)建整個無線采集控制網(wǎng)絡(luò)并具備終端數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)上傳功能。

上位機通過串口通信技術(shù)和Socket通信技術(shù)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，作為本系統(tǒng)中連接因特網(wǎng)和ZigBee無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)的“橋梁”，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程，同時也通過WinForm窗體提供了以文本文字、折線圖像等形式的數(shù)據(jù)展示功能。

Web端主要為用戶提供信息交互式服務(wù)，用戶可以通過Web頁面控制該系統(tǒng)的主體功能，其界面主要由用戶認證模塊、用戶模式選擇模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和學(xué)生信息管理模塊五部分構(gòu)成。用戶認證模塊具有用戶的登錄、注銷、注冊與刪除等功能。用戶模式選擇模塊具有對不同模式的選擇功能。實時數(shù)據(jù)顯示模塊具有顯示發(fā)球數(shù)、命中數(shù)和命中率的功能。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊具有查詢用戶和學(xué)生的歷史數(shù)據(jù)的功能。學(xué)生信息管理模塊具有對用戶班級的學(xué)生信息進行增、刪、改、查的功能。

系統(tǒng)整體以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)為核心，整合了WinForm、JavaWeb和Android三大平臺，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊、串口通信、Socket編程以及數(shù)據(jù)庫存儲等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整傳輸流程，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性和實時性。其中整體無線采集控制網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，各個終端以單播的形式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口通信的方式將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機應(yīng)用程序，管理員可以在該應(yīng)用程序中查看數(shù)據(jù)，然后上位機將數(shù)據(jù)通過Socket通信上傳至Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，最終用戶可通過瀏覽器軟件或手機APP等應(yīng)用實時查看進球信息、歷史相關(guān)數(shù)據(jù)并能夠進行相關(guān)控制。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

2? 下位機的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1? 下位機采用的技術(shù)

系統(tǒng)下位機采用支持ZigBee協(xié)議的CC2530單片機作為核心，分別組成若干個數(shù)據(jù)采集終端模塊、路由器模塊以及協(xié)調(diào)器模塊，并通過Z-Stack協(xié)議棧對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點進行功能控制。其中數(shù)據(jù)采集終端模塊搭載紅外收發(fā)對管、蜂鳴器、七段數(shù)碼管和發(fā)光二極管等，分別安裝至發(fā)球處和籃筐處，當發(fā)球處和籃筐處有籃球經(jīng)過時紅外收發(fā)對管能夠?qū)ζ溥M行感知并提供給CC2530單片機串口低電平，從而觸動相關(guān)的中斷程序?qū)崿F(xiàn)計數(shù)并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將該數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。路由器模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所支持的節(jié)點傳輸距離有一定的局限性，所以當不同模塊之間的距離較長時需要使用該模塊達到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和測試連通性的功能。協(xié)調(diào)器模塊作為本系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心模塊，能夠在通電后立即創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)并等待其他節(jié)點的加入，當節(jié)點全部加入后該模塊可以將網(wǎng)絡(luò)中終端模塊的數(shù)據(jù)信息進行收集并加以處理。在本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器模塊將終端采集到發(fā)球數(shù)和投球數(shù)的數(shù)據(jù)信息收集后上傳至上位機，并在協(xié)調(diào)器模塊的OLED顯示屏上實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示的功能。圖2為下位機功能實現(xiàn)圖。

ZigBee是一種短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在三大無線傳輸技術(shù)ZigBee、藍牙、Wi-Fi中，ZigBee以其低功耗、低成本、高可靠性、高安全性、組網(wǎng)能力強等特點成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重要的應(yīng)用技術(shù)。主要應(yīng)用在短距離、傳輸速率不高且節(jié)點數(shù)量較多的感知電子設(shè)備之間，由于ZigBee技術(shù)的特點與物聯(lián)網(wǎng)中感知層的設(shè)備特性較為貼合，目前已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M（Machine to Machine）[2]行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如智能電網(wǎng)、智能樓宇、智能家居、智能交通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。Z-Stack協(xié)議棧是在2015年由TI（德州儀器）公司推出的一種軟件架構(gòu)[3]，該架構(gòu)是ZigBee協(xié)議的具體表現(xiàn)形式，它能夠以函數(shù)的形式將各個層的定義協(xié)議集合在一起，并提供相關(guān)應(yīng)用層的API，開發(fā)人員在開發(fā)過程中只需要調(diào)用這些API便能夠?qū)崿F(xiàn)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)各個模塊的開發(fā)，極大地減少了開發(fā)人員編寫代碼的壓力，為開發(fā)ZigBee技術(shù)提供了便捷。Z-Stack協(xié)議棧采用分層架構(gòu)的思想，整體由三部分構(gòu)成，分別是硬件抽象層（HAL）、操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）和ZigBee協(xié)議各層。但因為協(xié)議棧全部的內(nèi)容是通過任務(wù)事件的方式而實現(xiàn)集成的，因此從整個程序運行的流程來說，硬件抽象層和操作系統(tǒng)抽象層是硬件相關(guān)的主要內(nèi)容[4]。其中硬件抽象層提供給系統(tǒng)應(yīng)用各種硬件模塊的驅(qū)動，操作系統(tǒng)抽象層則通過多任務(wù)處理機制形成了一個簡單的操作平臺。如圖3所示，Z-Stack協(xié)議棧的工作流程大體分為四部分，即啟動系統(tǒng)，初始化驅(qū)動，初始化OSAL以及OSAL任務(wù)輪詢主循環(huán)。

