基于物联网的定向运动平台的设计

华南理工大学广州学院 麦启明

基于物联网的定向运动平台的设计

华南理工大学广州学院 麦启明

【摘要】随着定向运动发展，各种训练和比赛对定向运动成绩平台的要求也越来越高。因此本文提出了一种基于移动通信网络的定向运动电子打卡计时设备，该设计除了无需校正时间，并且可以实时提供各参赛队伍的打卡信息，还可以提供该点签器的具体GPS位置。较好地解决了比赛地图和实际定向越野点标不一致的问题。

【关键词】定向运动；物联网；SIM5320E

1 引言

科技的发展一直影响着运动成绩的提高，从“鲨鱼皮”到“刀锋战士”，从田径的电子计时系统到球类比赛的“鹰眼系统”，电子科技的发展和进步无时无刻都影响着运动成绩的进步，随着移动互联网的成熟和网络资费的降低，物联网技术已经逐步走进千家万户。

相对于其它运动定向运动进入中国的时间比较短，国内最早的定向运动比赛出现在1983年3月中国人民解放军体育学院（广州）参照国际定向运动竞赛方法，在广州白云山举行“定向越野试验比赛”［1］。1995年12月成立中国定向运动协会。2004年7月，中国定向运动协会首次组建中国国家定向队和中国青年定向队。近年来随着定向运动比赛的发展，运动员的成绩也越来越好，有效的训练方法、公平的电子打卡计时设备显得更为重要。

2 定向运动介绍和需求

定向运动是指运动员借助地形图和指北针，自我选择行进路线并按组织者规定的方式到访地图上所标示的地面检查点，以通过全程检查点用时较短者或在规定时间找到检查点分数较多者为胜的一种体育运动［1］。早期检查点由机械打卡器构成，运动员使用纸卡到不同的检查点打卡，通过设置每个检查点的出来的点状图案不同，比赛终点回收纸卡后再统计成绩。近年来定向运动比赛加入了由电子点签器组成的，电子点签器之间没有网络连接，比赛前需要用特定的模块来对各个点签器进行时间校对。原来的纸卡变成了RFID （Radio Frequency Identification）非接触手环，查分点刷卡的参数由RFID卡保存。所以到终点后可以马上得出成绩。这样做有两个问题，在比赛过程中不能实时有比赛过程的结果。难以对观众开展直播等推广活动。点签器实际的位置和比赛地图中标注的位置会有误差。通过引入移动通信模块，可以提供实时通信和GPS（Global Positioning System）地址，可以解决以上问题。

3 系统结构

本系统电路部分主要由电子点签器电路， RFID卡和PC机终端构成，如图1所示。

图1 系统框架图

图2 软件流程图

图1中的虚线框内表示检查点的电子点签器电路，该电路由STM32F103主控芯片、RFID模块、移动通信模块和显示模块构成，其中RFID模块负责读取RFID卡的卡号，通过STM32F103的串口3将RFID卡号传输到是STM32中，STM32的串口1与移动通信通信模块相连，然后STM32将RFID卡号、刷卡时间、检查点设备号、GPS位置等信息按照固定格式通过UDP使用移动通信网络传输到上位机中。上位机接收到信息后给对应的电子点签器回复接收成功的信号。图中的电子点签器模块根据不同的设备代码被上位机识，允许有多个同时上传。

3.1 移动通信模块概述

本设计采用的无线网络通信传输模块为芯讯通公司SIMCom推出了一款高性价比的3G/HSDPA模块SIM5320，SIM5320模块内嵌GPS和A-GPS，客户无需额外的成本就可以支持位置类服务，使客户的GPS开发简单和快速。定向运动平台也可以使用其他公司的通信模块来实现对不同网络制式的支持。在本设计中移动通信模块主要负责提供授时信号、GPS信号和网络信号，用于计时、定位和与PC机通信。

3.2 RFID模块

RFID模块采用NXP公司的MFRC522原装芯片设计读卡电路，MFRC522是使用了13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。MFRC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持14443A兼容应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。此外，还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。对于定向运动平台来说完全足够。

4 软件设计

4.1 程序流程图

电子点签器主要软件流程图如图2所示。开机后，先初始化各个硬件模块。单片机向3G模块发送设置的AT指令，判断单片机是否与模块正常连接，接收到ok后单片机再向3G模块发送开启网络请求。本系统与上位机传输用的协议是UDP，当有打卡信息时，开启UDP连接，然后再根据发送的字节发送数据给上位机。根据上位机的回复来确定是否上传成功。若不成功重新上传。

4.2 与上位机通信

在系统获取到RFID刷卡信息后，需要把刷卡信息发送给上位机，本设计参考的数据通信格式如下表，共6个参数，其中DevID的序列号根据中国徒步定向运动竞赛规则规定需要大于30的数字，SN代表每次从考勤系统发送给上位机的编号，用于区分不同的打卡条目，MsgType代表消息种类在开机时，发送1，代表设备登录，在打卡时发送2，代表有人打卡。

表1 点签器与上位机通信参数

4.3 PC界面

图3 PC端界面

图3为PC端界面，可以设置比赛开始时间，出发队伍间隔，在比赛过程中可以实时看到电子点签器上传的数据，并可以根据队伍的分组来排序来输出比赛结果。

5 结束语

本设计使用移动通信网络作为数据承载，可以实时地显示比赛或训练中的情况，也可以提供点签器的GPS信号，但是目前的能耗还需要进一步降低，以提高便携性，作为定向运动的训练比赛平台，有一定的现实意义和参考价值。

参考文献

［1］张新安，刘宗伟.定向运动∶一项促进学生综合素质发展的时尚运动［M］.河南师范大学学报（自然科学版），2003∶86-88.

［2］郑海杰，倪燃，王爱旭.基于嵌入式系统的定向运动平台设计与开发［M］.电视技术，2015∶16-18.

［3］李良胤.基于网络WebCT技术构建定向运动教学平台的研究［J］.吉林体育学院学报，2012（04）.