擊劍比賽的電動裁判器

朱垚翔

上海尚德實驗學校 上海 201315

1 無線技術讓擊劍更加優雅

劍術分為三大類，分別是花劍、重劍、佩劍，每一種劍的設備和規則都不一樣，但基本原理是相同的，運動員的劍里有3條線，就像是火線、零線、地線，通過手線，后面的電纜、拖線盤和裁判之間形成一條電流線路[1]。電子劍的劍尖是一個圓筒狀的彈簧，當劍尖刺入敵人的要害位置，也就是“鐵甲”時，按鈕就會被擠壓，就會立刻切斷“電流回路”，就會導致指示燈閃光，重劍刺入身體的每一處，都是有效的。佩劍的有效攻擊區域是整個上半身，包括手臂，所以金屬護套完全覆蓋手臂，無論是被劍頭刺穿還是被劍身切開，都會打破原有的“循環回路”。雖然拖線盤可以使纜繩隨選手的前進和后退而伸縮，但是拖曳的長尾卻會妨礙選手在比賽中的注意力。在雅典奧運會上，這項“尾巴”第一次被剪去。北京奧運會，所有的花劍和佩劍比賽都配備了無線裁判器，運動員們可以通過無線方式向裁判發送信息。

2 擊劍運動中的無線記分法

2.1 半屏蔽天線積分法

在一般擊劍比賽中，通常會用到有線記分器，在使用有線記分器時，在擊劍運動員的背后，會有一條長長的電線。這條“尾巴”會對選手產生一定運動上的限制，使運動員根本無法掉頭，也無法做出任何的迂回，只能單純地進行進攻或防守，久而久之，觀眾也會看的厭煩。而且，這臺電子機器設備，不但體積大，占地面積大，而且造價昂貴。國際奧委會主席薩馬蘭奇于1993年訪問上海時，曾提出擊劍選手背后的拖繩將會對擊劍運動產生不利的影響。為了提升劍道比賽的觀賞性，國際劍聯大力推廣無線計分系統和透明面具等技術。

奧運會上很多運動項目都進行了改良，以提高其觀賞性。如今，電子科技如此發達，電話、電視、網絡都能實現無線傳輸，何必要留下這個“尾巴”？如果能把它換成無線的話，那么選手們就可以在更大的空間內活動，進行更靈活的格斗。于是，相關研究人員就想要設計一個無線的擊劍計分設備。經過長時間的思考，最終研究出一種克服以上難題的方法——半屏蔽天線原理。下面，將簡要地介紹它的基本原理及其在擊劍運動上的應用。

研究發現，當傳輸信號的波長比天線的大小要大得多時，通常的傳輸距離就會變得更大，因此，若要擴大有效距離，則可以擴大天線的尺寸，若要縮短發射有效射程，除縮小天線規模外，還應采取遮蔽措施，即利用無線電頻率信號線等屏蔽線，從而大大降低天線的有效尺寸，縮短發射距離。

大部分的天線都被屏蔽線所遮蔽，劍柄和劍身之間的中空通道連接在一起。因為劍鋒沒有被遮掩，所以才有了“半屏蔽天線”這個名字。由于劍尖的尺寸很小，所以發射器會產生微弱的電磁波，在一定的范圍內無法被接收到。在比賽中，當一把劍刺入對方的要害部位時，它的尖端就會與導電網相連，這就意味著它的有效尺寸會得到極大的提升，從而讓接收器能夠接收到它的攻擊。而當劍的尖端觸碰到目標的非傳導部分或非傳導層時，由于天線的有效尺寸沒有增加，那么接收端就不會收到誤報。而且，當劍鋒不小心或故意刺入自己的導電服時，會因為導體網與發送器的地線相連，導致天線和地線之間發生短暫的短路，由于無線電的發射原理，只會減少無線電的發射頻率，因此也不會產生誤報信息。

無線記分器正是基于這種原理，經過多次實驗，終于獲得了良好的效果。其感測和傳輸設備的工作原理見圖1。

圖1 傳感與發射裝置原理圖

該系統包括：無線信號接收、伺服放大器、伺服電動機、減速器、位置發信器、位置反饋信號等。電路的基本構成是集成電路。如前所述，在擊穿對方的有效位置時，由接收端接收到由傳送者發出的等幅波。由于與導電服的接觸并不能始終保持平穩的傳導，因此，接收端的輸出信號首先要用施密特的觸發器來完成，所生成的脈沖被送至兩個不能再起動的單穩態延時電路，使之變為單一的脈沖。其中一個輸出脈沖比較寬，標準化（=0.7CxRx,top是單穩輸出脈沖長度，也就是暫穩態的時間寬度）R1.5s，以便打開檢測電路，使得它發出大約1.5s的蜂鳴聲。另外的單穩輸出脈沖較窄，k(=0.7CxRx)=0.1s，利用它的上升沿開始計數，以記錄擊打次數和分數。該計數器采用了74HC4518的雙二位數字同步電路，該解碼器采用BCD-774HC4511分段顯示譯碼驅動IC最后，兩個BCD-7段LED以兩個十進制的數字表示計數。

