基于红外对射技术的短距离跑步计时系统设计与应用

徐峰 施兰平

摘要：該文以基于红外技术原理的50 m计时系统为研究内容，主要分析了系统的硬软件架构和设备参数，以及在实际操作使用中的问题，并通过对1 256名大学生进行测试后检验了系统在计时成绩方面的可靠性和稳定性。研究结果：（1）通过升级LED发光二极管红外发射探头，解决了户外强光对本系统红外线的干扰，系统稳定性升高，测试中无成绩丢失现象；（2）验了终点红外对射装置在不同高度时计时成绩，当终点红外对射装置高度在90 cm与专家手计成绩间无显著性差异（P＞0.05）；（3）比该系统与专家手动计时方式之间的变异系数值，该系统变异系数值比手动计时低，测试成绩效度比手动计时要高；（4）系统解决了手动秒表所涉及的误差和测试效率问题，可同时进行8人分道测试。研究结论：基于红外对射技术的50 m跑计时系统在计时精度和效度上达到了专家手动计时水平，可以用于学校50 m跑测试，它对各学校提高学生体质健康测试效率，减少不同学校在50 m测试精度上的差距，同时对于教育主管部门评价不同地区学生体质健康水平有非常好的意义，具有较高的应用推广价值。

关键词：红外对射  50 m跑  电动计时 计时系统

中图分类号：TH714   文献标识码：A

Abstract： This paper takes the 50-meter timing system based on the principle of infrared technology as the research content， mainly analyzes the hardware and software architecture and equipment parameters of the system and problems in practical operation and application， and tests the reliability and stability of the system in terms of timing performance  after testing 1256 college students. The research results are as follows：（1）By upgrading the infrared emission probe of the LED light-emitting diode， the interference of outdoor strong light on the infrared ray of the system was solved， the stability of the system was improved， and there was no loss of performance in the test. （2）The timing performance of the terminal infrared through-beam device at different heights was checked，  and there was no significant difference between the expert manual results when the terminal infrared through-beam height was 90 cm（p>0.05）. （3）The coefficient of variation value between the system and expert manual timing mode was compared， the coefficient of variation value of the system was lower than that of manual timing， and the validity of test results was higher than that of manual timing.（4）The system solved the error and testing efficiency involved in manual stopwatches， and could perform 8-person split tests at the same time. Research conclusion： The 50-meter race timing system based on infrared through-beam technology has reached the level of expert manual timing in term of timing accuracy and validity， and can be used in the 50-meter race test in schools， which has good significance and high application and promotion value for schools to improve the efficiency of the students' physical health test， reduce the gap in the accuracy of the 50-meter race test in different schools， and evaluate the students' physical health level in different regions by the education authorities.

Key Words： Infrared through-beam；50-meter race；Electric timing；Timing system

《国家学生体质健康标准》要求学生每学年参加评定一次，标准从身体素质、身体形态和身体机能三大方面综合测试评价学生的体质健康水平。身体素质类中的50 m跑是小学到大学各年级学生必须参加测试的共性指标，它在评价标准中占20%的比重 。当前各学校组织学生参加50m跑测试多采用手动计时，手动计时受从业经验、人体反应延时误差、工作环境和视觉疲劳等方面的影响较大，计时误差可达0.24 s。而学生完成50 m跑所需要的时间非常短，所以50 m跑的计时精确度对评价学生体质健康水平存在较大影响。同时，手动计时产生的误差也会带来教育部考核各地区学校学生体质健康水平之间的差异，因此需要研发一套测试效率高，记录成绩实用的50m跑计时系统去记录学生成绩。

目前，田径比赛多采用高清频闪摄像和RFID无线射频技术计时系统去记录跑步成绩。高清频闪摄像计时系统成绩记录精度到1/1000s，但是它的缺点是产品价格昂贵，学校投入大，整套系统设备在使用前期的调试过程复杂，需要有专业技能的人对设备进行定期维护。RFID无线射频技术系统对于短距离项目存在的最大问题是碰撞现象，当同一时间通过终点阅读器定位标签数量过多时会造成标签记录数据丢失的现象，参加测试的学生可能出现没有成绩的情况。此外RFID无线射频技术系统的定位精度误差在5 cm～5 m之间，这个误差对于短距离跑项目过大，所以需要开发一套成本低，计时精度较高的系统便于在各大学校推广使用。该文以基于红外对射技术原理自主开发了50 m跑计时系统为主要研究内容，详细分析了系统的构成、工作原理和硬软件参数，以及在具体实际应用操作方面发现和解决的问题，为广大学校提高大学生体质健康标准测试效率和成绩效度提供支持。

