定向越野電子計時系統理論與設計

樊 麗

（榆林學院，陜西榆林，719000）

0 引言

在體育比賽里的許多定向越野計時項目（如自行車、山地車、馬拉松、等）中，由于不計其數的運動員經常是同時在越野，如果要精確記錄單個參賽者的名次和速度，難度是相當大的，且準確率低，而且需要極其巨大的數量裁判來輔助，造成了人力、財力、物力等方面的巨大浪費。自動電子設備雖然有很多種，已經應用到比賽中，但是，這些產品都不是很成熟，有這樣那樣的缺點，如果用在多段路段比賽中，這些設備的弱點就暴露無遺。國際重大賽事現在采取了RFID 技術，比如波士頓馬拉松比賽等，使用RFID 技術，可以節省大量人力、財力，另一方面，運動員的成績，圈數等一目了然，實現了自動化，可靠性，公平性昭然若揭。無線傳感器網絡技術和RFID 技術相結合，RFID 和WSN網絡的優勢充分發揮，無線傳感器將記錄的數據傳給總臺統一處理，該系統彌補了當前的電子計時系統的不足與弱點，填補了越野比賽中的計時空白。

1 關鍵技術

1.1 RFID 技術

是射頻識別技術的簡稱，（Radio Frequency Identification）興起于上世紀90年代的一項自動識別的科學。無線射頻方式被采用，非接觸式進行雙向通信，自動識別計時并無線傳播數據，這項新發明被應用在各項領域內。非接觸式的自動識別技術的有點是使用壽命長、距離遠、精確度高、安全系數高等特點，電子購票、快遞系統、供應系統中廣泛采用。

1.2 WSN 技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensors Network，以下簡稱WSN）根據所處環境自動生成，微小傳感器節點上有電腦芯片，密布在無人值班的區域，測控網絡系統幾乎實現全自動化,其特點有無人值守、全自動化、動態性。目前，環境、軍事、家庭、商務、醫療、空間探索等諸多領域都已經應用了這種技術。

1.3 兩項技術的結合

無線傳感器能量消耗大是個嚴重的缺點，由于無線傳感器應用的特點，無線傳感器必須具備容量小、性價比高、使用壽命長，這給無線設備提出了巨大的挑戰，RFID 技術解決了能量持續供給的問題。這種技術是從電磁場中獲得電能，電磁場由讀寫器的天線中產生，運用自動發電的原理。此外，不斷發展完善的RFID 成功產品也為無線傳感器網絡產品提供了重要的借鑒。因此，RFID 技術與無線傳感器網絡兩項技術巧妙結合，兩項優點都能同時發揮，獲得了巨大的成功。

1.3.1 RFID 傳感器標簽

主要由一個微控制單元，感測單元，射頻單元，通信單元，所述定位單元和電源單元，傳感器的RFID 標簽結構的微控制單元負責的任務的分配和調度RFID 傳感器標簽整個芯片，完成后的數據的分析，存儲和forwardingwireless 數據驗證和維護區域網絡中的路由，RF 單元控制接收和發送射頻信號，并使用空分復用，時分復用，頻分復用和代碼分多址接入方法，achievetarget 識別和系統防沖突機制，通信和定位裝置，用于解決無線通信運營商的頻帶，數據傳輸速率，信號的調制，編碼等的選擇，并且在發送和接收經由天線之間的芯片和讀寫器的數據，具有數據融合，請求仲裁和路由選擇功能，所述定位單元的定位，以實現芯片位置的定位和方向的信息傳輸的無線傳輸協議，如基于IEEE802.15.4 標準和ZigBee 協議等;電源單元的引腳，持續regularstable 的能源供應得到合理的集芯片發送和待機能源消耗消耗和傳輸的可靠性問題是可以解決的，有效延長的使用壽命芯片。

