基于STC12系列單片機的多功能運動軌跡記錄裝置設計

武警警官學院 河北 廊坊 065000

引言

傳統中長跑測試考核如1500米、3000米、5000米等,一般采用人工掐秒表的方法對成績進行記錄。這樣不但需要耗費大量物力、人力,而且人工計時和記錄差錯較多。同時,在防作弊方面,采用人工監督的方式,可能出現人為包庇參考人員的行為,影響考核公平公正。目前,市面上的考評設備多采用射頻技術,能夠計時計圈,具用計時精確、響應速度快、電源充足的特點[1]。但仍存在設備成本高昂,設備組件復雜,操作維修困難,無法有效檢測替考、抄近道等作弊行為的問題。借鑒巡更系統的巡邏打卡和軌跡記錄技術[2],可設計一款基于運動軌跡記錄的系統,用于輔助巡邏執勤,加強安防建設。

1 系統整體設計

本設計立足于現有中長跑考核設備和巡邏打卡設備,設計出一套可跑步計時、巡邏打卡、檢測心率、違規報警的運動軌跡記錄裝置。利用多機無線通信技術,設備可以探測到人員位置,并借助算法自動生成軌跡記錄。設備對運動軌跡數據進行分析處理,進而實現中長跑計時和巡邏打卡。該系統以電磁波為傳輸介質,省去復雜的線路,具有成本低、功耗小等優點。此外,利用心率檢測傳感技術,還能實現檢測人員生命體征和防作弊替考的功能[3]。

裝置由環線設備和攜帶設備組成,兩者均應用無線通信技術進行信息傳遞,經過各種主控模塊分析處理后,調控各功能模塊,進而實現裝置的功能。根據系統硬件結構,系統軟件分為攜帶設備控制軟件和環線設備控制軟件。多功能運動軌跡記錄裝置總體軟件結構見圖1。

圖1 多功能運動軌跡記錄裝置總體軟件結構圖

2 系統硬件電路設計

攜帶設備是一款可穿戴的設備,攜帶設備的無線通信模塊接收到信號后,對其進行分析處理,通過調控計時、顯示、報警、心率檢測等模塊,進而完成跑步計時、巡邏打卡和違規報警的功能。攜帶設備電路分為單片機主控模塊、無線通信模塊、計時模塊、心率檢測模塊、聲光報警模塊、按鍵輸入模塊、信息綜合顯示模塊、電源轉換模塊。攜帶設備硬件電路見圖2。

圖2 攜帶設備硬件電路圖

攜帶設備的主控模塊負責讀取信號、處理信號、記錄軌跡和調控外圍模塊,選擇STC12C5A60S2單片機作為主控模塊。無線通信模塊用于在攜帶設備和環線設備之間建立了數據交互的橋梁,選用nRF24L01射頻通信作為無線通信模塊。信息綜合顯示模塊負責顯示時間、跑步成績、圈數、巡邏打卡記錄等信息,選用OLED顯示模塊顯示綜合信息。計時模塊負責產生實時日期和時間,完成中長跑測試計時和巡邏計時,選擇DS1302時鐘芯片實現計時功能。心率檢測模塊用于檢測使用者生命體征和判斷是否摘取設備,選用Pulsesensor心率脈沖傳感器,實現心率檢測功能。聲光報警模塊發出聲光警示信號,以達到報警目的,選用蜂鳴器報警和紅色發光二極管。按鍵輸入模塊用于設置相關參數,與顯示器共同實現人機交互操作。電源轉換模塊為設備提供穩定的電源,選擇鋰電池供電和LM1117系列穩壓芯片調節和穩定電壓。

攜帶設備的工作狀態有待機狀態和功能運行狀態,功能模式有跑步模式和巡邏模式。待機狀態下,OLED顯示器顯示主頁,可設置功能模式和查詢軌跡記錄。功能運行狀態下,設備鎖死按鍵,定時檢測心率,等待接收環線設備標號。當有信號傳輸時,讀取和處理標號,并記錄時間,形成運動軌跡記錄。當出現替考、抄近道等違規情況,設備進行聲光報警,并顯示違規類型。跑步模式下,單片機調用計時模塊,顯示器顯示跑步計時界面。巡邏模式下,顯示器顯示巡邏打卡界面,打卡后形成記錄。

環線設備是一組發射臺,通過發射環線設備標號,以便攜帶設備確定使用者的位置。環線設備電路分為單片機主控模塊電路、無線通信模塊、信號顯示模塊、按鍵輸入模塊、電源轉換模塊。環線設備硬件見圖3。環線設備的主控模塊負責協調控制各個模塊,選擇和攜帶設備相同的STC12C5A60S2單片機。無線通信模塊負責發送設備標號,元器件選擇與攜帶設備相同。信號顯示模塊負責顯示設備標號和設備工作狀態,僅要求顯示數字,LED數碼管能夠滿足。按鍵輸入模塊用于設置標號和轉換設備工作狀態,選用獨立按鍵和74HC08四輸入與門。電源轉換模塊負責為無線通信模塊和主控模塊提供穩定電源,環線設備是可移動的裝置,選擇于易于購買的更換的干電池即可。

3 結論

本文了一款基于STC12系列單片機的多功能運動軌跡記錄裝置。由于自身時間和能力有限,設計本身仍然存在一些問題。如:心率檢測功能不全面,設備只是簡單判斷是否檢測到心率,未能計算處準確的心率值,可改進用于實時檢測心率、血氧。實物尺寸有待減小,可改進為智能手環等隨身設備[4]。