基于物聯(lián)網(wǎng)的智能跑步計圈系統(tǒng)設計

薛 宇，劉寶剛，郭 旗

(1.延安大學體育學院；2.延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000)

田徑運動會是許多學校和地方體育機構定期進行的體育賽事活動。田徑運動會中長距離跑計圈工作是裁判工作中一個比較繁雜的工作，需要大量有經(jīng)驗、有專業(yè)知識的裁判員，即便如此，在執(zhí)裁過程中依舊會出現(xiàn)一些問題，嚴重的情況下還會出現(xiàn)錯判、漏判，導致比賽結(jié)果產(chǎn)生錯誤，需要花費大量時間進行糾錯，大大影響了比賽進行的順暢性。針對上述問題，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能長距離跑計圈系統(tǒng)，在信息采集層通過語音識別的方式進行運動員信息的采集，極大的減小了人工計圈可能產(chǎn)生的錯誤；在數(shù)據(jù)傳輸方面通過GPRS的方式直接上傳云平臺，方便了裁判員的工作，提高了工作效率。該系統(tǒng)成本低廉、使用便捷，具有一定的使用價值和應用前景。

1 物聯(lián)網(wǎng)各層次技術

1.1 感知層技術

感知層是數(shù)據(jù)的來源，處在三層結(jié)構的第一層。短距離無線通信技術、傳感器技術和嵌入式技術是組成感知層的主要技術[1]。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，傳感器就顯得更為重要，沒有傳感器的信息感知物與物、人與物就無法有效地溝通。傳感器的使用方式大致分為兩種：一種是和MCU單獨使用，MCU將數(shù)據(jù)做簡單處理；另一種是和無線通信模組(藍牙、zigbee、LaRa等)、MCU組成網(wǎng)絡節(jié)點使用，無數(shù)個網(wǎng)絡節(jié)點再把數(shù)據(jù)匯聚到一個節(jié)點，這個節(jié)點通常扮演網(wǎng)關的身份，本設計采用傳感器和MCU單獨使用的方式。數(shù)據(jù)的感知主要由傳感器完成，無論以哪種方式使用，傳感器就像人體的感覺器官一樣搜尋外界的信息。本系統(tǒng)在感知層使用語音識別技術來感知數(shù)據(jù)，語音識別模塊將采集的信息交給MCU處理即可完成感知層數(shù)據(jù)采集工作。

1.2 網(wǎng)絡層技術

網(wǎng)絡層進行上下兩層的信息運輸，其重要性不可忽視，如以太網(wǎng)[2]；無線通信方式，如Wi-Fi、GPRS以及新興技術NB-IOT等。在網(wǎng)絡層有兩種模型，自己建立網(wǎng)關和直接接入核心網(wǎng)絡，其模型如圖1和圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關在物聯(lián)網(wǎng)中扮演的角色是：對下層傳感器節(jié)點采集的信息按照一定的協(xié)議要求轉(zhuǎn)換為可上傳的數(shù)據(jù)包，然后把這些數(shù)據(jù)包通過以太網(wǎng)或者2G/3G/4G網(wǎng)絡上傳至應用層[3]。

圖1 有網(wǎng)關模型

圖2 無網(wǎng)關模型

考慮到體育競技環(huán)境的限制和成本的因素，本設計采用無網(wǎng)關模型，在網(wǎng)絡層使用GPRS模組接入核心網(wǎng)，直接將感知層采集的數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議打包以透傳的方式傳輸?shù)綉脤樱坏奖懔擞脩舻慕尤耄乙矞p少一些費用：建立網(wǎng)關費用、維護網(wǎng)關費用和布線的費用。

1.3 應用層技術

應用層依托云平臺對信息進行處理，面向用戶需求建立平臺交互界面。對于智能計圈系統(tǒng)平臺，本設計利用中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供的資源，將感知層與傳輸層傳回的運動員信息，進行智能化的保存、分析和處理[4]。基于互聯(lián)網(wǎng)方式查看運動員信息，不受時間和地域限制，方便了用戶的信息獲取。物聯(lián)網(wǎng)技術應用在體育競技中，同樣采用了普遍接受的三層體系架構[5]，感知層做數(shù)據(jù)收集，網(wǎng)絡層做數(shù)據(jù)傳輸，應用層做數(shù)據(jù)展示和命令下發(fā)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由語音識別模塊、單片機數(shù)據(jù)分析處理模塊、顯示模塊和聯(lián)網(wǎng)模塊組成。

2.1 語音識別模塊

在語音識別模塊的設計中，系統(tǒng)采用了LD3320語音芯片，該芯片的特點是其內(nèi)部集成了語音識別處理模塊和一些外部基本電路[6]，用戶在使用其功能時只用添加少許的電路就可以完成；在編程時也特別方便，拿到芯片的驅(qū)動，只用編輯程序中可識別的關鍵詞列表就可完成識別程序。需要注意的是在編程時要打開MCU的中斷。模塊在采集關鍵詞時是采用中斷的方式，在模塊軟硬件初始化完成后，打開中斷允許位，在有中斷來臨時，MCU就會讀取模塊語音識別的結(jié)果，語音識別模塊原理圖如圖3所示。

