基于物聯網的定向運動平臺的設計

華南理工大學廣州學院 麥啟明

基于物聯網的定向運動平臺的設計

華南理工大學廣州學院 麥啟明

【摘要】隨著定向運動發展，各種訓練和比賽對定向運動成績平臺的要求也越來越高。因此本文提出了一種基于移動通信網絡的定向運動電子打卡計時設備，該設計除了無需校正時間，并且可以實時提供各參賽隊伍的打卡信息，還可以提供該點簽器的具體GPS位置。較好地解決了比賽地圖和實際定向越野點標不一致的問題。

【關鍵詞】定向運動；物聯網；SIM5320E

1 引言

科技的發展一直影響著運動成績的提高，從“鯊魚皮”到“刀鋒戰士”，從田徑的電子計時系統到球類比賽的“鷹眼系統”，電子科技的發展和進步無時無刻都影響著運動成績的進步，隨著移動互聯網的成熟和網絡資費的降低，物聯網技術已經逐步走進千家萬戶。

相對于其它運動定向運動進入中國的時間比較短，國內最早的定向運動比賽出現在1983年3月中國人民解放軍體育學院（廣州）參照國際定向運動競賽方法，在廣州白云山舉行“定向越野試驗比賽”［1］。1995年12月成立中國定向運動協會。2004年7月，中國定向運動協會首次組建中國國家定向隊和中國青年定向隊。近年來隨著定向運動比賽的發展，運動員的成績也越來越好，有效的訓練方法、公平的電子打卡計時設備顯得更為重要。

2 定向運動介紹和需求

定向運動是指運動員借助地形圖和指北針，自我選擇行進路線并按組織者規定的方式到訪地圖上所標示的地面檢查點，以通過全程檢查點用時較短者或在規定時間找到檢查點分數較多者為勝的一種體育運動［1］。早期檢查點由機械打卡器構成，運動員使用紙卡到不同的檢查點打卡，通過設置每個檢查點的出來的點狀圖案不同，比賽終點回收紙卡后再統計成績。近年來定向運動比賽加入了由電子點簽器組成的，電子點簽器之間沒有網絡連接，比賽前需要用特定的模塊來對各個點簽器進行時間校對。原來的紙卡變成了RFID （Radio Frequency Identification）非接觸手環，查分點刷卡的參數由RFID卡保存。所以到終點后可以馬上得出成績。這樣做有兩個問題，在比賽過程中不能實時有比賽過程的結果。難以對觀眾開展直播等推廣活動。點簽器實際的位置和比賽地圖中標注的位置會有誤差。通過引入移動通信模塊，可以提供實時通信和GPS（Global Positioning System）地址，可以解決以上問題。

3 系統結構

本系統電路部分主要由電子點簽器電路， RFID卡和PC機終端構成，如圖1所示。

圖1 系統框架圖

圖2 軟件流程圖

圖1中的虛線框內表示檢查點的電子點簽器電路，該電路由STM32F103主控芯片、RFID模塊、移動通信模塊和顯示模塊構成，其中RFID模塊負責讀取RFID卡的卡號，通過STM32F103的串口3將RFID卡號傳輸到是STM32中，STM32的串口1與移動通信通信模塊相連，然后STM32將RFID卡號、刷卡時間、檢查點設備號、GPS位置等信息按照固定格式通過UDP使用移動通信網絡傳輸到上位機中。上位機接收到信息后給對應的電子點簽器回復接收成功的信號。圖中的電子點簽器模塊根據不同的設備代碼被上位機識，允許有多個同時上傳。

3.1 移動通信模塊概述

本設計采用的無線網絡通信傳輸模塊為芯訊通公司SIMCom推出了一款高性價比的3G/HSDPA模塊SIM5320，SIM5320模塊內嵌GPS和A-GPS，客戶無需額外的成本就可以支持位置類服務，使客戶的GPS開發簡單和快速。定向運動平臺也可以使用其他公司的通信模塊來實現對不同網絡制式的支持。在本設計中移動通信模塊主要負責提供授時信號、GPS信號和網絡信號，用于計時、定位和與PC機通信。

3.2 RFID模塊

RFID模塊采用NXP公司的MFRC522原裝芯片設計讀卡電路，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“三表”應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備研發的較好選擇。MFRC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。支持14443A兼容應答器信號。數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測。此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證MIFARE系列產品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424kbit/s。對于定向運動平臺來說完全足夠。

4 軟件設計

4.1 程序流程圖

電子點簽器主要軟件流程圖如圖2所示。開機后，先初始化各個硬件模塊。單片機向3G模塊發送設置的AT指令，判斷單片機是否與模塊正常連接，接收到ok后單片機再向3G模塊發送開啟網絡請求。本系統與上位機傳輸用的協議是UDP，當有打卡信息時，開啟UDP連接，然后再根據發送的字節發送數據給上位機。根據上位機的回復來確定是否上傳成功。若不成功重新上傳。

4.2 與上位機通信

在系統獲取到RFID刷卡信息后，需要把刷卡信息發送給上位機，本設計參考的數據通信格式如下表，共6個參數，其中DevID的序列號根據中國徒步定向運動競賽規則規定需要大于30的數字，SN代表每次從考勤系統發送給上位機的編號，用于區分不同的打卡條目，MsgType代表消息種類在開機時，發送1，代表設備登錄，在打卡時發送2，代表有人打卡。

表1 點簽器與上位機通信參數

4.3 PC界面

圖3 PC端界面

圖3為PC端界面，可以設置比賽開始時間，出發隊伍間隔，在比賽過程中可以實時看到電子點簽器上傳的數據，并可以根據隊伍的分組來排序來輸出比賽結果。

5 結束語

本設計使用移動通信網絡作為數據承載，可以實時地顯示比賽或訓練中的情況，也可以提供點簽器的GPS信號，但是目前的能耗還需要進一步降低，以提高便攜性，作為定向運動的訓練比賽平臺，有一定的現實意義和參考價值。

參考文獻

［1］張新安，劉宗偉.定向運動∶一項促進學生綜合素質發展的時尚運動［M］.河南師范大學學報（自然科學版），2003∶86-88.

［2］鄭海杰，倪燃，王愛旭.基于嵌入式系統的定向運動平臺設計與開發［M］.電視技術，2015∶16-18.

［3］李良胤.基于網絡WebCT技術構建定向運動教學平臺的研究［J］.吉林體育學院學報，2012（04）.