定向越野电子计时系统理论与设计

樊 丽

（榆林学院，陕西榆林，719000）

0 引言

在体育比赛里的许多定向越野计时项目（如自行车、山地车、马拉松、等）中，由于不计其数的运动员经常是同时在越野，如果要精确记录单个参赛者的名次和速度，难度是相当大的，且准确率低，而且需要极其巨大的数量裁判来辅助，造成了人力、财力、物力等方面的巨大浪费。自动电子设备虽然有很多种，已经应用到比赛中，但是，这些产品都不是很成熟，有这样那样的缺点，如果用在多段路段比赛中，这些设备的弱点就暴露无遗。国际重大赛事现在采取了RFID 技术，比如波士顿马拉松比赛等，使用RFID 技术，可以节省大量人力、财力，另一方面，运动员的成绩，圈数等一目了然，实现了自动化，可靠性，公平性昭然若揭。无线传感器网络技术和RFID 技术相结合，RFID 和WSN网络的优势充分发挥，无线传感器将记录的数据传给总台统一处理，该系统弥补了当前的电子计时系统的不足与弱点，填补了越野比赛中的计时空白。

1 关键技术

1.1 RFID 技术

是射频识别技术的简称，（Radio Frequency Identification）兴起于上世纪90年代的一项自动识别的科学。无线射频方式被采用，非接触式进行双向通信，自动识别计时并无线传播数据，这项新发明被应用在各项领域内。非接触式的自动识别技术的有点是使用寿命长、距离远、精确度高、安全系数高等特点，电子购票、快递系统、供应系统中广泛采用。

1.2 WSN 技术

无线传感器网络（Wireless Sensors Network，以下简称WSN）根据所处环境自动生成，微小传感器节点上有电脑芯片，密布在无人值班的区域，测控网络系统几乎实现全自动化,其特点有无人值守、全自动化、动态性。目前，环境、军事、家庭、商务、医疗、空间探索等诸多领域都已经应用了这种技术。

1.3 两项技术的结合

无线传感器能量消耗大是个严重的缺点，由于无线传感器应用的特点，无线传感器必须具备容量小、性价比高、使用寿命长，这给无线设备提出了巨大的挑战，RFID 技术解决了能量持续供给的问题。这种技术是从电磁场中获得电能，电磁场由读写器的天线中产生，运用自动发电的原理。此外，不断发展完善的RFID 成功产品也为无线传感器网络产品提供了重要的借鉴。因此，RFID 技术与无线传感器网络两项技术巧妙结合，两项优点都能同时发挥，获得了巨大的成功。

1.3.1 RFID 传感器标签

主要由一个微控制单元，感测单元，射频单元，通信单元，所述定位单元和电源单元，传感器的RFID 标签结构的微控制单元负责的任务的分配和调度RFID 传感器标签整个芯片，完成后的数据的分析，存储和forwardingwireless 数据验证和维护区域网络中的路由，RF 单元控制接收和发送射频信号，并使用空分复用，时分复用，频分复用和代码分多址接入方法，achievetarget 识别和系统防冲突机制，通信和定位装置，用于解决无线通信运营商的频带，数据传输速率，信号的调制，编码等的选择，并且在发送和接收经由天线之间的芯片和读写器的数据，具有数据融合，请求仲裁和路由选择功能，所述定位单元的定位，以实现芯片位置的定位和方向的信息传输的无线传输协议，如基于IEEE802.15.4 标准和ZigBee 协议等;电源单元的引脚，持续regularstable 的能源供应得到合理的集芯片发送和待机能源消耗消耗和传输的可靠性问题是可以解决的，有效延长的使用寿命芯片。