上述設備競賽雙方都需要一組，但是使用頻率不同，以免造成混淆。在這里，接收和記分設備被置于更遠的記分臺。傳送器是由運動員佩戴的。但是，現在的電子技術可以讓它變得更輕、更小，可以裝在劍柄上，這樣一來，運動員們就可以輕裝上陣了[2]。

人們對無線記分器的疑問是，它更容易被外部的無意識或故意的電磁波所干擾。我們可以通過各種技術手段來防止這種情況的出現。例如，我們可以用一個數字脈沖信號來調制一個高頻波。如果在一場游戲中，隨機地使用一套不同的標識，比如100101101101100（1代表長，0表示短），就能完全避免被人利用。其實在體育項目中，使用無線電技術的項目有很多，比如遙控飛機模型、船模、車模等。最近幾年，被稱為“第一運動”的足球界，已經有人發明了一種電子識別裝置，它可以準確地判斷出足球是不是進了球門，并且已經在歐洲足球比賽中使用。

目前，盡管已經有人利用紅外線、振蕩器等原理開發了無線計分器，用于比賽和訓練，但是由于其效果不理想，常常出現誤判等問題。比賽中，只有佩劍的無線計分器被用于比賽，其他的并不包括在內。而“半屏蔽式天線原理計分器”，其設置簡單、緊湊、實用、可靠，尤其適用于穿上導電服的花劍運動。只要在劍鋒上安裝一個觸點開關，就可以使用（按照規定，插入的力道要超過500g，觸點開關的作用是在500g左右）。

通過這種設備，劍士們可以輕松自如地在較大的場地上進行迂回、追逐、轉圈等動作，使比賽的觀賞性大大提升，該設備價格低廉，易于操作，也可用于訓練和休閑。

2.2 藍牙(Bluetooth)無線記分法[3]

藍牙(Bluetooth)技術，是愛立信等五大IT設備生產商于1997年創立的一種新型的無線通信工具。目前，藍牙技術在許多近距離數據通信中得到了廣泛的應用，其發展趨勢十分顯著。Bluetooth通道帶寬為1MHz，并支持語音和數據傳輸；大部分的連接距離是10～100m，新版本的Bluetooth標準可支持超過1Mb/s的傳輸速率，這是為了滿足越來越多的寬帶和多媒體服務的需要。

2008年奧運擊劍俱樂部采用的W—reless2000擊劍記分系統由OMEGA公司出資，烏克蘭STM公司制造，該導流由以下幾部分構成：

LED在頭盔面罩上的顯示方式、控制裝置i41、無線感應器、傳感器初始化裝置i、各類聯結線材、附件、充電器。

該導流涉及一種無線藍牙通信系統，其特征在于：①接收機：一種由顯示面板、觸發（擊中）記錄裝置及供電裝置組成的一種接收裝置。②傳輸器：每一位選手都有一套發射裝置，向接收機傳送打中的信號，并以紅綠兩種顏色來區別不同選手的打中。

北京奧林匹克運動會中使用的無線電服務是最有保障的服務。在擊劍比賽中，藍牙裁判器工作在2.4GHz波段，發送功率為100MW，收發裝置之間的間距不超過20m。24GHz波段也被稱作ISM或未經授權的波段。許多IEEE802.11b的無線網路裝置及其他裝置也工作于此頻段，對潛在的干擾隱患都會進行進一步的分析和研究，主要有以下干擾因素：

雙感探頭。在劍道拐角和電梯里，都安裝了上百個監控攝像頭，這些攝像頭上都有微波和紅外線探測器，可以激活攝像頭。通過對2.4GHz頻率的微波檢測，以及對儀器工作原理的分析，得出以下結論：雙感探頭在2.4GHz波段的低端工作，帶寬不超過1MHz；雙感探頭的發射功率較低，籠罩半徑為200m。綜合上述分析，本文認為，雙感探頭不會對藍牙裁判器造成不利的無線干擾，但會對低頻帶WLAN通道造成一定的影響。

餐飲微波爐。許多擊劍館員工的便當都是用高能通道微波爐來加熱。微波爐的工作頻率和藍牙一樣，都是2.4GHZ，50M，功率非常大，如果不能有效隔離，勢必會影響到藍牙。但是經過研究發現，大多數微波爐設備都被放置較遠，并不能影響到相應的比賽。

藍牙手機。目前大部分手機都具有藍牙功能，方便用戶通過手機和手機、手機和耳機進行數據和聲音通信。藍牙設備的傳輸功率一般在1mW左右，觀眾和藍牙裁判儀之間的距離是200m，而藍牙裁判儀的發送功率是1000mW，發送和接收的距離不到20m，信干比可以達到要求。

3 結束語

擊劍（Fencing）是劍類運動之一，選手們手握一把長而有彈性的鋼刀，戴著面具，身著指定的衣服，在一個長方形的場地上進行比賽。按照一定的時間，以刺（斬）的次數來判定勝負。針對擊劍運動中的電動裁判器，本文講述了兩種無線電動裁判器原理，以便為相關研究提供參考。