基于RFID技术的高校智能长跑测试系统设计

王海鸣，黄艳梅，胡绍东，梁志凤，胡光涛

（西南财经大学天府学院 四川 成都 61000）

0 引言

青少年的体质健康对国家和个人的发展具有重大意义，教育局陆续出台了一系列关于强调培养学生身体素质重要性的文件，对于全国各大高校，每年体测就是采集学生体征数据的一种重要方式，其中长跑测试是必不可少的一项。

传统的长跑测试方式是在规定的时间内，教师将学生集中在一起进行集体测试，起点处和终点处各由一名老师进行掐表计时，最后通过计算时间差得出成绩。这种体测方式不仅需要耗费大量的人力，还存在着数据误差等问题。

高校智能长跑测试系统利用传感器技术来感知测试人员的运动行为和各项身体数据，测试者首先进行人脸识别，图像信息和数据库中的图片进行匹配，匹配成功后进入系统测试，传感器将采集到的数据实时传递给处理器，处理器通过其强大的算法来处理和分析相关数据，从而使长跑测试流程更加智能化、科学化。

本系统的测试过程通过将射频设备放置于跑道起点、终点以及跑道途经点外侧，测试人员检录完毕后，身着带有RFID射频卡的服饰，每一个芯片都有对应的IP，当运动员经过射频仪器时，机器将识别到的信号通过4G通信实时上传至安卓终端，系统通过计算起点和终点的时间差得出测试者的长跑时间。初步的产品测试情况是射频设备能够正常运作，测试人员经过射频仪器时数据能够自动上传至服务器，本系统的最终效果是实现用户测试数据的实时存储和测试成绩的精准计算输出以及测试数据的智能化分析[1-2]。

1 系统的总体设计与关键技术

1.1 系统的总体设计

智能长跑测试系统主要由终/起点射频子系统、途经点射频子系统、RFID射频卡、射频通信子系统和测试终端构成。终/起点射频子系统与射频通信子系统连接，设置于跑道终点或起点外侧；途经点射频子系统与射频通信子系统连接，设置于跑道途径点外侧；RFID射频卡贴附于长跑人员衣物上，每位学生的成绩都经射频通信系统识别读取；射频通信子系统连接测试终端，用于将检测信号上传至测试终端。本系统的总体架构框图如图1所示。

1.2 RFID技术与传感器技术

随着科技进步与时代的飞速发展，人们获取的数据量越来越多，面对大量数据的处理也遇到了许多的问题，其中劳动力成本的增加是不可避免的。而以计算机技术和通信技术为基础的自动识别技术能够实现对数据的自动采集和识别，并对大量的数据信息进行及时、精准的处理。本系统作为一种应用在高校的长跑测试系统，每次测试采集到的数据不计其数，采用自动识别技术获取并处理数据可以有效地减少误差和劳动力成本，同时提高工作效率。

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术是本系统采用的一种自动识别技术。与其他技术相比，RFID具有以下优势：

1）RFID标签面积较小，轻便易携带，并且具有各类不同的形状，读取数据信息能力不受体积大小影响。体测时学生仅需要穿着附有RFID标签的衣物便可参与测试，小巧轻便的标签并不会给学生带来负担。

2）RFID标签能够重复使用。对于高校来说，体测是每年都需要进行的，具有可重复使用特性的RFID标签能够显著降低成本。

3）RFID标签具有耐环境性。在处于昏暗潮湿或炎热干燥的环境中时，RFID标签也能正常工作，读取并处理数据。

4）读取数据不需要进行接触，能够一次处理多个标签，并可以将处理的状态信息传入标签，供下一阶段数据处理使用。高校长跑测试时，一轮测试是多个学生同时进行，需要一次性处理多个数据，而RFID解决了这一问题。

RFID系统一般由读卡器与电子标签和应用软件系统组成。RFID系统的工作原理是电子标签与读卡器之间通过耦合元件实现射频信号的无接触耦合，指当读卡器通过天线发射器发射一特定频率射频信号，当标签进入RFID读卡器范围产生感应电流，RFID读卡器依次接收处理数据，并发送给后台应用程序做相应的处理[3]。

传感器是通过数字化来具体化现实世界中一些人类无法清晰感知的信息，如温度、速度、湿度、重力加速度和PM2.5值等。传感器可以看作是人类的扩张感官，在未知领域或不适合人类进行探索的领域是一种重要的探测设备。同时，它也起着连接外界和内部处理器的作用。传感器通过敏感元件收集外部输入信号，并将信号转换成另一种易于识别的输出形式(电信号)，通过记录和分析来控制变换元件和变换电路，从而对数据进行处理[4]。

2 系统的实现

2.1 检录系统

为有效记录数据以及防止作弊行为，本系统采用人脸识别技术，用户在进行检录时可以选择刷卡、自行输入卡号等多种选择。当用户进行人脸检录时，系统调用摄像头自动采集用户人像数据并与学生证、软件端以及服务器端三端存储的人像数据进行比对，当任一处比对成功时即视为通过验证，若三处比对皆失败，则判定非本人，需要现场求助相关工作人员进行手动身份验证。检录流程如图2所示。