1.3.2 基于RFID 协议构建WSN

网络需要考虑以下几个问题：建立网络安全协议，网络拓扑结构，系统的功耗，网络成本问题，流动性管理。有没有专门的网络协议的无线传感器网络，RFID 协议标准的无线传感器网络协议提供了一个研究方向。代表RFID 协议标准EPC，ISO，UID 等，制定一个统一的全球覆盖频段的RFID 标准也正在进行中。根据标签的新一代的RFID 标准，将有更多的存储空间，成本更低，更灵活，更安全的通信机制，因此建立一个基于RFID 协议的无线传感器网络是完全可行的，它具有以下特点：基于RFID的无线传感器网络是一个阅读器为中心的网络：读写器是无线传感器能量提供者，在整个无线传感器网络的信息枢纽，从根本上解决了无线传感器能量供应的问题，其中大多数的信息处理和网络管理功能集中在阅读器处于关闭状态，从而使传感器结构相对简单。RFID 无线传感器网络是一种低成本的网络：无线传感器的设计基于RFID 芯片技术在未来可能会降低到几毛钱的幅度的顺序。基于RFID 无线传感器网络是一个相对安全的网络：RFID 协议对网络安全的措施，包括传感器和读卡器通信网络和信息安全和隐私控制机制的关键。基于RFID 的无线传感器网络，无线传感器网络具有多种附加功能：如RFID 定位技术是一个具有重要意义的关键技术，另一个例子是，RFID 防碰撞技术，可同时读取多个无线传感器。

2 系统架构

RFID 已经初步应用的计时码表机芯，取得了良好的效果，但也有很多不足点，如信息节点的可靠性，自动汇集问题。因此，对于长距离计时锦标赛建立一个更全面的RFID 传感器网络系统的意义，该系统具有更低的成本，实用性强。

2.1 硬件环境

2.1.1 RFID 传感器节点

每个节点包括：主控制器，RF 收发器，RF 天线，RFID 读写器，RFID 天线，电池，和各种连接器和终端的RFID 传感器标签（标签）。工作流节点：运动员部署RFID 传感器标签（TAG）传感器节点通过RFID 天线发出查询信号的标签，标签激活电磁波，驱动天线的RFID 天线以应对自己的信息，信息是RFID 阅读器来读出并处理发送到主控制器通过RS-232 串行接口，则达到了RF收发器通过SPI 接口，由RF 天线到其他节点，该节点通过多跳（multi-hop），和最终的信息的控制和处理中心，从而在所需的目标信息。

（2）无线传感器网络结构图WSN 结构通过RFID 传感器节点，网关，Internet 网络（或专用网络），远程控制系统。每个RFID 传感器节点通过独立的，汇集到网关的信息，然后传送到远程控制系统通过Internet 网络（或专用网络）。远程控制系统还可以发送远程命令,通过RFID 传感器节点，一些RFID 传感器标签读写操作，完成指定的功能。

2.2 软件环境

整个系统主要包括四个子系统：数据采集子系统，运动员登记子系统，在线数据处理子系统，运动性能的实时子系统。数据采集 子系统所说的RFID 传感器节点，其余三个子系统软件环境。

2.2.1 运动员登记子系统

该系统完成运动的登记注册，建立后台数据库，具体完成功能有：具有输入、修改、查询等功能；具有打印各种统计报表的功能；具有资料备份的功能。

2.2.2 在线数据处理子系统

该子系统每过一定时间向数据子系统发送一次参数采集指令，并等待数据采集子系统传送相关的各项数据信息，数据采集单元通过接口读到从射频控制器传来的RFID 传感器标签编码信息，再根据此信息从数据库中查出该运动员的资料，并自动记录到达时间（或分段时间）。该子系统具有错误自动诊断和排除功能。

2.2.3 数据分析子系统

该子系统主要针对汇集上来的各种数据，包括RFID 标签数据、sensor 数据等，集中进行分析，可以综合评判一个运动员在环境因素、身体因素下得到什么样的成绩。

2.2.4 成绩实时发布子系统

该子系统处理后台数据库中的运动员成绩和排名，并通过显示设备显示出来，同时可以实时打印运动员的成绩报表以及成绩公告报表等。

3 总结

本文讨论了RFID 和WSN 技术的特点，并结合这两种技术，建立一个基于RFID 的传感器网络在运动计时系统使用。具体的系统架构，从硬件到软件的全面分析，分析其可行性。进一步解决防碰撞的问题，相应速度快的系统，以适应游戏标签，阅读器，天线和其他问题，并辅以由软件控制和管理，该系统可以同样适用于正式的长距离比赛。在此基础上，进一步改进，可以更广泛地使用。

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