基于單片機的體育運動無線傳感器網絡性能比較研究

鄧超

(西安思源學院 體育部， 西安 710038)

0 引言

體育運動被認為是周期性活動，即循環某一動作，以跳高運動為例，被視為是復雜的循環—非循環運動，其目的是在穿過桿時使跳線的質心達到最大高度，為了獲得高性能和低傷害，注意跳高運動員的起飛技術是非常重要的。為了獲得良好的起飛技術，接近階段的速度和起飛時的力是跳高過程中需要捕捉的重要參數。因此，利用傳感器來捕獲跳躍期間腳踝的跑步速度和力量的數據是研究跳高運動員的運動水平[1-3]。

在物聯網(IoT)時代使用無線連接是體育運動研究的一種普遍趨勢，現在大多數運動員都喜歡可穿戴設備，利用該類設備可捕捉速度、能量、心跳和健康生活方式的關鍵數據，并確保運動員在參加比賽時身體狀態是否符合比賽條件。然而，目前缺乏實時可穿戴設備能夠捕獲高跳線的速度和力量，為了開發可穿戴設備，具有無線功能的傳感器和微控制器的需求對于確保運動員自由使用該設備而不需要在其身體上部署任何線纜是非常重要的。

無線傳感器網絡(WSN)作為一種用于觀察數據環境并將數據無線發送到系統接收器的新型推廣網絡，要構建WSN，需要傳感器和接口設備(如微控制器)連接在一起。從頭到尾的高跳線總平均運行時間約為6秒。因此，需要能夠以每秒10個數據無線傳輸數據的WSN，即每個數據100ms。這是因為，跳高運動并不需要像其他運動那樣捕捉高速數據，例如足球運動在滑行過程中需捕獲傾斜的高度。為了解決數據傳輸問題，WSN設備在延遲和吞吐量方面的錯誤需要最小化，并且設計充分考慮設計成本。在這項研究中，微控制器ESP8266和Arduino Yun Mini被用于連接到作為WSN的力和全球定位系統(GPS)傳感器，這是因為兩個微控制器都包含內置Wi-Fi并且尺寸小。此外，相關研究中提出的這種WSN設備只需要在起飛前捕獲速度并在起飛時捕獲力。為了分析這些問題，本文討論了無線傳感器網絡在微控制器吞吐量和延遲方面的傳輸網絡問題，對WSN的吞吐量和延遲的分析涉及在不同的設置模式下觀察這些參數。主要目標是在最佳性能方面選擇1個微控制器，包括可靠性的延遲和吞吐量，以確定要在跳高可穿戴設備中使用的系統的網絡質量[4-6]。

1 無線傳感器網絡(WSN)的設計

以下各節分別介紹了WSN的吞吐量和延遲問題以及WSN設備的成本問題。

1.1 吞吐量和延遲問題

吞吐量是系統在給定時間內可以處理的信息總量的度量。系統輸出的相關度量包括可以完成某些特定工作負載的速度和響應時間，單個交互式用戶請求和響應接收之間的時間量；延遲是從輸入系統到期望結果的延遲。在數據傳輸中，介質本身的例子如光纖，無線或任何傳輸介質都會引入一些延遲，這種延遲因介質而異。每次數據包傳輸的大小會產生延遲，同時較大的數據包接收和返回的時間比較小的數據包要長。為了對這些實驗的重要性進行分析，前面研究人員對問題的總結如表1所示。

表1 相關工作總結

簡而言之，可以得出結論，吞吐量和延遲是網絡傳輸和進一步研究需求的重要問題。特別是在硬件實現方面，微控制器和傳感器等嵌入式電子元件的實現方面[7-8]。

為了克服這些問題，需要測量WSN設備的吞吐量和延遲，以檢查微控制器成功傳輸速率的性能。在這些實驗中，傳感器將用作微控制器的輸入作性能比較，無線傳輸的輸出將根據吞吐量和延遲進行測量。

1.2 成本問題

無線傳感器網絡設備的成本是當今市場中相關因素之一。大多數傳感器都很便宜，但是連接或控制傳感器的WSN設備很昂貴，一些WSN設備具有傳感器、控制器和無線接口以將數據發送到服務器，這使得WSN設備更大且成本更高。在對WSN進程和協議研究時，可以發現一種方法來實現相同的功能而無需使用昂貴的WSN設備。

目前，大多數微控制器都實現了內置Wi-Fi，與外部無線連接相比便宜得多。由大多數產品批量生產的微控制器通常具有在特定系統中不期望的目的，而在低傳輸網絡中不需要某些協議。如表2所示。

ESP8266和Arduino Yun Mini的微控制器可以傳輸低傳輸數據并且體積小，并且可以通過不干擾其運動而變成能夠附著到運動員身體的WSN設備。

表2 相關工作總結

1.3 設計與實施

如圖1所示。

圖1 用于測量WSN設備的吞吐量和延遲的架構

測量WSN吞吐量和延遲的設備總體概括圖，選擇ESP8266和Arduino Yun Mini微控制器作為檢測設備的選擇有幾個原因。該微控制器在實時監控系統中的實現是專門為任何其他微控制器無法有效完成的任務，如低功耗，小面積和Wi-Fi集成。集成在微控制器中的Wi-Fi主要是無線傳輸或接收來自服務器的數據，因此它可以是無線傳感器節點。一下將對該方法進行概述，并突出在系統和響應者級別獲得的結果，包含如下：

