基于ESP8266的智能無線跑步計時器

曾樹洪，魏勇，林俊健

（惠州學院,惠州 516007）

0 引言

在現(xiàn)有技術(shù)中，跑步競賽計時的方法多種多樣，田徑場競賽記錄系統(tǒng)通常采用有線發(fā)令技術(shù)，系統(tǒng)復雜，花費高昂，裝拆攜帶不便，難以維護，而且無法普及到小型運動會和學校賽事等；在一些小型比賽中很多仍舊采用人工掐秒計時，費力誤差大，成績記錄麻煩。本項目提出一種較新的簡易跑步計時方式，結(jié)合幾種較簡單而新穎的技術(shù)，希望為在小型跑步競賽和學校活動中也能如大型比賽那樣應用規(guī)范的方法計時。本項目系統(tǒng)框架基于單片機開發(fā)板，通過在跑道起點裝置發(fā)聲裝置（蜂鳴啟動器），終點裝置雙管紅外，并通過無線Wi-Fi技術(shù)實現(xiàn)單片機模塊與手機App等移動終端設備通訊，在計時前將每條跑道運動員信息錄入移動端App，在起點發(fā)聲裝置可自動發(fā)出起跑指令，運動員起跑，同時移動端App啟動計時，當運動員到達終點時又會阻斷紅外對管從而產(chǎn)生信號通過Wi-Fi反饋至移動端App終止計時。在移動終端設備上通過設計專門的系統(tǒng)軟件（App）對接受到的信號進行計算自動統(tǒng)計出運動員成績及排名、比賽情況，從而在移動設備上就可以操縱計時，能夠便捷地同時對多名運動員進行計時，無需人工啟動計時，不會有人為誤差，實現(xiàn)對跑步項目自動計時的目的。

1 系統(tǒng)整體設計

智能無線跑步計時器系統(tǒng)由三部分組成，分別為紅外對管組子系統(tǒng)、單片機子系統(tǒng)、移動操作端子系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層架構(gòu)進行設計，分為感知層、通信層和應用層，其中紅外對管組子系統(tǒng)屬于感知層，單片機子系統(tǒng)屬于通信層，移動操作端屬于應用層。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)應用原理

2.1 ESP8266 Wi-Fi

Wi-Fi無線網(wǎng)絡在無線局域網(wǎng)（WLAN）的范疇是指“無線相容性認證”，是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，Wi-Fi的設置至少需要一個存取點（Access Point，AP）和一個或一個以上的客戶端使用者（client）。無線AP每100ms將 SSID（Service Set Identifier）經(jīng)由 beacons（信號臺）封包廣播一次，beacons封包的傳輸速率是1 Mbit/s，并且長度相當?shù)亩蹋赃@個廣播動作對網(wǎng)絡效能的影響不大。因為Wi-Fi規(guī)定的最低傳輸速率是1 Mbit/s，所以確保所有的Wi-Fi client端都能收到這個SSID廣播封包，client可以藉此決定是否要和這一個SSID的AP連線。使用者可以設定要連線到哪一個SSID。Wi-Fi系統(tǒng)開放對客戶端的連接并支持漫游，這就是Wi-Fi的好處。無線跑步計時器采用的是ESP8266 Wi-Fi，在室外場合通信范圍可達到400m左右，有效距離長，速度快，可靠性高。服務器原理ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡解決方案，能夠搭載軟件應用，或通過另一個應用處理器卸載所有Wi-Fi網(wǎng)絡功能。ESP8266強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設備，實現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個解決方案在設計時將所占PCB空間降到最低。

2.2 紅外對管驅(qū)動

紅外線發(fā)射管（IR LED）也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類，它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，基于紅外對射式的原理，紅外發(fā)射管和紅外接收管相對，由發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，接收管接收紅外信號，當有物體從中間經(jīng)過時，紅外接收管接收不到紅外信號，就會產(chǎn)生一個低脈沖信號，紅外線發(fā)射管的發(fā)光功率大，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性好，常被應用于通訊及感測器領(lǐng)域，無線跑步計時器是在紅外探測的基礎(chǔ)上結(jié)合無線Wi-Fi技術(shù)，進行時間的計時控制。本產(chǎn)品采用S5PV210單片機進行開發(fā)，而S5PV210采用了ARM Cortex-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達1GHz，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可以實現(xiàn)2000DMIPS（每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力。驅(qū)動及測試程序使用PC端Linux系統(tǒng)中的超級終端Minicom建立與單片機內(nèi)嵌入式Linux系統(tǒng)間的連接后，在PC端Linux系統(tǒng)內(nèi)編寫，并將編寫好的代碼傳輸至單片機內(nèi)，利用多線程驅(qū)動多個紅外對管模塊。在開機的同時啟動紅外對管模塊的驅(qū)動，將紅外線對管模塊數(shù)據(jù)實時傳輸至服務器端。

