基于ZigBee和GPS组合的跑步测试系统*

李晓豁， 刘海亮

(辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

跑步测试是我国高校在校生体能测试任务之一，以人工手动计时方式为主，极少数地区能够实现光学测量、射频识别等先进技术手段[1,2]。

作为一种新型技术，使用全球定位系统(global positioning system,GPS)技术能够通过卫星发射信号对物体的高度、精度等信息进行瞬时测量，这种卫星导航系统具有高精度、全时段、全天候以及全方位的优势，在室外快速追捕和定位的过程中能够发挥非常重要的作用。在GPS定位系统软件不断更新和不断完善的过程中出现了各种类型的GPS接收机，当移动人群佩戴电子腕带以及电子标签等工具以后就能够进行快速的定位，通过网络传送能够将数据传输到监管中心。目前, 市场上有很多体积较小和质量较轻的接收机，这些接收机具有方便携带的优势，有效促进了监管部门工作的顺利进行[3～5]。

本文设计了一种基于ZigBee和GPS组合的跑步测试系统，用于完成普通院校学生的跑步测试的任务。在对测试系统的软硬件系统复杂度、计时成本等情况进行综合考虑的基础上，本文没有采用高精度马拉松计时系统，而是采用基于ZigBee定位和GPS定位组合的计时方式，以达到提高跑步测试系统计时精度、降低工作人员工作强度、降低计时成本的目的。

1 跑步测试系统总体结构

本文将学校中常见的400 m跑道作为研究对象，基于ZigBee定位和GPS定位技术，设计1 000 m体能测试自动计时系统。基于ZigBee和GPS组合的跑步测试系统在400m跑道上的硬件设置如图1所示。

图1 跑步测试系统总体结构

从图中可以看出跑道并不具有较大的面积和长度，而且跑道终点处运动员的计时和识别是这种自动记时系统的关键，所用电子标签的识别使用中低功率的阅读器即可实现，这种阅读器所识别的标签范围可以达到百米范围内，这种有源标签能够达到5年以上的寿命，因此具有很高的可靠性和稳定性。

本文研究的基于ZigBee和GPS组合的跑步测试系统主要采用具有高精度定位特性的ZigBee技术实现跑步测试的终点到达判别以及采用便于大范围运动轨迹跟踪的GPS技术实现测试人员轨迹跟踪。

2 跑步测试系统硬件

2.1 ZigBee硬件系统

作为一种微型的嵌入式系统，ZigBee无线传感的节点对模块化的设计思想进行了应用，主要包含电源模块、通信模块、数据采集模块和处理器模块，图2所示为无线网络节点的硬件系统。

图2 无线网络节点的硬件系统

使用TI公司的MSP430系列处理器作为无线传感网络节点处理器，具有性能稳定和功耗低的优势，在功耗有限制场合具有非常明显的优势，调试程序通过四线制JTAG接口下载至芯片内[6,7]，图3所示为MSP430处理器的JTAG接口电路。

图3 JTAG接口电路

CC2420射频芯片符合ZigBee标准，因此本文设计系统的无线通信模块使用该主芯片。通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)四线制接口可以将CC2420射频芯片与MSP430处理器连接起来，达到数据传输的目的。使用CCA,先入先出(first in,first out,FIFO),FIFOP以及SFD能够反馈收发的状态。通过码移键控(code shift keying,CSK)引脚MSP430处理器能够将精确的时钟频率提供给CC2420芯片[8]。图4所示为CC2420射频芯片与MSP430FG4618处理器的连接电路。

图4 处理器与射频芯片电路

为了降低功耗，进行网络节点电路设计时应选用的低功耗芯片，为保证正常工作需要将电压控制在2.4～3.6 V范围内，图5所示为供电模块电路。

图5 供电模块电路

2.2 GPS轨迹跟踪模块

本文中的GPS定位模块选用高性能NEO—6M—0—001模块。

文献[9]中对单片机系统与GPS接收模块的连接方法进行了设计，如图6所示。天线与RF_IN 引脚连接，可以对卫星的GPS信号进行接收，为了使得GPS模块在掉电以后能够持续地获取卫星授时定位相关数据，将NEO—6接收模块的SCL2 和SDA2与存储器24AA32A的SCL 和SDA引脚连接；单片机可以与GPS接收模块进行数据交换。由于应用了TTL电平，电平转换不需要在单片机和GPS接收模块之间实现，通过串口通信就能够实现，单片机的TXD,RXD引脚可以与RXD1,TXD1连接， GPS 接收模块NEO—6与单片机可以进行双向数据传输。通过对NAME 0183协议的参考，单片机就可以将经纬度信号以及时间信号从天线接收的导航电文中解析出来，进而达到定位的目的。

图6 GPS硬件原理

3 跑步测试监测系统软件

3.1 防碰撞算法

如果多个标签都要求阅读器进行信息传输，各个数据之间将出现干扰，使得识别标签出现错误，阅读器在读取不同标签信息时只能够采用多路存取的形式。目前多路存取防碰撞的主要形式有时分多址、频分多址、码分多址以及空分多址。

在信息传输的过程中时分多址主要通过不同的时隙来实现，整个信道都可以通过时间来进行划分，这样就可以避免多个标签占用同一个信道。在射频识别(radio frequency identification,RFID)系统中应用这种方法具有非常好的防碰撞效果。

