基于RFID技術(shù)的高校智能長跑測試系統(tǒng)設(shè)計

王海鳴，黃艷梅，胡紹東，梁志鳳，胡光濤

（西南財經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院 四川 成都 61000）

0 引言

青少年的體質(zhì)健康對國家和個人的發(fā)展具有重大意義，教育局陸續(xù)出臺了一系列關(guān)于強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生身體素質(zhì)重要性的文件，對于全國各大高校，每年體測就是采集學(xué)生體征數(shù)據(jù)的一種重要方式，其中長跑測試是必不可少的一項。

傳統(tǒng)的長跑測試方式是在規(guī)定的時間內(nèi)，教師將學(xué)生集中在一起進(jìn)行集體測試，起點處和終點處各由一名老師進(jìn)行掐表計時，最后通過計算時間差得出成績。這種體測方式不僅需要耗費大量的人力，還存在著數(shù)據(jù)誤差等問題。

高校智能長跑測試系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)來感知測試人員的運動行為和各項身體數(shù)據(jù)，測試者首先進(jìn)行人臉識別，圖像信息和數(shù)據(jù)庫中的圖片進(jìn)行匹配，匹配成功后進(jìn)入系統(tǒng)測試，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)實時傳遞給處理器，處理器通過其強大的算法來處理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，從而使長跑測試流程更加智能化、科學(xué)化。

本系統(tǒng)的測試過程通過將射頻設(shè)備放置于跑道起點、終點以及跑道途經(jīng)點外側(cè)，測試人員檢錄完畢后，身著帶有RFID射頻卡的服飾，每一個芯片都有對應(yīng)的IP，當(dāng)運動員經(jīng)過射頻儀器時，機器將識別到的信號通過4G通信實時上傳至安卓終端，系統(tǒng)通過計算起點和終點的時間差得出測試者的長跑時間。初步的產(chǎn)品測試情況是射頻設(shè)備能夠正常運作，測試人員經(jīng)過射頻儀器時數(shù)據(jù)能夠自動上傳至服務(wù)器，本系統(tǒng)的最終效果是實現(xiàn)用戶測試數(shù)據(jù)的實時存儲和測試成績的精準(zhǔn)計算輸出以及測試數(shù)據(jù)的智能化分析[1-2]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

智能長跑測試系統(tǒng)主要由終/起點射頻子系統(tǒng)、途經(jīng)點射頻子系統(tǒng)、RFID射頻卡、射頻通信子系統(tǒng)和測試終端構(gòu)成。終/起點射頻子系統(tǒng)與射頻通信子系統(tǒng)連接，設(shè)置于跑道終點或起點外側(cè)；途經(jīng)點射頻子系統(tǒng)與射頻通信子系統(tǒng)連接，設(shè)置于跑道途徑點外側(cè)；RFID射頻卡貼附于長跑人員衣物上，每位學(xué)生的成績都經(jīng)射頻通信系統(tǒng)識別讀取；射頻通信子系統(tǒng)連接測試終端，用于將檢測信號上傳至測試終端。本系統(tǒng)的總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 RFID技術(shù)與傳感器技術(shù)

隨著科技進(jìn)步與時代的飛速發(fā)展，人們獲取的數(shù)據(jù)量越來越多，面對大量數(shù)據(jù)的處理也遇到了許多的問題，其中勞動力成本的增加是不可避免的。而以計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動識別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動采集和識別，并對大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時、精準(zhǔn)的處理。本系統(tǒng)作為一種應(yīng)用在高校的長跑測試系統(tǒng)，每次測試采集到的數(shù)據(jù)不計其數(shù)，采用自動識別技術(shù)獲取并處理數(shù)據(jù)可以有效地減少誤差和勞動力成本，同時提高工作效率。

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)是本系統(tǒng)采用的一種自動識別技術(shù)。與其他技術(shù)相比，RFID具有以下優(yōu)勢：

1）RFID標(biāo)簽面積較小，輕便易攜帶，并且具有各類不同的形狀，讀取數(shù)據(jù)信息能力不受體積大小影響。體測時學(xué)生僅需要穿著附有RFID標(biāo)簽的衣物便可參與測試，小巧輕便的標(biāo)簽并不會給學(xué)生帶來負(fù)擔(dān)。

2）RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛑貜?fù)使用。對于高校來說，體測是每年都需要進(jìn)行的，具有可重復(fù)使用特性的RFID標(biāo)簽?zāi)軌蝻@著降低成本。