2.2? 紅外感知計數(shù)實現(xiàn)

本系統(tǒng)的籃球計數(shù)功能采用紅外線遮光的方式進行實現(xiàn)，采用紅外對管作為測量進球數(shù)及發(fā)球數(shù)的感知設(shè)備，平時紅外對管若沒有障礙物經(jīng)過時能夠保證信號為暢通狀態(tài)，其I/O會一直保持高電平的狀態(tài)。而當紅外對管有障礙物經(jīng)過時，紅外對管會出現(xiàn)信號阻斷的情況并通過I/O口給CC2530單片機反饋低電平，單片機通過外部I/O中斷程序以實現(xiàn)計數(shù)的功能。

該紅外對管傳感器分為兩部分，分別為發(fā)射極和接收極。紅外對管的發(fā)射極為紅外線發(fā)射二極管，通過使用紅外輻射率較高的材料構(gòu)成PN結(jié)，當給予PN結(jié)正向電壓時能夠使載流子的擴散電流增加產(chǎn)生正向電流，從而激發(fā)波長為830～950 nm的紅外光。紅外對管的接收極為紅外線接收管，紅外線接收管一般有兩種，分別為紅外接收二極管和紅外光敏三極管。本系統(tǒng)采用的是NPN型光敏電阻三極管，當紅外對管的接收端接收到發(fā)射極的紅外信號后（未有阻礙物情況），此時NPN型光敏電阻三極管的集極會產(chǎn)生微小的電流從而使其處于飽和狀態(tài)，由于三極管的放大特性會使該三極管的集電極產(chǎn)生一個放大電流，從而使該處產(chǎn)生高電平的輸出電壓;當紅外對管的接收極未接收到發(fā)射極的紅外信號時（出現(xiàn)阻礙物情況），此時三極管處于關(guān)斷的狀態(tài)，集電極處的輸出電壓變換為低電平并觸發(fā)中斷。圖4為紅外對管電路原理圖。

3? 上位機的設(shè)計與實現(xiàn)

上位機采用C#語言進行WinForm窗體開發(fā)，實現(xiàn)上位機設(shè)計。其中C#是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它由C和C++衍生而來，在繼承了C和C++強大功能的優(yōu)點的同時也去除了它們特有的復(fù)雜性，成為.NETFramework應(yīng)用程序開發(fā)的首選語言。WinForm（Windows Form）即Windows窗體，是微軟公司為客戶端程序設(shè)計提供的一套豐富的控件，在該控件下，開發(fā)人員能夠通過拖拉組件來實現(xiàn)客戶端程序的界面設(shè)計，其具有設(shè)計簡單、界面優(yōu)美、維護方便等優(yōu)點[5]。

本系統(tǒng)上位機主要實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)儲存、服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)展示四大功能。數(shù)據(jù)交互功能通過串口接收ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中上傳的數(shù)據(jù)，同時上位機能夠?qū)igBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行初始化操作。數(shù)據(jù)存儲功能即能夠?qū)崿F(xiàn)將接收到的數(shù)據(jù)以txt（文本文檔）的形式存儲至該PC機以留備份。服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)功能是上位機通過Socket長連接與服務(wù)器通信，將串口接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。數(shù)據(jù)展示功能是將數(shù)據(jù)展示在WinForm窗體中，同時利用Chart圖表繪制實時命中率折線圖。上位機程序流程如圖5所示。