1.3.2 基于RFID 協議構建WSN

網絡需要考慮以下幾個問題：建立網絡安全協議，網絡拓撲結構，系統的功耗，網絡成本問題，流動性管理。有沒有專門的網絡協議的無線傳感器網絡，RFID 協議標準的無線傳感器網絡協議提供了一個研究方向。代表RFID 協議標準EPC，ISO，UID 等，制定一個統一的全球覆蓋頻段的RFID 標準也正在進行中。根據標簽的新一代的RFID 標準，將有更多的存儲空間，成本更低，更靈活，更安全的通信機制，因此建立一個基于RFID 協議的無線傳感器網絡是完全可行的，它具有以下特點：基于RFID的無線傳感器網絡是一個閱讀器為中心的網絡：讀寫器是無線傳感器能量提供者，在整個無線傳感器網絡的信息樞紐，從根本上解決了無線傳感器能量供應的問題，其中大多數的信息處理和網絡管理功能集中在閱讀器處于關閉狀態，從而使傳感器結構相對簡單。RFID 無線傳感器網絡是一種低成本的網絡：無線傳感器的設計基于RFID 芯片技術在未來可能會降低到幾毛錢的幅度的順序?；赗FID 無線傳感器網絡是一個相對安全的網絡：RFID 協議對網絡安全的措施，包括傳感器和讀卡器通信網絡和信息安全和隱私控制機制的關鍵。基于RFID 的無線傳感器網絡，無線傳感器網絡具有多種附加功能：如RFID 定位技術是一個具有重要意義的關鍵技術，另一個例子是，RFID 防碰撞技術，可同時讀取多個無線傳感器。

2 系統架構

RFID 已經初步應用的計時碼表機芯，取得了良好的效果，但也有很多不足點，如信息節點的可靠性，自動匯集問題。因此，對于長距離計時錦標賽建立一個更全面的RFID 傳感器網絡系統的意義，該系統具有更低的成本，實用性強。

2.1 硬件環境

2.1.1 RFID 傳感器節點

每個節點包括：主控制器，RF 收發器，RF 天線，RFID 讀寫器，RFID 天線，電池，和各種連接器和終端的RFID 傳感器標簽（標簽）。工作流節點：運動員部署RFID 傳感器標簽（TAG）傳感器節點通過RFID 天線發出查詢信號的標簽，標簽激活電磁波，驅動天線的RFID 天線以應對自己的信息，信息是RFID 閱讀器來讀出并處理發送到主控制器通過RS-232 串行接口，則達到了RF收發器通過SPI 接口，由RF 天線到其他節點，該節點通過多跳（multi-hop），和最終的信息的控制和處理中心，從而在所需的目標信息。

（2）無線傳感器網絡結構圖WSN 結構通過RFID 傳感器節點，網關，Internet 網絡（或專用網絡），遠程控制系統。每個RFID 傳感器節點通過獨立的，匯集到網關的信息，然后傳送到遠程控制系統通過Internet 網絡（或專用網絡）。遠程控制系統還可以發送遠程命令,通過RFID 傳感器節點，一些RFID 傳感器標簽讀寫操作，完成指定的功能。

2.2 軟件環境

整個系統主要包括四個子系統：數據采集子系統，運動員登記子系統，在線數據處理子系統，運動性能的實時子系統。數據采集 子系統所說的RFID 傳感器節點，其余三個子系統軟件環境。

2.2.1 運動員登記子系統

該系統完成運動的登記注冊，建立后臺數據庫，具體完成功能有：具有輸入、修改、查詢等功能；具有打印各種統計報表的功能；具有資料備份的功能。

2.2.2 在線數據處理子系統

該子系統每過一定時間向數據子系統發送一次參數采集指令，并等待數據采集子系統傳送相關的各項數據信息，數據采集單元通過接口讀到從射頻控制器傳來的RFID 傳感器標簽編碼信息，再根據此信息從數據庫中查出該運動員的資料，并自動記錄到達時間（或分段時間）。該子系統具有錯誤自動診斷和排除功能。

2.2.3 數據分析子系統

該子系統主要針對匯集上來的各種數據，包括RFID 標簽數據、sensor 數據等，集中進行分析，可以綜合評判一個運動員在環境因素、身體因素下得到什么樣的成績。

2.2.4 成績實時發布子系統

該子系統處理后臺數據庫中的運動員成績和排名，并通過顯示設備顯示出來，同時可以實時打印運動員的成績報表以及成績公告報表等。

3 總結

本文討論了RFID 和WSN 技術的特點，并結合這兩種技術，建立一個基于RFID 的傳感器網絡在運動計時系統使用。具體的系統架構，從硬件到軟件的全面分析，分析其可行性。進一步解決防碰撞的問題，相應速度快的系統，以適應游戲標簽，閱讀器，天線和其他問題，并輔以由軟件控制和管理，該系統可以同樣適用于正式的長距離比賽。在此基礎上，進一步改進，可以更廣泛地使用。

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