基于紅外對射技術的短距離跑步計時系統設計與應用

徐峰 施蘭平

摘要：該文以基于紅外技術原理的50 m計時系統為研究內容，主要分析了系統的硬軟件架構和設備參數，以及在實際操作使用中的問題，并通過對1 256名大學生進行測試后檢驗了系統在計時成績方面的可靠性和穩定性。研究結果：（1）通過升級LED發光二極管紅外發射探頭，解決了戶外強光對本系統紅外線的干擾，系統穩定性升高，測試中無成績丟失現象；（2）驗了終點紅外對射裝置在不同高度時計時成績，當終點紅外對射裝置高度在90 cm與專家手計成績間無顯著性差異（P＞0.05）；（3）比該系統與專家手動計時方式之間的變異系數值，該系統變異系數值比手動計時低，測試成績效度比手動計時要高；（4）系統解決了手動秒表所涉及的誤差和測試效率問題，可同時進行8人分道測試。研究結論：基于紅外對射技術的50 m跑計時系統在計時精度和效度上達到了專家手動計時水平，可以用于學校50 m跑測試，它對各學校提高學生體質健康測試效率，減少不同學校在50 m測試精度上的差距，同時對于教育主管部門評價不同地區學生體質健康水平有非常好的意義，具有較高的應用推廣價值。

關鍵詞：紅外對射? 50 m跑? 電動計時 計時系統

中圖分類號：TH714? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper takes the 50-meter timing system based on the principle of infrared technology as the research content， mainly analyzes the hardware and software architecture and equipment parameters of the system and problems in practical operation and application， and tests the reliability and stability of the system in terms of timing performance? after testing 1256 college students. The research results are as follows：（1）By upgrading the infrared emission probe of the LED light-emitting diode， the interference of outdoor strong light on the infrared ray of the system was solved， the stability of the system was improved， and there was no loss of performance in the test. （2）The timing performance of the terminal infrared through-beam device at different heights was checked，? and there was no significant difference between the expert manual results when the terminal infrared through-beam height was 90 cm（p>0.05）. （3）The coefficient of variation value between the system and expert manual timing mode was compared， the coefficient of variation value of the system was lower than that of manual timing， and the validity of test results was higher than that of manual timing.（4）The system solved the error and testing efficiency involved in manual stopwatches， and could perform 8-person split tests at the same time. Research conclusion： The 50-meter race timing system based on infrared through-beam technology has reached the level of expert manual timing in term of timing accuracy and validity， and can be used in the 50-meter race test in schools， which has good significance and high application and promotion value for schools to improve the efficiency of the students' physical health test， reduce the gap in the accuracy of the 50-meter race test in different schools， and evaluate the students' physical health level in different regions by the education authorities.

Key Words： Infrared through-beam；50-meter race；Electric timing；Timing system

《國家學生體質健康標準》要求學生每學年參加評定一次，標準從身體素質、身體形態和身體機能三大方面綜合測試評價學生的體質健康水平。身體素質類中的50 m跑是小學到大學各年級學生必須參加測試的共性指標，它在評價標準中占20%的比重 。當前各學校組織學生參加50m跑測試多采用手動計時，手動計時受從業經驗、人體反應延時誤差、工作環境和視覺疲勞等方面的影響較大，計時誤差可達0.24 s。而學生完成50 m跑所需要的時間非常短，所以50 m跑的計時精確度對評價學生體質健康水平存在較大影響。同時，手動計時產生的誤差也會帶來教育部考核各地區學校學生體質健康水平之間的差異，因此需要研發一套測試效率高，記錄成績實用的50m跑計時系統去記錄學生成績。