1研究对象与方法

1.1研究对象

为了检验终点对射装置在不同高度时所记录成绩的精度和效度问题，选取参加大一体育课程38个班共1 256名学生为研究对象，测试时间是2022年5月。学生年龄、身高、体重和BMI指数等基本信息见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

查阅中国期刊网和外文期刊网Web of Science数据库。以“手动计时”或“红外对射技术计时”或“电动计时系统”为关键词，检索2000—2022年内国内外刊载的相关文献，最终获取相关的研究论文9篇。在认真阅读和分析所获取论文的基础上，对前人所研究的“径赛计时系统”和“红外对射计时系统”进行整理汇总，以保证该文研究的前瞻性和新颖性。

1.2.2 实验测试法

选取参加大一体育课程38个班级1 256名男女学生进行测试，测试过程中采用专家手动计时和红外对射系统两种计时方式，每位参加测试的同学，在同一个终点红外发射器高度上会获得两种计时方法的测试成绩。

（1）测试设备。50 m红外对射计时技术系统。该系统硬件主要由主机、红外对射拦截探头、探头支架、终点成绩显示屏这4个部分构成。主机软件系统在江苏领康公司生产的基础上进行了新的设定。主机所使用芯片nRF24AP1由深圳富达实业公司生产，工作频率2.4 GHz ISM，具有125个频点，支持点对点、点对多通信，实际用户数据速率可达20 kb/s，空中接口的最高传输速率可达到1 Mb/s。

（2）测试方法。测试前将所有参加此次测试的学生信息（学号和姓名）导入本系统，每组测试人数为2人。先由教师带测试学生充分做好准备活动，之后学生按照随机编码顺序参加测试，终点手动计时由3位国家一级田径裁判员负责，手动计时成绩以3人中间成绩为准。

1.2.3数理统计法

采用SPSS 21.0 统计软件对本系统和手动计时成绩进行统计分析，成绩以“s”秒统计，统计结果中P＜0.05认为具有显著性差异。

2结果与分析

2.1红外对射计时系统架构

2.1.1系统主机硬软件构成与参数

该系统的硬软件构成见图1。主机使用的软件在领康公司生产的分析软件基础上进行了新的设定，采用嵌入Android 4.2.2系统，主机外面配有7寸电容触摸屏，支持多点触控，屏幕采用中文显示界面。为提高主机的运行速度，采用RM Cortex-A7双核构架CPU核心处理器，1.0 GB RAM运行内存和8 GB ROM FLASH存储空间，系统反应速度和性能更加稳定，功耗得到降低。此外，主机还预留两个标准化USB2.0接口，可直接插入U盘导入100 000条测试名单信息，也可直接导出测试成绩至U盘自动生成Excel表格。主机内置大容量可充电锂电池，可独立工作一个工作日以上，在停电时不影响测试。主机在测试操作步骤中有中文提示，实时语音播报测试者姓名、性别等信息，报测试步骤和测试结果。可实现双屏幕同步显示测试过程和结果，此外主机具多种身份识别功能，可通过触摸屏输入、机械键盘输入、非接触式IC卡（兼容校园一卡通）、条码扫描枪等识别方法。在测试过程中如果是手动输入学号具备自动递增功能。

主机菜单功能上具备单项查询、体查询、组查询，具有年级、班级、组别、日期等多种筛选数据方式，查询便捷。可以导入评分标准，对测试结果实时评分。主机具备数据多重备份（数据库、文本、U盘、数据上传等备份方式），保证测试成绩安全可靠，具有数据一键恢复功能防止误删。SQlite数据库，让查询效率提高，存储更多的数据，该系统的硬件参数见表2。

2.1.2终点红外发射与接收装置

该系统终点红外对射装置见图2。因为传统的红外线对射计时装置在室外使用時容易受到可见光的影响，特别是测试时太阳光照强会出现丢失测试成绩的情况。为了解决这个问题，该系统将终点普通的发光二极管升级为LED发光二极管，将发射的红外线波长增加到0.76～1.5 μm，比可见光中的红光波长要长[1]，该系统终点红外发射装置发射的光谱位于红色光之外，这样做可以避免了可见光对本系统的影响，成功解决测试中成绩丢失的问题。

此外，为进一步提高终点装置的稳定性，该系统终点红外发射器芯片采用市面上稳定性最好的nRF24AP1芯片，它包含1Mb/s的射频收发信机、异步串行接口UART、时钟模块和ANT协议机等4个模块，芯片的内部结构图见图3。在实际工作中由主机发送指令给发射和接收装置，装置执行指令，完成跑步后发射和接收装置发送给主机指令，主机进行接收并完成计时功能。 此外，nRF24AP1芯片功耗非常低，为了进一步降低功耗本系统设置有“sleep”休眠和“Suspend”两种工作模式。通常为了使nRF24AP1省电进入休眠状态，只需要将“sleep”休眠信号置为高电平就可以阻止串口通信，当“sleep”休眠信号处于低电平时，nRF24AP1不会进入待机状态，此时串口处于准备接收数据状态。

