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面向中长跑体能测试的RFID设计与实现

发布时间:2019-05-15 02:15:00 文章来源:工具之家    

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李庆功

摘 yao: 将RFID无xian射pin技术应yong于zhongchang跑deti能测shijishi以我guobiao准4 m跑道为例设计RFIDzidong计时xi统de无xianyueduqi布jushiyong频率为2.4 GHzdeyuedu器对电zi标qian进xingshi别。针对ji于RFIDde中长跑zidong计时xi统de无线阅读器和电子标签进xing硬jian设计bingshiyong帧时隙ALOHA算fashixian多ge运dong员同时进ru阅读器shibie范围neide防碰撞chu理。使yong定wei算fa对阅读器识别范围内de运dong员进xing定位确定运动员cheng绩。最后通guo实验fang法yanzheng基于RFIDde中长跑自动计时系统。

关键词: RFID; 体能测试; 自动计时; CC253

Abstract: The RFID technology is applied to the physical fitness test timekeeping of the middle?and long?distance race. The wireless reader layout of the RFID?based automatic timekeeping system was designed by taking the standard 4 m track as an example. The reader of 2.4 GHz is used to identify the electronic tag. The hardware design was performed for wireless reader and electronic tag of the RFID?based middle?and long?distance race automatic timekeeping system. The frame time?slot ALOHA algorithm is used to conduct the anti?collision processing when several athletes go into the reader′s recognition range at the same time. The positioning algorithm is used to locate the athletes within the reader′s recognition range, and determine the performance of the athletes. The RFID?based middle and long distance race automatic timekeeping system was verified with the experimental method.

Keywords: RFID; physical fitness test; automatic timekeeping; CC2530

0 引 言

我国现代教育yi直将培养xue生de德智体作为教育de主要目标。通guoxiang关调chashu据可以看chu我国学生体质状况越lai越cha,学生de肥胖bi例逐年增加。另外,zai很多农村学校肥胖学生的bi例也是居高bu下。yixie例ru糖尿病冠心病、高血zhiyiji高血压等zai老年人身上经常出现的肥胖疾病开始zai青少年身上出现,而且患病率逐渐提升,因此我国lu续制定liao相关的措施来避免学生过du肥胖,以达到weihu我国学生体质健康的目的[1]

在对学生ge人身体素质进行衡量的过程中,中长跑测试是主要的衡量指标。摄像法、光学法以及rengongshou动计时法是目前国内运动计时采用的主要方法。实际上人工手动计时cun在一定的缺陷,首先运动cheng绩需要由zhuan门的人员进行记录,而且可以认为改写记lude成绩,如果两个运动员同时到达zhong点jiu会有jiao强的人为操作xing,无法产生较高的精du。由于其ju有较高的精du光学方法得到了广fan的应用,但是在个体识别方面bu能fa挥较好的效果[2?3]。

作为一zhong非接触自动识别技术,RFID技术得到了广泛的应用,其能gou在较为复杂的环境中进行应用,具有较快的识别速度,通过和定位技术的相互结合能够在ju部区域内对目标进行定位[4]。

ben文使用RFID技术实现中长跑体能测试的自动计时系统,避免人工手动计时的wu差,降低人工劳动的qiangdu。

1 系统总体结构

benwen以目前中国中小学以及高校普遍使用的标准400 m跑道为例,设计基于RFID的1 000 m体能测试自动计时系統。400 m跑道中直道总长度为2×85.96 m,弯道总长度为2×114.04 m,弯道半径为[5]36 m。根据跑道长度和面积设计RFID自动计时系tongde无线阅读器布局,如图1所示。

由图1可以看出,由于跑道长度和面积不算da,并且基于RFID的自动计时关注的重点是在跑道终点处标签(运动员)的识别和计时,因此使用频率为2.4 GHz的阅读器即可实现对电子标qiande识别,2.4 GHz的阅读器能够对百米范围内的标签进行识别,标签为有yuan标签,标签寿命可达6年以上,具有较高的稳定性和kekao性[6]。

本文研jiu的基于RFID的中长跑自动计时系统的工作原理是:首先利用天线阅读器将射频xinhao向外发射,进而对工作范围内的标签进行激活,天线大小、发射功率以及射频xinhao频率决定了阅读器的工作范围;其次如果标签没有超过阅读器的工作范围就可以激活射频信号,在产生gan应电流的过程中标签就可以获得能量,然后阅读器就能够获得相关的ID信息。最后在接收到标签发出的数据信息以后,阅读器就可以经过jie调和解码获得相关数据,通过I/O接口将数据chuan输到监kong主机上[7]。

2 RFID计时硬件系统

基于RFID的中长跑自动计时系统硬件部分主要包括无线阅读器和电子标签。电子标签由电chi供电,以腕表的形shi系挂在运动员手腕上。无线阅读器在跑道终点线上以一定规则布置。系统总体框图如tu2所示。

作为射频识别系统的基本组成部分,电子标签能够对需要被识别的物体进行标识,主要由电yuanmokuai、天线、射频收发mokuai、存储mo块以及主kong模块组成。其中标识是通过ID号实现的,生产日期以及产地等一系列信息能够通过ID号体现出来,阅读器能够读取存储在存储单元中的这些信息,同时无法修改这些信息。