目前，田徑比賽多采用高清頻閃攝像和RFID無線射頻技術計時系統去記錄跑步成績。高清頻閃攝像計時系統成績記錄精度到1/1000s，但是它的缺點是產品價格昂貴，學校投入大，整套系統設備在使用前期的調試過程復雜，需要有專業技能的人對設備進行定期維護。RFID無線射頻技術系統對于短距離項目存在的最大問題是碰撞現象，當同一時間通過終點閱讀器定位標簽數量過多時會造成標簽記錄數據丟失的現象，參加測試的學生可能出現沒有成績的情況。此外RFID無線射頻技術系統的定位精度誤差在5 cm～5 m之間，這個誤差對于短距離跑項目過大，所以需要開發一套成本低，計時精度較高的系統便于在各大學校推廣使用。該文以基于紅外對射技術原理自主開發了50 m跑計時系統為主要研究內容，詳細分析了系統的構成、工作原理和硬軟件參數，以及在具體實際應用操作方面發現和解決的問題，為廣大學校提高大學生體質健康標準測試效率和成績效度提供支持。

1研究對象與方法

1.1研究對象

為了檢驗終點對射裝置在不同高度時所記錄成績的精度和效度問題，選取參加大一體育課程38個班共1 256名學生為研究對象，測試時間是2022年5月。學生年齡、身高、體重和BMI指數等基本信息見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

查閱中國期刊網和外文期刊網Web of Science數據庫。以“手動計時”或“紅外對射技術計時”或“電動計時系統”為關鍵詞，檢索2000—2022年內國內外刊載的相關文獻，最終獲取相關的研究論文9篇。在認真閱讀和分析所獲取論文的基礎上，對前人所研究的“徑賽計時系統”和“紅外對射計時系統”進行整理匯總，以保證該文研究的前瞻性和新穎性。

1.2.2 實驗測試法

選取參加大一體育課程38個班級1 256名男女學生進行測試，測試過程中采用專家手動計時和紅外對射系統兩種計時方式，每位參加測試的同學，在同一個終點紅外發射器高度上會獲得兩種計時方法的測試成績。

（1）測試設備。50 m紅外對射計時技術系統。該系統硬件主要由主機、紅外對射攔截探頭、探頭支架、終點成績顯示屏這4個部分構成。主機軟件系統在江蘇領康公司生產的基礎上進行了新的設定。主機所使用芯片nRF24AP1由深圳富達實業公司生產，工作頻率2.4 GHz ISM，具有125個頻點，支持點對點、點對多通信，實際用戶數據速率可達20 kb/s，空中接口的最高傳輸速率可達到1 Mb/s。

（2）測試方法。測試前將所有參加此次測試的學生信息（學號和姓名）導入本系統，每組測試人數為2人。先由教師帶測試學生充分做好準備活動，之后學生按照隨機編碼順序參加測試，終點手動計時由3位國家一級田徑裁判員負責，手動計時成績以3人中間成績為準。

1.2.3數理統計法

采用SPSS 21.0 統計軟件對本系統和手動計時成績進行統計分析，成績以“s”秒統計，統計結果中P＜0.05認為具有顯著性差異。

2結果與分析

2.1紅外對射計時系統架構

2.1.1系統主機硬軟件構成與參數

該系統的硬軟件構成見圖1。主機使用的軟件在領康公司生產的分析軟件基礎上進行了新的設定，采用嵌入Android 4.2.2系統，主機外面配有7寸電容觸摸屏，支持多點觸控，屏幕采用中文顯示界面。為提高主機的運行速度，采用RM Cortex-A7雙核構架CPU核心處理器，1.0 GB RAM運行內存和8 GB ROM FLASH存儲空間，系統反應速度和性能更加穩定，功耗得到降低。此外，主機還預留兩個標準化USB2.0接口，可直接插入U盤導入100 000條測試名單信息，也可直接導出測試成績至U盤自動生成Excel表格。主機內置大容量可充電鋰電池，可獨立工作一個工作日以上，在停電時不影響測試。主機在測試操作步驟中有中文提示，實時語音播報測試者姓名、性別等信息，報測試步驟和測試結果。可實現雙屏幕同步顯示測試過程和結果，此外主機具多種身份識別功能，可通過觸摸屏輸入、機械鍵盤輸入、非接觸式IC卡（兼容校園一卡通）、條碼掃描槍等識別方法。在測試過程中如果是手動輸入學號具備自動遞增功能。