3）RFID標(biāo)簽具有耐環(huán)境性。在處于昏暗潮濕或炎熱干燥的環(huán)境中時，RFID標(biāo)簽也能正常工作，讀取并處理數(shù)據(jù)。

4）讀取數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行接觸，能夠一次處理多個標(biāo)簽，并可以將處理的狀態(tài)信息傳入標(biāo)簽，供下一階段數(shù)據(jù)處理使用。高校長跑測試時，一輪測試是多個學(xué)生同時進(jìn)行，需要一次性處理多個數(shù)據(jù)，而RFID解決了這一問題。

RFID系統(tǒng)一般由讀卡器與電子標(biāo)簽和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。RFID系統(tǒng)的工作原理是電子標(biāo)簽與讀卡器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的無接觸耦合，指當(dāng)讀卡器通過天線發(fā)射器發(fā)射一特定頻率射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀卡器范圍產(chǎn)生感應(yīng)電流，RFID讀卡器依次接收處理數(shù)據(jù)，并發(fā)送給后臺應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理[3]。

傳感器是通過數(shù)字化來具體化現(xiàn)實世界中一些人類無法清晰感知的信息，如溫度、速度、濕度、重力加速度和PM2.5值等。傳感器可以看作是人類的擴(kuò)張感官，在未知領(lǐng)域或不適合人類進(jìn)行探索的領(lǐng)域是一種重要的探測設(shè)備。同時，它也起著連接外界和內(nèi)部處理器的作用。傳感器通過敏感元件收集外部輸入信號，并將信號轉(zhuǎn)換成另一種易于識別的輸出形式(電信號)，通過記錄和分析來控制變換元件和變換電路，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 檢錄系統(tǒng)

為有效記錄數(shù)據(jù)以及防止作弊行為，本系統(tǒng)采用人臉識別技術(shù)，用戶在進(jìn)行檢錄時可以選擇刷卡、自行輸入卡號等多種選擇。當(dāng)用戶進(jìn)行人臉檢錄時，系統(tǒng)調(diào)用攝像頭自動采集用戶人像數(shù)據(jù)并與學(xué)生證、軟件端以及服務(wù)器端三端存儲的人像數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，當(dāng)任一處比對成功時即視為通過驗證，若三處比對皆失敗，則判定非本人，需要現(xiàn)場求助相關(guān)工作人員進(jìn)行手動身份驗證。檢錄流程如圖2所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

上位機軟件的功能是對數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過站內(nèi)提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，將每條接收到的數(shù)據(jù)整理后加上時間戳，并保存到本地PC硬盤的文件之中。測試系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)通過測試終端傳入服務(wù)器端，服務(wù)器端通過調(diào)用定義好的接口對體測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。將得到的信息數(shù)據(jù)按照規(guī)范形式進(jìn)行提取處理后存儲至數(shù)據(jù)庫中，并上傳至教育部門的體測系統(tǒng)進(jìn)行審核。審核通過后，將測試信息發(fā)布至用戶移動端，并對學(xué)生體測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成相關(guān)健康報告以及健康訓(xùn)練指南，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行針對性的健康訓(xùn)練[5]。

本系統(tǒng)的上位機軟件的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個網(wǎng)站，即通過網(wǎng)站與數(shù)據(jù)庫后臺相連接，網(wǎng)站提供管理員、教師、學(xué)生三種身份權(quán)限的查詢。管理員具有導(dǎo)入和導(dǎo)出學(xué)校體測相關(guān)信息的權(quán)限，并且具有對學(xué)生長跑測試相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的權(quán)限；教師憑自己的工號密碼登錄系統(tǒng)可查看自己班級學(xué)生的測試記錄，并修改學(xué)生密碼；學(xué)生憑一卡通賬號密碼登錄系統(tǒng)，可查詢自己的基本信息以及長跑測試成績記錄。

2.3 測試系統(tǒng)

本系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的400米跑道為例，設(shè)計了一種智能化長跑測試系統(tǒng)，測試類型包括800米測試和1 000米測試。當(dāng)進(jìn)行800米測試時，RFID的起點位置可以檢測到人員通過信息，同時在途徑點也可以檢錄到信息。當(dāng)進(jìn)行1 000米測試時，起跑線處不設(shè)置RFID讀卡[6]。學(xué)生在檢錄界面可以智能選擇1 000米或800米的不同測試項目，檢錄完畢后將自動匹配學(xué)生信息并上傳至數(shù)據(jù)庫儲存，能夠有效地提高測試效率，節(jié)約人工成本，示意圖如圖3～圖4所示。