阅读器主要包含天线、电源模块、I/O 接口模块、射频收发模块以及主控模块。利用天线发动射频信号阅读器就能够将范围内的标签激活,标签返回信号zai被天线接收的过程中就能够实现yu标签zhijian的通信,这样就可以对表现的信息进行获取。工作在不同频duan的阅读器具有不同的通信距离。

本文使用的电子标签工作频率为2.4 GHz,标签的电源由纽扣式电池提供,电子标签的射频前端主要使用Nordic的nRF24L01,微处理器使用TI的CC2530,供电輸入电压为+3 V,通过SPI口配置nRF24L01的寄存器以及控制nRF24L01。电子标签中CC2530主控芯pian和射频芯片nRF24L01的引脚连接如图3所示[8]。

无线阅读器主要由主控模块、无线射频收发模块、天线以及RS 232通信模块和电源模块等组成。

(1) 主控模块实现与应用软件的通信,同时对应用系统发送的指令进行执行,对无线射频电子标签的通信过程进行控制,编码和解码信号。对防碰撞算法进行执行。解密和加密标签与读卡器交换数据,验证标签和读卡器之间的身份。

(2) 无线射频收发模块利用产生的高频发射能量对电子标签进行激活diao制发射信号,将数据传输到电子标签,接收并解调来自电子标签的射频信号。

(3) 天线用于对电子标签和阅读器之间的射频信号进行传送。

(4) RS 232通信模块连接上位机和阅读器,对电子标签采集的信息进行传shu

(5) 电源模块使用1117?3.3芯片将5 V电源转换为3.3 V电源供给射频模块。

(6) 通信模块主要使用CP2102芯片实现无线阅读器与上位机的通信,上传运动员的跑步成绩。

3 RFID计时软件系统

3.1 防碰撞算法

dang一个阅读器同时被几个标签要求信息传输时,数据之间就会产生干扰,使得无法正确的识别标签。这样阅读器只能采用多路存取方式对不同标签的信息进行读取。其中空分多址、码分多址、频分多址以及时分多址是多路存取防碰撞的主要方式。

时分多址中信息的传输是通过不同deshi隙实现的,能够按照时间划分整个信道,这样同一个信道就不会被多个标签占用。该方法在RFID系统中应用能够达到很好的防碰撞效果。

作为一种概率类型算法,ALOHA算法能够采用竞争的方式进行信道的访问。帧时隙ALOHA算法改进了时隙ALOHA算法,将一个帧分为个时隙,这样标签只能根据从个时隙中选择的时隙进行信息的发送。dang时,算法示意图如图5所示[9]。

帧的时隙数在该算法中是固定不变的,大小为同时时隙的长度应当和标签wan成信息传输所需要的时间一zhi。当时隙只有一个标签时就可以成功读取标签信息;当时空时隙向下一个时隙跳转,产生碰撞时,需要等到这个帧结束后,再对相关的时隙进行搜寻,进而完成信息的发送[10]。

3.2 电子标签定位算法

本文使用到达时间定位算法计算运动员到达终点的时间。在计算点与点之间的距离时主要通过两点之间数据信号传输所耗费的时间进行计算。根据公式对于超声波以及电磁波等celiang信号,在获悉其波速以后就可以通过对两者之间信号传播时间的测定得到两者之间的相对距离[11]。

设为需要定位的电子标签,如果只存在一个测量参考点,那么就只能对点的相对位置进行测量,该点在以为半径,为圆心的圆周上。如果存在两个参考点,那么两个点为圆心所对应的圆会产生两个交点,因此两个交点中的一点为的位置,但是对于具体的点无法确定。如果存在san个参考点和可以得到三个点(A,B,C)的相对距离,然后通过解析几何就可以对点的位置进行计算。因此只要三个参考点buchu在同一条直线上就能够准确地对点进行定位。定位算法原理如图6所示[12]。

4 RFID计时系统实验

通过实验方法验证本文研jiu的基于RFID的中长跑自动计时系统。使用人工计时的方式与本文研究系统进行对比分析。利用100名运动员进行1 000 m测试,起点和终点如图1所示。运动员需要经过三次终点线才能完成1 000 m的测试,分别使用人工计时的方式与本文研究的自动计时系统的部分记录成绩如表1biao2所示。

使用光学测量方法对运动员的1 000 m测试成绩进行记录,认为该成绩为zhen实成绩。由于光学测量方法的硬件系统和成绩处理复杂,因此仅在实验中应用。使用人工计时的方式与本文研究系统与运动员的真实成绩进行对比,对比曲线如图7所示。

可以看出,本文研究的自动计时系统记录的成绩稳定性好,误差能够控制在一定范围内,并且误差比人工计时方式更小,使用人工计时方式的误差波动较大,主要受到裁判人员的判断误差和注意力不jizhong的影响。

5 结 论

本文对使用RFID技术的中长跑体能测试的自动计时系统硬件和软件系统进行设计,避免人工手动计时的误差,降低人工劳动的强度。通过实验验证本文研究的基于RFID的中长跑自动计时系统,结果表明,本文研究的自动计时系统记录的成绩稳定性好,误差能够控制在一定范围内,并且误差比人工计时的方式更小,使用人工计时方式的误差波动较大,主要受到裁判人员的判断误差和注意力不集中的影响。

参考文献

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现代电子技术 2017年1期

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