作为一种概率类型算法，ALOHA算法通过采用竞争的形式访问信道。时隙ALOHA算法可以通过帧时隙ALOHA 算法进行改进，将1帧分为M个时隙，从M个时隙中标签就可以发送相关信息。

在该算法中帧的时隙数是固定不变的，大小为M，另外标签完成信息传输所需要的时间与时隙的长度一致。如果时隙的标签数为1个，标签信息就能够被成功读取；如果时隙为空就会跳转到下一个时隙，如果碰撞产生就需要保证结束这个帧，并搜寻相关的时隙，可以完成信息发送[10]。

3.2 电子标签定位算法

1)测距原理

在进行测距工作时，首先测距脉冲信号发送到基站端，如果这个测距脉冲信号为标签端检测到，并将一个测距脉冲信号返回给基站端，通过对标签端发送测距脉冲的延迟时间以及收发信号的时间差就可以对测距信号的飞行时间进行计算。利用这种双向测距的方法能够保证同步精度，提升测距精度的同时降低了标签端系统和测距基站端系统的复杂程度[11]。

2)定位原理

当标签端与基站端的测量问题解决以后，下面就需要测量3个基站对1个标签的位置坐标，进而就可以获取相关的位置坐标计算数学模型。作为一种算法简便和常用的定位方法， 三边测量定位方法易于实现。但该方法易于出现对于3个节点无法正交于一点的问题[12]，三边质心定位方法能够有较大的改善。三边质心定位方法的工作原理如图7所示。

图7 三边质心定位方法的工作原理

假设3个基站的节点圆分别交于D,E,F3点，构成三角形，则此三角形的质心O为目标定位节点。交点D点的坐标(xd,yd)为

(xd-xa)2+(yd-ya)2≤da2

(xd-xb)2+(yd-yb)2=db2

(xd-xc)2+(yd-yc)2=dc2

(1)

△DEF剩余两点的坐标E(xe,ye)和F(xf,yf)可以采用相同的方法获取，可以得到需要定位的节点O的坐标O(xo,yo)

(2)

3.3 捷径作弊判别程序

为了防止测试人员选择捷径到达终点这样的作弊行为。本文研究的基于ZigBee和GPS组合的跑步测试系统中加入了捷径作弊判别程序，其基本原理是采用GPS定位模块实时跟踪测试人员的运行轨迹，当监测到其坐标处于非正常跑道区域内时，判断其为作弊行为。判别方法如图8所示。

图8 捷径作弊判别示意

假设有4个点：A,B,C,D，将其GPS定位数据转换至以跑道中心为零点的直角坐标系内，需要判别其是否在非跑道区域内(A和C点在跑道区域内，C和D在非跑道区域内)。首先判断各点x轴坐标的绝对值，若小于等于跑道直线段长度，则认为其在矩形范围内，再判断其y轴坐标绝对值，若小于跑道宽度，则判别其在非跑道区域内，属于作弊行为。若各点x轴坐标的绝对值大于跑道直线段长度，则需要判断各点是否在圆弧区域内。此时使用点到圆形距离公式能够判断其是否在非跑道区域内。使用数学公式表示上述判断过程如下：

1)矩形区域内外判别：在矩形区域内为|xi|≤L/2;在弧形区域内为|xi|>L/2。

2)矩形区域内作弊判别：各点在跑道区域内为|yi|≥B/2;各点在非跑道区域内为|yi|

3)弧形区域内作弊判别：各点在跑道区域内为(xi-R-L/2)2+(yi-R)2≥R;各点在非跑道区域内为(xi-R-L/2)2+(yi-R)2

4 跑步测试系统实验研究

4.1 跑步测试计时实验

使用本文设计的跑步测试系统与人工计时方式进行对比。使用高精度光学测量方法得到的成绩作为衡量标准。参与测试人员50名，测试类型为1 000 m。能够得到使用本文设计的跑步测试系统与人工计时方式下，50名测试人员第一次、第二次经过终点线以及到最终达终点时的计时误差如图9所示。

图9 本文研究的计时系统与人工计时的误差对比

可以看出，跑步测试人员进行1 000 m测试时需要3次经过终点线，由人工计时的误差出现了明显的随机性，计时结果不稳定，而由本文设计的跑步测试系统得到的计时误差稳定性好，基本能够真实反映出测试者的真实成绩。

4.2 捷径作弊监测实验

使用本文设计的跑步测试系统实现捷径作弊判别实验。实验时令4名测试人员中2名人员正常跑步，另外 2人随机地点选择捷径跑向终点，查看跑步测试系统界面上对测试人员的跑步监测轨迹，如图10所示。

图10 捷径作弊监测实验

实验结果表明，本文设计的跑步测试系统能够实现捷径作弊判别，测试人员在正确跑道内的轨迹为正常颜色和线性，当测试人员偏离跑道，选择捷径时，线性和颜色发生变化，提示监控人员，并将此次成绩作废。

5 结 论

使用本文设计的跑步测试系统与人工计时方式进行对比。由人工计时的误差出现了明显的随机性，计时结果不稳定，而由本文设计的跑步测试系统得到的计时误差稳定性好，基本能够反映出测试者的真实成绩。本文设计的跑步测试系统能够实现捷径作弊判别，当测试人员偏离跑道，系统能够提示监控人员，并将此次成绩作废。