1.用于測試傳輸速率的輸入；

2.微控制器傳輸數據的過程；

3.從微控制器接收的輸出數據。

1.4 輸入

由力和全球定位系統(GPS)傳感器組成的兩個傳感器充當設備的輸入，并且測試了所有傳感器。GPS傳感器提供速度輸出，力傳感器提供力輸出，利用該類傳感器是田徑運動如跑步，跳高和跳遠的常見傳感器。每個傳感器連接到微控制器的一個接口，因為兩個傳感器主要用于不同的位置，即力傳感器位于腿的踝部，GPS傳感器位于身體的腰部，如圖2所示。

圖2 微控制器使用的傳感器輸入

這兩種傳感器僅作為輸入數據來測試微控制器的吞吐量和延遲。

使用毫秒函數(Millis Function)測試每個輸入傳感器以測量吞吐量和延遲。毫秒函數充當數據傳輸之間的時間間隔，選定的時間間隔值為1 ms，10 ms，100 ms，500 ms和1 000 ms。每個傳感器每次傳輸產生3位數據的輸出，這是因為，速度和力產生3個數組，其中每個數組包含1位數據，如表3所示。

表3 吞吐量和延遲的數據設置值

使用等式(1)測試從輸入數據間隔在秒級轉換的吞吐量的輸入數據，如式(1)。

(1)

1.5 數據處理

在這項研究中，使用2個微控制器，即ESP8266和Arduino Yun Mini。這些微控制器處理GPS和力輸入傳感器，用于檢測運動員的速度和力量，由Arduino IDE軟件編程。然后，來自傳感器的數據通過兩個微控制器板中的內置Wi-Fi無線傳輸到互聯網路由器，微控制器中使用的Wi-Fi充當將數據傳輸到路由器的傳感器節點。微控制器使用消息隊列遙測傳輸(MQTT)軟件搜索通過互聯網協議(IP)地址訂閱它的任何路由器，Arduino串行監視器顯示微控制器與服務器的連接，如圖3所示。

圖3 Arduino串行監視器編碼視圖

1.6 輸出

充當主機PC的服務器訂閱傳感器節點并使用MQTT軟件從其接受數據。來自傳感器的數據通過MQTT串行監視器或命令窗口顯示，如圖4所示。

圖4 MQTT串行監視器工作界面

接收的數據將保存在MQTT日志文件中，從日志文件中測量和分析延遲和吞吐量。

1.7 實驗測試

吞吐量實驗

吞吐量在固定時間(總共60秒)和不同的數據設置吞吐量上進行測試，以便以115 200 bps的波特率測試兩個微控制器的性能，測試環境為田徑場的開放空間。為3位，6位，30位，300位和3 000位數據的微控制器選擇了5個測試輸入數據設置。 傳輸測試數據并計算成功接收的數據的數量以獲得接收的數據量，傳輸的輸出數據和錯誤百分比，如如表4所示。

表4 傳輸的輸出數據的結果和錯誤的百分比

使用不同的輸入數據傳輸設置測量吞吐量的結果，兩個微控制器在誤差方面略有不同。兩者都不能準確地傳輸3 000 bit的數據，并且從Arduino Yun Mini獲得最大96.99%的誤差。而在3位和30位時，數據傳輸開始穩定，并且從ESP8266計算出0.17%的最小誤差。 ESP8266的輸入數據為3位和6位的成功百分比均為100%，而Arduino Yun Mini的6位誤差恰好為0.83%。因此，通過減少輸入數據將減少吞吐量的誤差。從結果可以看出，當測試兩個微控制器時，從30位到3位的誤差百分比接近0%。因此，與Arduino Yun Mini相比，ESP8266微控制器的吞吐量誤差更小。

延遲實驗

通過測量1個數據的輸入和輸出之間的間隔誤差以及變化的輸入時間間隔(ms)來測試延遲，以便以115 200 bps的波特率測試兩個微控制器的性能，測試環境為田徑場的開放空間為1 ms，10 ms，100 ms，500 ms和1 000 ms的微控制器選擇5個輸入時間間隔。發送測試數據并測量數據發送和接收之間的時間間隔，以便獲得每個數據的時間間隔延遲量，輸出時間間隔，如表5所示。

表5 每個數據的輸出時間間隔

使用每個數據的不同輸入時間間隔測量延遲的結果，兩個微控制器在誤差方面略有不同。兩者都不能準確地以1 ms的時間間隔傳輸數據，并且時間間隔延遲誤差超過Arduino Yun Mini的最大值42.02 ms。但是，ESP8266的500 ms和1 000 ms時間間隔沒有發生錯誤，并且在100 ms時間間隔內計算0.01 ms的最小誤差。同時，Arduino Yun Mini仍然有很大的差距，即大約14.40 ms到9.90 ms的時間間隔延遲誤差在100 ms，500 ms和1 000 ms。因此，只有ESP8266成功傳輸數據，在500 ms和1 000 ms沒有錯誤，因此到目前為止Arduino Yun Mini在每個輸入設置時間間隔發生錯誤。因此，通過增加時間間隔，輸入設置將減少錯誤或時間間隔的等待時間。從結果可以看出，當測試到ESP8266時，從100 ms開始到1 000 ms時間間隔延遲的誤差接近0 ms。因此，與Arduino Yun Mini相比，ESP8266微控制器的延時誤差更小。

2 總結

本文分析了2微控制器ESP8266和Arduino Yun Mini在吞吐量和延遲方面的性能。吞吐量結果顯示每秒需要傳輸的最佳輸入設置數據從30位及以下開始。然而，延遲結果顯示每個數據需要傳輸的最佳設置時間間隔從100 ms及以上開始。這是由于需要傳輸的設置數據越低，微控制器的成功吞吐量數據的百分比越高。同時，設置數據的時間間隔越長，微控制器的延遲就越小。這是由于每個周期提供了更多的時間和更少的數據傳輸。因此，證明了ESP8266在延遲和吞吐量方面提供了更好的性能。