2.1.3系统成绩管理

在开始测试前先在测试场地内架设红外对射计时系统和网络，将各个设备主机调试完毕。开始测试前的检录方式支持学生刷学生卡或手腕条形码两种方式。学生在刷卡完成后按照检录先后顺序进入相应跑道的起点准备进行测试。负责测试人员按下主机控制面板上开始按钮，主机向计时终端发出命令，红外计时终端开始工作。主机连接音响发出各就位、预备和枪声，同时主机软件开始计时，测试人员开始跑步。当跑步人员到达终点，其身体通过终点，并同时切断红外感应线。此时，终点得到一个信号，此信号在终点计时单片机上将该信号传给主机，主机计时结束，得到的成绩为该人员的短跑成绩。当考生通过终点时，此考生的计时终止，终点计时将自动把学生成绩上传至主机内进行分析，通过安装在计算机内的教师工作端软件，可登录系统，导入学生基础信息、调取学生考试成绩。

2.2系统实际测试精度校准与检验

该系统所记录成绩和专家手动记录之间的差异决定其是否有使用价值。为了检验和校准本系统的成绩精度，邀请3位专业裁判在本系统测试学生成绩时同步手动计时，安排参加此次实验的学生在4天时间中在各高度上分别跑一次，跑完之后会得到系统和专家手计两个成绩，之后分析两组成绩之间的差异性，测试使用过程中，终点对射系统发射架的的底盘沿50m跑终点线内沿放置，

目前，国内外在终点红外对射装置高度上没有一个准确的数据，目前常见的高度有4种，分别是80 cm、90 cm、100 cm、110 cm，考虑低于80 cm时当学生摔倒时容易被戳伤，所以终点红外对射和接收装置都高于80 cm放置[3]。而对于这4种常用的终点发射支架高度，哪一种高度所记录的成绩和专家手计之间无差异且更有代表性？将1 256名参加测试的学生依据两种测试方法得到的成绩采用配对t检验统计分析，检验结果见表3。从表3可以看出，在测试的4种高度上，只有当高度处于90 cm时候男女生成绩和专家之间同时无显著性差异，当高度在80 cm时女生之间无显著性差异（P＞0.05），男生之间有显著性差异（P＜0.05），而当高度在100 cm时候男生之间无差异（P＞0.05），女生之间有显著性差异（P＜0.05）。在实际使用过程中为了提高工作效率，通常是男女混合一起测试，因此本研究认为对于学生参加体质健康达标测试，男女生同时参加测试选择90 cm的高度最合适。

2.3 终点红外对射装置在90 cm高度时测试成绩效度评估

当前，全国各大院校在进行《国家学生体质健康标准》测试中多采用手动计时，教育部体卫艺司发布的评价标准也是以手动计时进行评价的，因此该系统和手动计时之间的精度误差直接决定了成绩的有效性。为了测试该系统的成绩效度，将依据上面终点对射装置在4种高度上测试后的差异性，我们将男女生不分组别同时参加测试时红外对射装置设定在90 cm高度，选取其中267名学生成绩作为研究对象，将该系统测试成绩与专家记录的学生成绩通过变异系数进行了比较。

2.3.1 系统与手动计时结果变异系数比较

变异系数通常用来比较同一组数据以不同记录方式之间完成后之间的离散程度，变异系数值大则说明记录和观察数据值之间分散程度大[4]。用基于红外对射技术记录的50 m跑成绩。从表5可以看出，以该系统记录成绩的变异系数（CV%）是6.84，以专家手动计时成绩变异系数是6.89，基于红外对射技所记录成绩的变异系数值低于手动计时成绩，说明该系统所记录成绩值之间的离散程度低，成绩的效度高于手动计时，因此认为该系统记录成绩的效度好于手动计时测试成绩。

3讨论

3.1 解决了可见光中红外线对该系统的影响

红外线对射装置在室外使用时面临的主要问题就是可见光中的红外线对系统的影响[5]。因为可见光中红外线波长和普通红外发射装置发射出的红外线波长相近，所以当室外太阳光照强的时候会出现终点接收装置无信号，参加测试学生冲过终点时切线系统计时成绩反应的情况。该系统为解决这个问题将终点发射探头升级为LED发光二极管，将发射的红外线波长增加到0.76～1.5 μm[6]，比可见光中的红光波长要长，这样做可以让该系统终点红外发射装置发射的光谱位于红色光之外，可以避免可见光对该系统的影响，能够解决当前红外发射计时装置在测试中成绩丢失的问题。