主機菜單功能上具備單項查詢、體查詢、組查詢，具有年級、班級、組別、日期等多種篩選數據方式，查詢便捷。可以導入評分標準，對測試結果實時評分。主機具備數據多重備份（數據庫、文本、U盤、數據上傳等備份方式），保證測試成績安全可靠，具有數據一鍵恢復功能防止誤刪。SQlite數據庫，讓查詢效率提高，存儲更多的數據，該系統的硬件參數見表2。

2.1.2終點紅外發射與接收裝置

該系統終點紅外對射裝置見圖2。因為傳統的紅外線對射計時裝置在室外使用時容易受到可見光的影響，特別是測試時太陽光照強會出現丟失測試成績的情況。為了解決這個問題，該系統將終點普通的發光二極管升級為LED發光二極管，將發射的紅外線波長增加到0.76～1.5 μm，比可見光中的紅光波長要長[1]，該系統終點紅外發射裝置發射的光譜位于紅色光之外，這樣做可以避免了可見光對本系統的影響，成功解決測試中成績丟失的問題。

此外，為進一步提高終點裝置的穩定性，該系統終點紅外發射器芯片采用市面上穩定性最好的nRF24AP1芯片，它包含1Mb/s的射頻收發信機、異步串行接口UART、時鐘模塊和ANT協議機等4個模塊，芯片的內部結構圖見圖3。在實際工作中由主機發送指令給發射和接收裝置，裝置執行指令，完成跑步后發射和接收裝置發送給主機指令，主機進行接收并完成計時功能。 此外，nRF24AP1芯片功耗非常低，為了進一步降低功耗本系統設置有“sleep”休眠和“Suspend”兩種工作模式。通常為了使nRF24AP1省電進入休眠狀態，只需要將“sleep”休眠信號置為高電平就可以阻止串口通信，當“sleep”休眠信號處于低電平時，nRF24AP1不會進入待機狀態，此時串口處于準備接收數據狀態。

2.1.3系統成績管理

在開始測試前先在測試場地內架設紅外對射計時系統和網絡，將各個設備主機調試完畢。開始測試前的檢錄方式支持學生刷學生卡或手腕條形碼兩種方式。學生在刷卡完成后按照檢錄先后順序進入相應跑道的起點準備進行測試。負責測試人員按下主機控制面板上開始按鈕，主機向計時終端發出命令，紅外計時終端開始工作。主機連接音響發出各就位、預備和槍聲，同時主機軟件開始計時，測試人員開始跑步。當跑步人員到達終點，其身體通過終點，并同時切斷紅外感應線。此時，終點得到一個信號，此信號在終點計時單片機上將該信號傳給主機，主機計時結束，得到的成績為該人員的短跑成績。當考生通過終點時，此考生的計時終止，終點計時將自動把學生成績上傳至主機內進行分析，通過安裝在計算機內的教師工作端軟件，可登錄系統，導入學生基礎信息、調取學生考試成績。

2.2系統實際測試精度校準與檢驗

該系統所記錄成績和專家手動記錄之間的差異決定其是否有使用價值。為了檢驗和校準本系統的成績精度，邀請3位專業裁判在本系統測試學生成績時同步手動計時，安排參加此次實驗的學生在4天時間中在各高度上分別跑一次，跑完之后會得到系統和專家手計兩個成績，之后分析兩組成績之間的差異性，測試使用過程中，終點對射系統發射架的的底盤沿50m跑終點線內沿放置，

