曾樹洪，魏勇，林俊健

（惠州學(xué)院,惠州 516007）

0 引言

在現(xiàn)有技術(shù)中，跑步競(jìng)賽計(jì)時(shí)的方法多種多樣，田徑場(chǎng)競(jìng)賽記錄系統(tǒng)通常采用有線發(fā)令技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜，花費(fèi)高昂，裝拆攜帶不便，難以維護(hù)，而且無法普及到小型運(yùn)動(dòng)會(huì)和學(xué)校賽事等；在一些小型比賽中很多仍舊采用人工掐秒計(jì)時(shí)，費(fèi)力誤差大，成績(jī)記錄麻煩。本項(xiàng)目提出一種較新的簡(jiǎn)易跑步計(jì)時(shí)方式，結(jié)合幾種較簡(jiǎn)單而新穎的技術(shù)，希望為在小型跑步競(jìng)賽和學(xué)?；顒?dòng)中也能如大型比賽那樣應(yīng)用規(guī)范的方法計(jì)時(shí)。本項(xiàng)目系統(tǒng)框架基于單片機(jī)開發(fā)板，通過在跑道起點(diǎn)裝置發(fā)聲裝置（蜂鳴啟動(dòng)器），終點(diǎn)裝置雙管紅外，并通過無線Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)模塊與手機(jī)App等移動(dòng)終端設(shè)備通訊，在計(jì)時(shí)前將每條跑道運(yùn)動(dòng)員信息錄入移動(dòng)端App，在起點(diǎn)發(fā)聲裝置可自動(dòng)發(fā)出起跑指令，運(yùn)動(dòng)員起跑，同時(shí)移動(dòng)端App啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)終點(diǎn)時(shí)又會(huì)阻斷紅外對(duì)管從而產(chǎn)生信號(hào)通過Wi-Fi反饋至移動(dòng)端App終止計(jì)時(shí)。在移動(dòng)終端設(shè)備上通過設(shè)計(jì)專門的系統(tǒng)軟件（App）對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出運(yùn)動(dòng)員成績(jī)及排名、比賽情況，從而在移動(dòng)設(shè)備上就可以操縱計(jì)時(shí)，能夠便捷地同時(shí)對(duì)多名運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行計(jì)時(shí)，無需人工啟動(dòng)計(jì)時(shí)，不會(huì)有人為誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)跑步項(xiàng)目自動(dòng)計(jì)時(shí)的目的。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能無線跑步計(jì)時(shí)器系統(tǒng)由三部分組成，分別為紅外對(duì)管組子系統(tǒng)、單片機(jī)子系統(tǒng)、移動(dòng)操作端子系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為感知層、通信層和應(yīng)用層，其中紅外對(duì)管組子系統(tǒng)屬于感知層，單片機(jī)子系統(tǒng)屬于通信層，移動(dòng)操作端屬于應(yīng)用層。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)應(yīng)用原理

2.1 ESP8266 Wi-Fi

Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)在無線局域網(wǎng)（WLAN）的范疇是指“無線相容性認(rèn)證”，是一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，Wi-Fi的設(shè)置至少需要一個(gè)存取點(diǎn)（Access Point，AP）和一個(gè)或一個(gè)以上的客戶端使用者（client）。無線AP每100ms將 SSID（Service Set Identifier）經(jīng)由 beacons（信號(hào)臺(tái)）封包廣播一次，beacons封包的傳輸速率是1 Mbit/s，并且長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)亩?，所以這個(gè)廣播動(dòng)作對(duì)網(wǎng)絡(luò)效能的影響不大。因?yàn)閃i-Fi規(guī)定的最低傳輸速率是1 Mbit/s，所以確保所有的Wi-Fi client端都能收到這個(gè)SSID廣播封包，client可以藉此決定是否要和這一個(gè)SSID的AP連線。使用者可以設(shè)定要連線到哪一個(gè)SSID。Wi-Fi系統(tǒng)開放對(duì)客戶端的連接并支持漫游，這就是Wi-Fi的好處。無線跑步計(jì)時(shí)器采用的是ESP8266 Wi-Fi，在室外場(chǎng)合通信范圍可達(dá)到400m左右，有效距離長(zhǎng)，速度快，可靠性高。服務(wù)器原理ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，或通過另一個(gè)應(yīng)用處理器卸載所有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能。ESP8266強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最低。

