張驚雷,王勇

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇南京，210046；2. 南京郵電大學，江蘇南京，210023）

0 引言

山地運動步道管理系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，對健身運動進行團體管理，包括運動量管理、環(huán)境管理、健康監(jiān)測、運動處方推薦等。管理對象分為兩個層次的會員和公眾（發(fā)放臨時IFRD卡），會員將建立會員檔案，包括身體重量、身體素質、體育歷史信息記錄，給健康鍛煉建議。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

管理系統(tǒng)由入口管理模塊、出口管理模塊、管理服務器、多個臨時節(jié)點和管理中途點、通信網(wǎng)絡組成，如圖1所示。入口管理包括RFID卡的管理和分發(fā)、測試和發(fā)布溫度、濕度、天氣和空氣質量等環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

在臨時休息節(jié)點中，將進入管理范圍的健身人員（用ID號）運動信息、環(huán)境信息等發(fā)布顯示屏上。除了具有臨時節(jié)點功能之外，半路管理點可以提供休息，測量裝置的可測試血氧、心肺功能、吸氧等生理參數(shù)。將測試數(shù)據(jù)自動記錄到用戶的RFID卡中。休息的地方有飲用水、緊急藥品等。

出口管理包括RFID卡收集、從管理服務器讀取信息和生成體育報告。

管理服務器主要收集每個站點的信息、GIS服務操作，并根據(jù)環(huán)境信息和用戶的移動線路計算運動量。記錄人員的運動過程，結合運動專家管理系統(tǒng)生成用戶運動報告。

每個站點讀取器會自動向電子標簽(tag)發(fā)送命令，以建立彼此之間的通信。當遇到多個標簽沖突時，防碰撞算法區(qū)分開來，以便進行讀寫操作。標簽可以在較大的范圍內和多個標簽中進行識別。

模塊和功能如圖2所示。

2 管理系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)的應用軟件主要由三部分組成：現(xiàn)場應用處理程序、通信程序和服務器應用程序。

現(xiàn)場應用處理程序完成環(huán)境溫度、濕度、空氣污染數(shù)據(jù)的采集和顯示，完成身份標簽信息的訪問，將身份信息和節(jié)點編號上傳到服務器，從服務器進行數(shù)據(jù)讀取處理，發(fā)送大屏幕顯示。測試采集在管理節(jié)點的人體生理參數(shù)的血壓、脈搏、體溫、血氧量等信息含上傳到服務器保存歷史數(shù)據(jù)（如圖3所示）。數(shù)據(jù)信息采用網(wǎng)絡服務方法和服務器中心聯(lián)系。

通信程序，完成通信網(wǎng)絡服務器和每個站點的建立。服務器負責每個站點的數(shù)據(jù)交換，如圖4所示。沒有通信時，通信服務器站點處于休眠狀態(tài)。根據(jù)通信信道的條件，分為有線和無線通信。

服務器應用程序將完成統(tǒng)一時間校準和站點數(shù)據(jù)交換功能（如圖5所示），身份信息的站點接收，各站點服務器位置（GIS）和線索條件信息，根據(jù)站點的時間、路徑公式計算出運動路徑和能量消耗（代謝當量）。歷史信息的服務器數(shù)據(jù)庫，包括身高和體重、生理參數(shù)信息和歷史運動信息，以圖表的形式給出，形成長期運動效果積累。調用運動專家系統(tǒng)，給出運動處方。

圖2 模塊和功能

圖3 現(xiàn)場應用程序的流程

圖4 通信程序的流程圖

圖5 服務器應用流程圖

3 關鍵技術

3.1 碰撞檢測算法

為了解決RFID中的碰撞問題，學者們對反碰撞算法進行了深入的研究；確定性抗碰撞算法主要是二進制搜索算法及其改進算法。Klaus Finkenzeller先提出了一種二進制搜索（BS）和動態(tài)二進制搜索（DBS）算法，在此基礎上，南敬昌等提出了一種基于二叉樹搜索的回歸索引和跳躍動態(tài)樹算法的反碰撞算法，以解決冗余信息傳輸問題。

幾種主要算法的查詢頻率和信息傳輸量:

二進制搜索算法（BS）:

動態(tài)二進制搜索算法（DBS）:

基于回歸指數(shù)二叉樹搜索的算法：

基于跳躍和動態(tài)搜索的算法:

其中：L是標簽ID長度，N是標簽的數(shù)量，Q是查詢的總數(shù)，S是傳輸信息的數(shù)量。

為了減少查詢頻率和信息傳輸質量，本文提出了一種基于二進制算法和識別標簽的預處理機制。當讀卡器首先發(fā)送一個請求命令，區(qū)域內的所有識別的標簽將被送回他們的ID，讀卡器解碼，得到標簽碰撞信息，即所有1而不是0的碰撞標簽位置和標簽的序列號，根據(jù)返回的標簽信息可以提取碰撞信息。通過引入預處理機制來減少傳輸比特，將序列組合的沖突作為一個臨時代碼，使用專用二進制來減少查詢、后退索引策略的查詢次數(shù)。

根據(jù)預處理的結果，讀取器發(fā)送一個請求命令檢測到碰撞數(shù)m，只有發(fā)生碰撞，讀者不必發(fā)送請求命令，可以直接讀取兩個標簽。如果沖突大于1，將繼續(xù)請求。為了降低位置1逐漸檢測，直到發(fā)生碰撞可以直接識別兩個標簽。因此，連續(xù)查詢直到識別區(qū)域所有標記都被識別。

改進算法的查詢頻率和信息傳輸量:

其中:m是碰撞的次數(shù)。方程(1-8)和(9，10)，Q和S比較隨著N的增加而急劇下降。

3.2 拓展識別距離

由于節(jié)點進入節(jié)點閱讀器需要識別一系列標簽ID，參數(shù)識別距離是其重要的性能之一，為拓展識別范圍，優(yōu)化了閱讀器相控陣天線。

采用Friis’傳輸公式的無源RFID系統(tǒng)的有效范圍，以及波長λ、天線接收功率Pr、閱讀器Pt的發(fā)射功率、有效直徑(G天線增益)、功率傳輸系數(shù)ζ等。

從方程(11)可以看出，讀取有效的各向同性輻射功率距離取決于閱讀器(EIRP=PtGt)、天線增益G和功率傳輸系數(shù)ζ。功率傳輸系數(shù)取決于頻率，諧振頻率，主要由ASIC芯片和天線匹配決策之間的最佳阻抗組成。雖然天線增益增加可以增強定向天線波束，但范圍小，不利于擴大識別范圍。因此，我們優(yōu)化了天線的布局，相控陣系統(tǒng)，指向波束控制系統(tǒng)波束天線陣列的執(zhí)行；它可以通過控制單元的表面相位和增益來實現(xiàn)波束空間點的變化。

其中：△Ф是單元之間的相位差，l是單元之間的距離，λ是信號波長，θ是天線波束方向的角度。通過公式（12）表明，在控制單元的相位變化等效于天線波束方向角度的控制。也就是說，只有通過計算△Ф，才能實現(xiàn)對每個單元的相位值來控制波束。

該設計的天線陣列的控制通過一個移相器陣列開關到電子掃描有不同的相位差，從而實現(xiàn)多波束掃描狀態(tài)。發(fā)射信號通過移相器的天線方向角變化，輻射波束產(chǎn)生多個方向，實現(xiàn)波束通過移相器的電掃描，增加波束的覆蓋度。相控陣天線系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 相位天線陣列示意圖

為了評價天線陣列的性能，進行了現(xiàn)場對比試驗。測試條件:32個電子標簽在不同距離的范圍內識別100次，計算識別率。比較測試結果如表1所示。

表1 測試結果

實驗數(shù)據(jù)表明:天線陣列識別范圍滿足設計要求。

3.3 開放標準的系統(tǒng)結構

系統(tǒng)開發(fā)基于J2EE架構，應用hibernate、struts2、spring框架，使開發(fā)人員可以專注于如何創(chuàng)建業(yè)務邏輯，縮短開發(fā)時間。J2EE的應用并不依賴于任何特定的操作系統(tǒng)、中間件、基于開發(fā)的硬件，可以部署在異構環(huán)境下的可移植程序中。

3.4 體育步道官方網(wǎng)站的建設

基于江蘇省體育步道云計算中心的智慧構建旅游信息標準，包括全省體育步道信息數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，并作為基本信息智慧健身步道建設，獲取健身步道信息，根據(jù)統(tǒng)一規(guī)則、統(tǒng)一標準進行數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)不同平臺發(fā)布的交換標準，最終實現(xiàn)智能化健身步道信息。

4 結語

完成本項目的建設，RFID將自動記錄運動時間和路線，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算健身人員的運動量和熱量消耗。在專家系統(tǒng)的幫助下，依據(jù)歷史的生理數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)，可以為會員的開出健康運動處方。系統(tǒng)將于今年在國家衛(wèi)生資金支持下實施。該系統(tǒng)完成，將使以前健身路徑的粗放管理精細化、個性化，結合運動結論與數(shù)據(jù)基礎，給出了科學的鍛煉建議和處方。

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