圖3 語音識別模塊原理圖

2.2 單片機數(shù)據(jù)分析處理

考慮需要用到網(wǎng)絡通信和語音識別技術，在控制器的選擇上選擇了意法半導體生產(chǎn)的32位單片機STM32F103ZET6[7]，采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，主要用到的外設資源有：GPIO、FSMC、SPI、USART、GPIO。

2.3 聯(lián)網(wǎng)模塊

在網(wǎng)絡層的聯(lián)網(wǎng)模組方面，本系統(tǒng)采用由芯訊通無線科技有限公司設計的GPRS模塊[7]，工作頻段涵蓋GSM/GPRS。模塊用AT指令集進行控制，與MCU以USART的方式通信[8]。在模塊和云平臺進行信息交互時，若要保持長連接的狀態(tài)，必須定時發(fā)送心跳包維持。一個重要原因是：在UE和核心網(wǎng)長時間無數(shù)據(jù)交互時，UE核心網(wǎng)的優(yōu)先級就會降低，這樣就有可能被擠掉線；另外一個原因是：在云端，若在設定的時間外無數(shù)據(jù)交互，就會強行被服務器斷開連接。系統(tǒng)主控電路圖如圖4所示。

圖4 主控電路

3 系統(tǒng)軟件設計

在系統(tǒng)程序設計中，選用MDK-ARM軟件為開發(fā)環(huán)境。使用C語言開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)過程中，使用的是前后臺系統(tǒng)(中斷+主函數(shù))。程序首先對單片機的系統(tǒng)時鐘、堆棧大小分等單片機系統(tǒng)資源進行初始化配置[9]；然后進入主函數(shù)(main函數(shù))，對單片機使用的外設資源和傳感器進行初始化，初始化完成后程序進入主循環(huán)函數(shù)(while函數(shù))進行初始化數(shù)據(jù)顯示，當有語音輸入時單片機自動進入中斷進行數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)進行計算后通過TFT彩屏進行呈現(xiàn)，若有“上傳云平臺”的語音指令時，單片機通過串口把數(shù)據(jù)傳給SIM800C模組，再由模組通過核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳云平臺。本系統(tǒng)的程序還有“加圈”、“減圈”、“清除數(shù)據(jù)”等功能的識別拼音串。通過對系統(tǒng)功能的分析給出系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

智能長跑計圈平臺基于中國移動的OneNET云平臺，將采集的數(shù)據(jù)處理分析，將處理結(jié)果展示給用戶。OneNET云平臺采用PaaS服務方式，為用戶可以提供云端接入服務，還可以為用戶存儲大量的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)模型示意圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)模型示意圖

平臺開發(fā)創(chuàng)建公開協(xié)議產(chǎn)品，其中公開協(xié)議包括：HTTP協(xié)議、EDP協(xié)議、MQTT協(xié)議、Modbus協(xié)議等，考慮到本系統(tǒng)屬于上報類業(yè)務，選擇協(xié)議時采用HTTP協(xié)議，智能長跑計圈平臺功能主要分為實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、成績分布柱狀圖等。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試過程分為兩部分：軟件調(diào)試和在線調(diào)試。在MDK程序編譯器中編輯好的程序，通過對程序編譯、運行[10]，檢查程序是否能編譯成功，根據(jù)編譯結(jié)果的提示進行修改程序，改正所有錯誤完成軟件的調(diào)試工作。在線調(diào)試中，將編譯運行好的程序燒入單片機中，打開系統(tǒng)開關，進行語音識別采集數(shù)據(jù)，根據(jù)云平臺交互界面顯示的結(jié)果，檢查數(shù)據(jù)是否和預設方案一致。如果存在問題，可根據(jù)實際情況對云平臺參數(shù)和相應程序進行修改，直至調(diào)試結(jié)果完全符合預設方案為止。

5 結(jié)論

從物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構設計出對運動員的信息感知、傳輸、處理的智能計圈系統(tǒng)，包含信息采集、控制、顯示、聯(lián)網(wǎng)等硬件電路設計和相應軟件設計，以及平臺界面和APP終端設計。對該系統(tǒng)做實際檢測論證表明該系統(tǒng)切實可行，實現(xiàn)了從信息采集到信息呈現(xiàn)的網(wǎng)聯(lián)化，提高了裁判員的工作效率。本設計在功耗方面還需要改進，這種上報類業(yè)務可以采用NB-IoT的PSM方式降低功耗。NB-IoT在功耗方面有優(yōu)勢外，而且在覆蓋方面相比于4G網(wǎng)絡增強了20 dB[11]，這樣就不用擔心信號覆蓋死角的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術與體育競技設備的結(jié)合，使現(xiàn)代體育競技越來越多地朝著智能化的方向發(fā)展，在未來的發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)與體育賽事的結(jié)合還有許多可以探討的空間。