3.2终点红外对射装置在90 cm高度时男女生可同时进行测试

当前在使用红外对射装置过程中发现的最大问题就是和手动计时之间的误差，红外对射计时装置通常是以腰部切断终点红外线停止计时得到成绩。而学生身高之间差异大导致腰部高度不同，因此终点红外对射装置的高度对成绩有非常大的影响[7]。查阅相关资料后没有发现有论文专门对红外对射装置在终点放置的高度进行研究，因此该文对终点红外对射计时在终点时不同的高度进行了校验。通过上面的实验发现当终点对射装置在80 cm高度时候男生成绩在本系统和专家之间有差异，而女生之间无差异。当高度在100 cm时男生之间无差异，而女生之间有差异。只有當终点对射装置高度设置在90 cm时候男女学生成绩和手计之间无差异。为了提高测试效率，在测试过程中最好不要经常去调整高度。另外，经常去动终点对射装置容易造成发射和接受故障。通过对比该系统终点对射装置在不同测试高度时记录成绩与手动计时之间的差异，我们认为对于普通学校进行测试运用的时候90 cm度最合适，这样不用将男女生分开测试，可以进行男女生混合测试[8]。

3.3系统测试效率高，成绩之间无误差

在短跑计时项目中，特别是全需要几秒的50 m跑步测试中，计时员短暂的反应时间和经验将会导致一定的误差，目前全国各大院校在《国家学生体质健康标准》测试过程中，对于50 m测试多采用手动计时，手动计时最大的问题就是误差。而通常学校进行体质健康测试时间紧，承担测试工作的老师每天需要进行几千人的测试工作量。长时间的室外工作，计时人员的疲劳情况会造成学生之间成绩误差较大，而电脑系统可以长时间保持同样的尺度进行工作，所记录成绩之间不会有差异。其次手动秒表计时的效率比较低，手动秒表计时通常是两个人一组进行测试，测试完成之后还需要将学生的成绩手动记录在纸上，之后再录入电脑里面计算成绩，这种效率效率非常低。而该系统可以同时进行一组8人的测试，测试的效率将会大大提高，测试完成后成绩自动上传到主机中，学生可以在终点大屏幕看到自己成绩。刷学生卡或者检录条形码上道，避免作弊。

3.4 成绩统计自动化

在之前手动测试过程中，教师手动秒表计时完成之后需要将成绩记录在纸上，之后再录入电脑中进行分数分析的，工作量非常大。在本系統测试过程中，可以直接插入U盘导入100 000条测试名单信息，测试者头像照片，也可以无线同步下发测试者数据，通过不同的设置可以适应复杂多变的测试现场。主机同时具备数据多重备份，以及数据库、文本、U盘、数据上传等备份方式，保证在测试过程中学生的测试成绩安全可靠。此外还具有数据一键恢复功能防止因为操作不当导致误删的情况。通过系统建立的SQlite数据库，让查询效率提高，存储更多的数据，主机的内存空间完全满足国内任何学校的人数要求，学生来到现场参加测试时候可以刷学生卡或者标签检录，之后按照检录人与道次信息，当参加测试人员通过终点之后成绩将会自动录入主机系统中。

4结语

基于红外对射技术的50 m跑测试系统在计时精度上达到了专家手动计时水平，可以用于学校50 m跑测试。它对各学校提高学生体质健康测试效率，减少不同学校在50m测试精度上的差距，同时对于教育主管部门评价不同地区学生体质健康水平有非常好的意义，具有非常好的推广应用价值。

参考文献

[1] 杨斌，红外线电子计时系统在竞技体育赛事中的应用[J].自动化与仪器仪表，2017（2）：161-163.

[2] 汪军锋.基于ESP8266的中长跑自动计时器系统设计[J].自动化与仪器仪表，2021（5）：87-91.

[3] 杜玉玺，胡振琪，葛运航等.距离对不同强度热源红外测温影响及补偿[J].红外技术，2019（10）：976-981.

[4] 梁旭.重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距[J].物理学报，2022 71（9）：178-180.

[5] 李国民，施兰平.基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统应用研究[J].中国体育科技，201854（6）：103-105.

[6] 苏林林，陈亮，陈菲菲，等.面向B5G/6G的GFDM信号高精度测距与定位研究[J].电子学报，2022，50（4）：849-859.

[7] BEHRINGERM，BEHLAUD，MONTAGJCK， et al.Low-Intensity Sprint Training with Blood Flow Restriction Improves 100-M Dash[J].Journal of Strength and Conditioning Research，2017，31（9）：2462-2472.

[8] 安文丽.男子百米起跑与起跑后加速跑的运动学特征研究：二级运动员为例 [D].西安：西安体育学院，2018.

作者简介：徐峰（1982—），男，硕士，助理研究员，研究方向为体育产业管理。

施兰平（1981—），男，硕士，副教授，研究方向：体育训练