目前，國內外在終點紅外對射裝置高度上沒有一個準確的數據，目前常見的高度有4種，分別是80 cm、90 cm、100 cm、110 cm，考慮低于80 cm時當學生摔倒時容易被戳傷，所以終點紅外對射和接收裝置都高于80 cm放置[3]。而對于這4種常用的終點發射支架高度，哪一種高度所記錄的成績和專家手計之間無差異且更有代表性？將1 256名參加測試的學生依據兩種測試方法得到的成績采用配對t檢驗統計分析，檢驗結果見表3。從表3可以看出，在測試的4種高度上，只有當高度處于90 cm時候男女生成績和專家之間同時無顯著性差異，當高度在80 cm時女生之間無顯著性差異（P＞0.05），男生之間有顯著性差異（P＜0.05），而當高度在100 cm時候男生之間無差異（P＞0.05），女生之間有顯著性差異（P＜0.05）。在實際使用過程中為了提高工作效率，通常是男女混合一起測試，因此本研究認為對于學生參加體質健康達標測試，男女生同時參加測試選擇90 cm的高度最合適。

2.3 終點紅外對射裝置在90 cm高度時測試成績效度評估

當前，全國各大院校在進行《國家學生體質健康標準》測試中多采用手動計時，教育部體衛藝司發布的評價標準也是以手動計時進行評價的，因此該系統和手動計時之間的精度誤差直接決定了成績的有效性。為了測試該系統的成績效度，將依據上面終點對射裝置在4種高度上測試后的差異性，我們將男女生不分組別同時參加測試時紅外對射裝置設定在90 cm高度，選取其中267名學生成績作為研究對象，將該系統測試成績與專家記錄的學生成績通過變異系數進行了比較。

2.3.1 系統與手動計時結果變異系數比較

變異系數通常用來比較同一組數據以不同記錄方式之間完成后之間的離散程度，變異系數值大則說明記錄和觀察數據值之間分散程度大[4]。用基于紅外對射技術記錄的50 m跑成績。從表5可以看出，以該系統記錄成績的變異系數（CV%）是6.84，以專家手動計時成績變異系數是6.89，基于紅外對射技所記錄成績的變異系數值低于手動計時成績，說明該系統所記錄成績值之間的離散程度低，成績的效度高于手動計時，因此認為該系統記錄成績的效度好于手動計時測試成績。

3討論

3.1 解決了可見光中紅外線對該系統的影響

紅外線對射裝置在室外使用時面臨的主要問題就是可見光中的紅外線對系統的影響[5]。因為可見光中紅外線波長和普通紅外發射裝置發射出的紅外線波長相近，所以當室外太陽光照強的時候會出現終點接收裝置無信號，參加測試學生沖過終點時切線系統計時成績反應的情況。該系統為解決這個問題將終點發射探頭升級為LED發光二極管，將發射的紅外線波長增加到0.76～1.5 μm[6]，比可見光中的紅光波長要長，這樣做可以讓該系統終點紅外發射裝置發射的光譜位于紅色光之外，可以避免可見光對該系統的影響，能夠解決當前紅外發射計時裝置在測試中成績丟失的問題。

3.2終點紅外對射裝置在90 cm高度時男女生可同時進行測試

當前在使用紅外對射裝置過程中發現的最大問題就是和手動計時之間的誤差，紅外對射計時裝置通常是以腰部切斷終點紅外線停止計時得到成績。而學生身高之間差異大導致腰部高度不同，因此終點紅外對射裝置的高度對成績有非常大的影響[7]。查閱相關資料后沒有發現有論文專門對紅外對射裝置在終點放置的高度進行研究，因此該文對終點紅外對射計時在終點時不同的高度進行了校驗。通過上面的實驗發現當終點對射裝置在80 cm高度時候男生成績在本系統和專家之間有差異，而女生之間無差異。當高度在100 cm時男生之間無差異，而女生之間有差異。只有當終點對射裝置高度設置在90 cm時候男女學生成績和手計之間無差異。為了提高測試效率，在測試過程中最好不要經常去調整高度。另外，經常去動終點對射裝置容易造成發射和接受故障。通過對比該系統終點對射裝置在不同測試高度時記錄成績與手動計時之間的差異，我們認為對于普通學校進行測試運用的時候90 cm度最合適，這樣不用將男女生分開測試，可以進行男女生混合測試[8]。