2.2 软件系统

上位机软件的功能是对数据库传输的数据进行处理，通过站内提供的接口进行数据的接收，将每条接收到的数据整理后加上时间戳，并保存到本地PC硬盘的文件之中。测试系统中得到的数据通过测试终端传入服务器端，服务器端通过调用定义好的接口对体测数据进行计算和分析。将得到的信息数据按照规范形式进行提取处理后存储至数据库中，并上传至教育部门的体测系统进行审核。审核通过后，将测试信息发布至用户移动端，并对学生体测数据进行分析，生成相关健康报告以及健康训练指南，指导学生进行针对性的健康训练[5]。

本系统的上位机软件的设计目标是设计一个网站，即通过网站与数据库后台相连接，网站提供管理员、教师、学生三种身份权限的查询。管理员具有导入和导出学校体测相关信息的权限，并且具有对学生长跑测试相关数据进行修改的权限；教师凭自己的工号密码登录系统可查看自己班级学生的测试记录，并修改学生密码；学生凭一卡通账号密码登录系统，可查询自己的基本信息以及长跑测试成绩记录。

2.3 测试系统

本系统以标准的400米跑道为例，设计了一种智能化长跑测试系统，测试类型包括800米测试和1 000米测试。当进行800米测试时，RFID的起点位置可以检测到人员通过信息，同时在途径点也可以检录到信息。当进行1 000米测试时，起跑线处不设置RFID读卡[6]。学生在检录界面可以智能选择1 000米或800米的不同测试项目，检录完毕后将自动匹配学生信息并上传至数据库储存，能够有效地提高测试效率，节约人工成本，示意图如图3～图4所示。

系统在整个长跑测试中的工作流程为：1）首先需要在测试终端进行RFID卡片的录入，该工作主要是为学生检录测试做准备，最多支持40人同时检录测试；2）学生在进行人脸检录时，需要对人脸检录信息进行实时存储，以防止突然终止测试而导致本次学生检录信息的丢失；3）当人员检录完成后，进入测试。

在测试系统中，利用选择的RFID读卡器和R2000天线，通过测试者穿戴有RFID卡片的背心，经过设置的起点位置，读取数据，当经过终点位置时，也记录下时间，每个时间值和芯片绑定的IP一一对应，数据实时上传至安卓终端，安卓终端通过数据处理分析得出测试者的长跑时间，女生测试可以在终端的页面选择800米，男生测试在终端页面选择1 000米，灵活实现测试距离的选择。通过4G通信将数据实时上传到服务器，精确且效率高。

3 实验结果

根据系统硬件设计，绘制数据采集终端的PCB电路板。在数据采集终端和数据库基站准备好之后，开始在校园对系统进行部署：在网络管理中心安装两个基站，一个作为主数据库基站，另一个作为备用数据库基站。将八个数据采集终端分为两组，并布置在数据库基站周围。四个位置分别为：第二教学楼、实验楼、学生活动中心和操场。每个位置之间的距离不同，最远距离为600米。测试模式分为两种，一种是正常情况下的测试模式：学生长时间按照规定的时间进行长跑测试；一种是恶劣环境下的测试模式：在每个数据采集终端上贴附校园卡约1 h。通过后台软件计算数据包丢失率，最终测试结果如表1和图5所示。

表1 丢包测试结果

根据测试数据分析，在500米以内的通信距离无丢包现象发生，数据的丢包率很低，基本上可以忽略不计。在上位机软件方面，系统运行两个多月，网页稳定，能够实时上传信息，无崩溃和异常现象发生，学生使用后反馈感受较好。

接下来，通过本系统对不同距离下的学生体温值进行测试，测试结果如图6所示。

通过图中数据可以看出，当距离较远时，偶尔会有丢包和无法接受数据的情况发生，但在大多数情况之下，数据的传输都没有问题。在系统的智能性方面，当接收到的体温数据超出正常范围时，系统将会发出相应的警告。当测试者与设备的距离在一个合理的范围内时，系统可以准确测量体温，当距离为1米时，所测量体温值为36.7℃；当距离为12米时，所测量体温值为36.6℃。误差较小，说明本系统具有良好的适应性。通过硬件测试，可以看出本系统的硬件设备选型完善，功能齐全，安装方便快捷，对于高校的体测环境具有很强的适应能力。

4 结语

本文对智能长跑测试系统进行了研究，提供了一种智能化、科学化的长跑测试系统，通过RFID射频识别技术、传感器技术、人脸识别技术以及数据库和软件端打造了一体化的智能长跑测试系统，有效地避免了人工测试所带来的大量重复性工作，使测试过程更加安全和可靠。本系统也存在着一些不足之处，比如在硬件方面，当工作时间过长时，可能会发生散热异常导致设备停止，对此系统的改进过程中应及时对硬件进行升级，提高其散热效率。在数据包采集上，虽然数据丢包现象并不严重，但在未来的应用中如果涉及更远的通信距离，数据丢包率可能会上升。系统需要对数据包进行改进，优化丢包重传机制。软件方面，在测试数据的处理上，一些算法还可以进行优化，从而使系统对于学生的成绩分析能够生成更加精准的报告。