系統(tǒng)在整個長跑測試中的工作流程為：1）首先需要在測試終端進(jìn)行RFID卡片的錄入，該工作主要是為學(xué)生檢錄測試做準(zhǔn)備，最多支持40人同時檢錄測試；2）學(xué)生在進(jìn)行人臉檢錄時，需要對人臉檢錄信息進(jìn)行實時存儲，以防止突然終止測試而導(dǎo)致本次學(xué)生檢錄信息的丟失；3）當(dāng)人員檢錄完成后，進(jìn)入測試。

在測試系統(tǒng)中，利用選擇的RFID讀卡器和R2000天線，通過測試者穿戴有RFID卡片的背心，經(jīng)過設(shè)置的起點位置，讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)經(jīng)過終點位置時，也記錄下時間，每個時間值和芯片綁定的IP一一對應(yīng)，數(shù)據(jù)實時上傳至安卓終端，安卓終端通過數(shù)據(jù)處理分析得出測試者的長跑時間，女生測試可以在終端的頁面選擇800米，男生測試在終端頁面選擇1 000米，靈活實現(xiàn)測試距離的選擇。通過4G通信將數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器，精確且效率高。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計，繪制數(shù)據(jù)采集終端的PCB電路板。在數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)庫基站準(zhǔn)備好之后，開始在校園對系統(tǒng)進(jìn)行部署：在網(wǎng)絡(luò)管理中心安裝兩個基站，一個作為主數(shù)據(jù)庫基站，另一個作為備用數(shù)據(jù)庫基站。將八個數(shù)據(jù)采集終端分為兩組，并布置在數(shù)據(jù)庫基站周圍。四個位置分別為：第二教學(xué)樓、實驗樓、學(xué)生活動中心和操場。每個位置之間的距離不同，最遠(yuǎn)距離為600米。測試模式分為兩種，一種是正常情況下的測試模式：學(xué)生長時間按照規(guī)定的時間進(jìn)行長跑測試；一種是惡劣環(huán)境下的測試模式：在每個數(shù)據(jù)采集終端上貼附校園卡約1 h。通過后臺軟件計算數(shù)據(jù)包丟失率，最終測試結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 丟包測試結(jié)果

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，在500米以內(nèi)的通信距離無丟包現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)的丟包率很低，基本上可以忽略不計。在上位機軟件方面，系統(tǒng)運行兩個多月，網(wǎng)頁穩(wěn)定，能夠?qū)崟r上傳信息，無崩潰和異?，F(xiàn)象發(fā)生，學(xué)生使用后反饋感受較好。

接下來，通過本系統(tǒng)對不同距離下的學(xué)生體溫值進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。

通過圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，偶爾會有丟包和無法接受數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，但在大多數(shù)情況之下，數(shù)據(jù)的傳輸都沒有問題。在系統(tǒng)的智能性方面，當(dāng)接收到的體溫數(shù)據(jù)超出正常范圍時，系統(tǒng)將會發(fā)出相應(yīng)的警告。當(dāng)測試者與設(shè)備的距離在一個合理的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量體溫，當(dāng)距離為1米時，所測量體溫值為36.7℃；當(dāng)距離為12米時，所測量體溫值為36.6℃。誤差較小，說明本系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。通過硬件測試，可以看出本系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型完善，功能齊全，安裝方便快捷，對于高校的體測環(huán)境具有很強的適應(yīng)能力。

4 結(jié)語

本文對智能長跑測試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提供了一種智能化、科學(xué)化的長跑測試系統(tǒng)，通過RFID射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、人臉識別技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫和軟件端打造了一體化的智能長跑測試系統(tǒng)，有效地避免了人工測試所帶來的大量重復(fù)性工作，使測試過程更加安全和可靠。本系統(tǒng)也存在著一些不足之處，比如在硬件方面，當(dāng)工作時間過長時，可能會發(fā)生散熱異常導(dǎo)致設(shè)備停止，對此系統(tǒng)的改進(jìn)過程中應(yīng)及時對硬件進(jìn)行升級，提高其散熱效率。在數(shù)據(jù)包采集上，雖然數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象并不嚴(yán)重，但在未來的應(yīng)用中如果涉及更遠(yuǎn)的通信距離，數(shù)據(jù)丟包率可能會上升。系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化丟包重傳機制。軟件方面，在測試數(shù)據(jù)的處理上，一些算法還可以進(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)對于學(xué)生的成績分析能夠生成更加精準(zhǔn)的報告。