3.3系統測試效率高，成績之間無誤差

在短跑計時項目中，特別是全需要幾秒的50 m跑步測試中，計時員短暫的反應時間和經驗將會導致一定的誤差，目前全國各大院校在《國家學生體質健康標準》測試過程中，對于50 m測試多采用手動計時，手動計時最大的問題就是誤差。而通常學校進行體質健康測試時間緊，承擔測試工作的老師每天需要進行幾千人的測試工作量。長時間的室外工作，計時人員的疲勞情況會造成學生之間成績誤差較大，而電腦系統可以長時間保持同樣的尺度進行工作，所記錄成績之間不會有差異。其次手動秒表計時的效率比較低，手動秒表計時通常是兩個人一組進行測試，測試完成之后還需要將學生的成績手動記錄在紙上，之后再錄入電腦里面計算成績，這種效率效率非常低。而該系統可以同時進行一組8人的測試，測試的效率將會大大提高，測試完成后成績自動上傳到主機中，學生可以在終點大屏幕看到自己成績。刷學生卡或者檢錄條形碼上道，避免作弊。

3.4 成績統計自動化

在之前手動測試過程中，教師手動秒表計時完成之后需要將成績記錄在紙上，之后再錄入電腦中進行分數分析的，工作量非常大。在本系統測試過程中，可以直接插入U盤導入100 000條測試名單信息，測試者頭像照片，也可以無線同步下發測試者數據，通過不同的設置可以適應復雜多變的測試現場。主機同時具備數據多重備份，以及數據庫、文本、U盤、數據上傳等備份方式，保證在測試過程中學生的測試成績安全可靠。此外還具有數據一鍵恢復功能防止因為操作不當導致誤刪的情況。通過系統建立的SQlite數據庫，讓查詢效率提高，存儲更多的數據，主機的內存空間完全滿足國內任何學校的人數要求，學生來到現場參加測試時候可以刷學生卡或者標簽檢錄，之后按照檢錄人與道次信息，當參加測試人員通過終點之后成績將會自動錄入主機系統中。

4結語

基于紅外對射技術的50 m跑測試系統在計時精度上達到了專家手動計時水平，可以用于學校50 m跑測試。它對各學校提高學生體質健康測試效率，減少不同學校在50m測試精度上的差距，同時對于教育主管部門評價不同地區學生體質健康水平有非常好的意義，具有非常好的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 楊斌，紅外線電子計時系統在競技體育賽事中的應用[J].自動化與儀器儀表，2017（2）：161-163.

[2] 汪軍鋒.基于ESP8266的中長跑自動計時器系統設計[J].自動化與儀器儀表，2021（5）：87-91.

[3] 杜玉璽，胡振琪，葛運航等.距離對不同強度熱源紅外測溫影響及補償[J].紅外技術，2019（10）：976-981.

[4] 梁旭.重復頻率倍增光頻梳時域互相關絕對測距[J].物理學報，2022 71（9）：178-180.

[5] 李國民，施蘭平.基于UWB的中長跑定位跟蹤測試系統應用研究[J].中國體育科技，201854（6）：103-105.

[6] 蘇林林，陳亮，陳菲菲，等.面向B5G/6G的GFDM信號高精度測距與定位研究[J].電子學報，2022，50（4）：849-859.

[7] BEHRINGERM，BEHLAUD，MONTAGJCK， et al.Low-Intensity Sprint Training with Blood Flow Restriction Improves 100-M Dash[J].Journal of Strength and Conditioning Research，2017，31（9）：2462-2472.

[8] 安文麗.男子百米起跑與起跑后加速跑的運動學特征研究：二級運動員為例 [D].西安：西安體育學院，2018.

作者簡介：徐峰（1982—），男，碩士，助理研究員，研究方向為體育產業管理。

施蘭平（1981—），男，碩士，副教授，研究方向：體育訓練