2.2 紅外對(duì)管驅(qū)動(dòng)

紅外線發(fā)射管（IR LED）也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類，它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，基于紅外對(duì)射式的原理，紅外發(fā)射管和紅外接收管相對(duì)，由發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，接收管接收紅外信號(hào)，當(dāng)有物體從中間經(jīng)過時(shí)，紅外接收管接收不到紅外信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低脈沖信號(hào)，紅外線發(fā)射管的發(fā)光功率大，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性好，常被應(yīng)用于通訊及感測(cè)器領(lǐng)域，無線跑步計(jì)時(shí)器是在紅外探測(cè)的基礎(chǔ)上結(jié)合無線Wi-Fi技術(shù)，進(jìn)行時(shí)間的計(jì)時(shí)控制。本產(chǎn)品采用S5PV210單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，而S5PV210采用了ARM Cortex-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1GHz，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS（每秒運(yùn)算2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力。驅(qū)動(dòng)及測(cè)試程序使用PC端Linux系統(tǒng)中的超級(jí)終端Minicom建立與單片機(jī)內(nèi)嵌入式Linux系統(tǒng)間的連接后，在PC端Linux系統(tǒng)內(nèi)編寫，并將編寫好的代碼傳輸至單片機(jī)內(nèi)，利用多線程驅(qū)動(dòng)多個(gè)紅外對(duì)管模塊。在開機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)紅外對(duì)管模塊的驅(qū)動(dòng)，將紅外線對(duì)管模塊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器端。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 感知層

紅外對(duì)管檢測(cè)模塊：紅外對(duì)管檢測(cè)模塊包括一個(gè)紅外對(duì)管組，紅外對(duì)管組由多個(gè)紅外對(duì)管裝置組成，紅外對(duì)管裝置的數(shù)目可以按照需要使用的田徑場(chǎng)跑道進(jìn)行安裝，不能超過十個(gè)，通過輕便的支架安裝在跑道終點(diǎn)的位置，每個(gè)紅外對(duì)管裝置皆與單片機(jī)開發(fā)板有連接。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員沖過終點(diǎn)時(shí),紅外對(duì)管檢測(cè)到某一條跑道有物體，將信號(hào)反饋至單片機(jī)。

3.2 通信層

（1）服務(wù)器信息發(fā)送模塊：智能跑步計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)時(shí)采用的服務(wù)器主要基于Linux操作系統(tǒng)，由Linux C編寫，通過調(diào)用Socket API來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，主要采用TCP/IP通信協(xié)議,運(yùn)輸層采用的是TCP協(xié)議已提供可靠的、面向連接的服務(wù)。服務(wù)器主首先初始化一個(gè)Socket套接字，用于監(jiān)聽客戶的連接，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到客戶連接時(shí)，pthread_create一個(gè)線程。負(fù)責(zé)發(fā)送延遲檢測(cè)以及終點(diǎn)信號(hào)傳出，通過select并發(fā)手段來獲取Android移動(dòng)端的請(qǐng)求，分析請(qǐng)求后，通過write方法將響應(yīng)發(fā)送到移動(dòng)Android端。同時(shí)，為了防止因客戶端崩潰導(dǎo)致信號(hào)無法確定，本服務(wù)器建立了一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，并且在共享內(nèi)存區(qū)上映射了共享數(shù)據(jù)、互斥鎖以及Posix信號(hào)量，以及同步進(jìn)程間的共享數(shù)據(jù)，中途重連時(shí)發(fā)送信號(hào)確定包。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到哪條跑道有人沖過終點(diǎn)時(shí)，服務(wù)器將信息發(fā)送至移動(dòng)操作端，告知運(yùn)動(dòng)員已沖過終點(diǎn)。服務(wù)器原理圖如圖2所示。

（2）移動(dòng)操作端信息接收模塊：移動(dòng)操作端使用Java語言編寫的SocketAPI，用于接收來自單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，主要采用TCP/IP通信協(xié)議,運(yùn)輸層采用的是TCP協(xié)議。用戶使用智能無線跑步計(jì)時(shí)器系統(tǒng)時(shí)，需要向已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)的服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求。