4? Web端的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)Web服務(wù)端是基于Tomcat服務(wù)器搭建的Web應(yīng)用服務(wù)器，主要采用Java語言開發(fā)，使用MVC設(shè)計模式進行設(shè)計，通過Socket技術(shù)將下位機獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，并利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過將MVC整體理念應(yīng)用到交互式軟件設(shè)計中，將該軟件設(shè)計開發(fā)劃分為模型板塊（Model）、視圖板塊（View）以及控制器板塊（Controller）三大部分?；贛VC設(shè)計理念進行的Web應(yīng)用程序設(shè)計與程序開發(fā)可以提升Web應(yīng)用程序的整體開發(fā)效率，進而降低Web應(yīng)用程序的開發(fā)費用，除此之外還能夠使Web應(yīng)用程序具有優(yōu)良的維護和拓展的能力。Tomcat[6]是一個免費開源的Web輕量級應(yīng)用服務(wù)器，由于它的可擴展性和安全性，使其在各種中小型系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。服務(wù)器后端采用Java語言進行設(shè)計與開發(fā)，通過MVC設(shè)計思想來搭建Web服務(wù)器的整體架構(gòu)。服務(wù)器前端頁面采用HTML5+CSS搭建用戶界面并通過JavaScript、JSP技術(shù)進行動態(tài)網(wǎng)頁處理。

Web端主要負責與用戶交互功能的實現(xiàn)，在上位機通過Socket連接向Web端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，通過MySQL數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲。當用戶向服務(wù)器請求相關(guān)的數(shù)據(jù)信息時，Web服務(wù)器通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)信息并在Web頁面呈現(xiàn)給用戶。其具體功能包含五大模塊，分別為用戶認證模塊、用戶模式選擇模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和學(xué)生信息管理模塊。用戶認證模塊具有用戶的登錄、注銷、注冊與刪除等功能，該模塊控制了登錄用戶的權(quán)限，提高了系統(tǒng)的安全性。用戶模塊選擇模塊具有選擇不同功能的作用，并且作為本系統(tǒng)的主界面，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同用戶的分流。實時數(shù)據(jù)顯示模塊主要負責實時顯示由無線采集控制網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，以方便用戶實時查看。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊能夠根據(jù)用戶選擇的人員或編號進行精確查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)在頁面上展示出來。學(xué)生信息管理模塊中管理員能夠通過頁面操作按鈕，實現(xiàn)對MySQL數(shù)據(jù)庫中存儲的學(xué)生信息進行更改、增加和刪除等操作。手機APP端通過Socket連接技術(shù)與服務(wù)器進行通信，將前端界面的信息同手機APP進行同步，實現(xiàn)移動手機端的操作，更方便用戶查看操作。Web系統(tǒng)框架如圖6所示。

5? 系統(tǒng)測試

通過賬號與密碼驗證用戶身份，成功登錄后，進入到智能籃球計數(shù)系統(tǒng)的主頁面。在頁面主界面，分別有訓(xùn)練模式，考核模式，查看歷史信息、學(xué)生信息管理和退出登錄。如圖7所示。

通過主界面的訓(xùn)練模式或者考核模式按鈕，分別進入到訓(xùn)練界面和考試界面。在此界面上可以選擇開始與結(jié)束。同時考試界面還能選擇考生的姓名。界面中分別描述發(fā)球數(shù)、進球數(shù)與命中率。如圖8、圖9所示。

通過點擊查看歷史信息，可以進入到歷史信息欄。界面中默認顯示學(xué)生成績歷史記錄，還可以通過點擊上方按鈕查看訓(xùn)練歷史信息。用戶可通過查看或?qū)С鰵v史信息直觀地了解學(xué)員的成績。如圖10所示。

通過主界面中的學(xué)生信息管理按鈕，進入到信息管理界面。界面中顯示系統(tǒng)錄入的學(xué)生信息，可通過排序進行區(qū)別查詢，點擊姓名可以更改學(xué)生信息，點擊增加按鈕可以在系統(tǒng)中添加新學(xué)生的信息。用戶可以根據(jù)對學(xué)生的信息統(tǒng)計進行更公平的打分。如圖11所示。

用戶還可以直接通過手機APP進行系統(tǒng)管理，整體功能與Web端實現(xiàn)的功能整體一致。如圖12所示。

6? 結(jié)? 論

本文設(shè)計的基于Web服務(wù)器的智能籃球計數(shù)系統(tǒng)，經(jīng)過測試能夠達到預(yù)期設(shè)計目的。本系統(tǒng)不僅能夠?qū)⒌玫降陌l(fā)球數(shù)、進球數(shù)、命中率等數(shù)據(jù)通過OLED屏幕、網(wǎng)頁瀏覽器和移動設(shè)備端多維度實時展示給用戶，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠通過導(dǎo)出等形式加以利用。本系統(tǒng)實現(xiàn)了ZigBee、本地局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，系統(tǒng)功能強大，并且具有安全可靠、公平公開、可隨時隨處查看等優(yōu)點?？蓮V泛用于訓(xùn)練機構(gòu)、學(xué)校等場所，在智慧健身鍛煉領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

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作者簡介：盧凱飛（1999—），男，漢族，河南平頂山人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。