3 系統(tǒng)詳細設計

3.1 感知層

紅外對管檢測模塊：紅外對管檢測模塊包括一個紅外對管組，紅外對管組由多個紅外對管裝置組成，紅外對管裝置的數(shù)目可以按照需要使用的田徑場跑道進行安裝，不能超過十個，通過輕便的支架安裝在跑道終點的位置，每個紅外對管裝置皆與單片機開發(fā)板有連接。當運動員沖過終點時,紅外對管檢測到某一條跑道有物體，將信號反饋至單片機。

3.2 通信層

（1）服務器信息發(fā)送模塊：智能跑步計時器設計時采用的服務器主要基于Linux操作系統(tǒng)，由Linux C編寫，通過調(diào)用Socket API來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，主要采用TCP/IP通信協(xié)議,運輸層采用的是TCP協(xié)議已提供可靠的、面向連接的服務。服務器主首先初始化一個Socket套接字，用于監(jiān)聽客戶的連接，當服務器監(jiān)聽到客戶連接時，pthread_create一個線程。負責發(fā)送延遲檢測以及終點信號傳出，通過select并發(fā)手段來獲取Android移動端的請求，分析請求后，通過write方法將響應發(fā)送到移動Android端。同時，為了防止因客戶端崩潰導致信號無法確定，本服務器建立了一個共享內(nèi)存區(qū)，并且在共享內(nèi)存區(qū)上映射了共享數(shù)據(jù)、互斥鎖以及Posix信號量，以及同步進程間的共享數(shù)據(jù)，中途重連時發(fā)送信號確定包。當單片機檢測到哪條跑道有人沖過終點時，服務器將信息發(fā)送至移動操作端，告知運動員已沖過終點。服務器原理圖如圖2所示。

（2）移動操作端信息接收模塊：移動操作端使用Java語言編寫的SocketAPI，用于接收來自單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)，主要采用TCP/IP通信協(xié)議,運輸層采用的是TCP協(xié)議。用戶使用智能無線跑步計時器系統(tǒng)時，需要向已經(jīng)處于運行狀態(tài)的服務器發(fā)送連接請求。

3.3 應用層

（1）比賽信息輸入模塊：進行訓練/比賽時，需要在比賽項目單選框內(nèi)選擇50米、100米、200米、400米，確定比賽項目后，再按道次輸入每一位運動員的信息，包括編號、姓名、道次、備注四個信息，待輸入完成后準備發(fā)令，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖2 服務器原理

圖3 系統(tǒng)流程分析

（2）發(fā)令模塊：發(fā)令模塊需要發(fā)令員點擊移動操作端上的“發(fā)令按鈕”，揚聲器先發(fā)“各就位”口令，上一個口令完畢后1.6-2.2秒后（模擬比賽中發(fā)令員口令間隔不確定性）發(fā)出“預備”口令，上一個口令完畢后1.0-1.6秒后（模擬比賽中發(fā)令員口令間隔不確定性）發(fā)出“砰”（接近正規(guī)比賽槍聲）起跑口令。

（3）計時模塊：當發(fā)令功能執(zhí)行之后，移動操作端會同時開啟計時器，計算從發(fā)令到當前時間點的時間。發(fā)令后，移動操作端將開始提取來自服務器的數(shù)據(jù)，當提取到哪一條跑道有運動員沖過終點時，計時一次，標上是哪條跑道，當所有運動員沖過重點或者手動操作，計時功能將會停止。

（4）成績統(tǒng)計、顯示模塊：計時功能完成后，將進入成績統(tǒng)計、顯示模塊。移動操作端將在后臺將本項目比賽（可多組）按成績進行排名，最后顯示在手機屏幕上。

（5）數(shù)據(jù)保存、查看模塊：比賽結(jié)束后，移動操作端自動將本次比賽數(shù)據(jù)保存在App的SQLite本地數(shù)據(jù)庫。保存后可以通過頁面查詢歷史比賽記錄。

4 運行測試

（1）在Android端注冊登錄后，連接終點檢測系統(tǒng)然后選擇項目信息和道次，輸入比賽名稱點擊確認進入另一頁面。再依次輸入各條跑道的運動員信息，如圖4所示。

圖4 Android端計時測試

（2）在點擊開始按鈕后，揚聲器發(fā)出起跑口令，同時Android端計時器啟動計時，當有運動員到達終點時，依次對其進行計時，計時結(jié)果按運動員到達先后的順序排序，測試邀請了專業(yè)體育生，數(shù)據(jù)顯示正常，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Android端計時測試

5 結(jié)語

智能無線跑步計時器是一個將無線Wi-Fi、紅外對管以及移動端App技術(shù)結(jié)合起來，形成一個智能環(huán)保的計時系統(tǒng)。將跑步App與跑步計時系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)智能自動計時，使其在設備進行高精準的計時的同時，利用普遍化的手機進行數(shù)據(jù)管理及存儲。以及手機App同時擁有的即時分享功能，豐富跑步計時。使得其在能夠作為一款訓練及比賽產(chǎn)品的同時，更能夠融入生活，成為生活的一部分，與體育智能硬件領(lǐng)域崛起的趨勢不謀而合，符合了健康體育的時代。