3.3 應(yīng)用層

（1）比賽信息輸入模塊：進(jìn)行訓(xùn)練/比賽時(shí)，需要在比賽項(xiàng)目單選框內(nèi)選擇50米、100米、200米、400米，確定比賽項(xiàng)目后，再按道次輸入每一位運(yùn)動(dòng)員的信息，包括編號(hào)、姓名、道次、備注四個(gè)信息，待輸入完成后準(zhǔn)備發(fā)令，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖2 服務(wù)器原理

圖3 系統(tǒng)流程分析

（2）發(fā)令模塊：發(fā)令模塊需要發(fā)令員點(diǎn)擊移動(dòng)操作端上的“發(fā)令按鈕”，揚(yáng)聲器先發(fā)“各就位”口令，上一個(gè)口令完畢后1.6-2.2秒后（模擬比賽中發(fā)令員口令間隔不確定性）發(fā)出“預(yù)備”口令，上一個(gè)口令完畢后1.0-1.6秒后（模擬比賽中發(fā)令員口令間隔不確定性）發(fā)出“砰”（接近正規(guī)比賽槍聲）起跑口令。

（3）計(jì)時(shí)模塊：當(dāng)發(fā)令功能執(zhí)行之后，移動(dòng)操作端會(huì)同時(shí)開啟計(jì)時(shí)器，計(jì)算從發(fā)令到當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間。發(fā)令后，移動(dòng)操作端將開始提取來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，當(dāng)提取到哪一條跑道有運(yùn)動(dòng)員沖過終點(diǎn)時(shí)，計(jì)時(shí)一次，標(biāo)上是哪條跑道，當(dāng)所有運(yùn)動(dòng)員沖過重點(diǎn)或者手動(dòng)操作，計(jì)時(shí)功能將會(huì)停止。

（4）成績(jī)統(tǒng)計(jì)、顯示模塊：計(jì)時(shí)功能完成后，將進(jìn)入成績(jī)統(tǒng)計(jì)、顯示模塊。移動(dòng)操作端將在后臺(tái)將本項(xiàng)目比賽（可多組）按成績(jī)進(jìn)行排名，最后顯示在手機(jī)屏幕上。

（5）數(shù)據(jù)保存、查看模塊：比賽結(jié)束后，移動(dòng)操作端自動(dòng)將本次比賽數(shù)據(jù)保存在App的SQLite本地?cái)?shù)據(jù)庫。保存后可以通過頁面查詢歷史比賽記錄。

4 運(yùn)行測(cè)試

（1）在Android端注冊(cè)登錄后，連接終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)然后選擇項(xiàng)目信息和道次，輸入比賽名稱點(diǎn)擊確認(rèn)進(jìn)入另一頁面。再依次輸入各條跑道的運(yùn)動(dòng)員信息，如圖4所示。

圖4 Android端計(jì)時(shí)測(cè)試

（2）在點(diǎn)擊開始按鈕后，揚(yáng)聲器發(fā)出起跑口令，同時(shí)Android端計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)有運(yùn)動(dòng)員到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，依次對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)果按運(yùn)動(dòng)員到達(dá)先后的順序排序，測(cè)試邀請(qǐng)了專業(yè)體育生，數(shù)據(jù)顯示正常，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Android端計(jì)時(shí)測(cè)試

5 結(jié)語

智能無線跑步計(jì)時(shí)器是一個(gè)將無線Wi-Fi、紅外對(duì)管以及移動(dòng)端App技術(shù)結(jié)合起來，形成一個(gè)智能環(huán)保的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。將跑步App與跑步計(jì)時(shí)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)計(jì)時(shí)，使其在設(shè)備進(jìn)行高精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)的同時(shí)，利用普遍化的手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理及存儲(chǔ)。以及手機(jī)App同時(shí)擁有的即時(shí)分享功能，豐富跑步計(jì)時(shí)。使得其在能夠作為一款訓(xùn)練及比賽產(chǎn)品的同時(shí)，更能夠融入生活，成為生活的一部分，與體育智能硬件領(lǐng)域崛起的趨勢(shì)不謀而合，符合了健康體育的時(shí)代。