入篮藤球竞赛信息系统数据交换与组网设计❋

马 堃，牟 艳，金 超，陆 辉

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

·微机网络与通信·

入篮藤球竞赛信息系统数据交换与组网设计❋

马 堃，牟 艳，金 超，陆 辉

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

根据入篮藤球竞赛信息系统业务需求，对数据交换机制和组网结构进行了研究，重点阐述了组网模式、通信协议、数据交换格式等设计方法。开发出的系统已成功实施于“第27届缅甸东南亚运动会入篮藤球竞赛项目”，完成了比赛中成绩采集、处理和显示工作。

竞赛信息系统；入篮藤球；数据交换；组网

1 引 言

入篮藤球运动盛行于东南亚地区，比赛分多个场地同时进行，要求各参赛队的每名运动员使用规定动作把球踢入藤篮，分别统计参赛队总分。比赛中对竞赛信息系统的要求是按照比赛规则，实现比赛成绩的实时采集、处理和发布。先前使用的是一种基于单片机的简单系统，只具备单一场地的成绩采集和显示功能，不具备成绩存储、处理和发布机制，并且存在网络技术陈旧、布置不合理、现场各部分数据交换困难等问题，影响了竞赛信息的实时采集、及时处理和高效显示。针对这些问题，在开发“第27届东南亚运动会（缅甸）入篮藤球竞赛信息系统”的过程中，笔者重点对系统的数据交换机制和组网结构进行了研究，并应用在入篮藤球竞赛信息系统的总体框架、网络架构、网络通信协议及通信方式等设计中，实现了入篮藤球竞赛信息系统在一个稳定、高效、安全的网络环境中工作，并在该次赛会中成功应用。

2 系统概述与数据需求

2.1 系统概述

入篮藤球竞赛信息系统是直接服务于裁判和观众的一套计算机系统，赛时与裁判配合并按照竞赛日程服务赛事的运行，直到赛事结束［1］。在赛事准备阶段，竞赛信息系统需要录入参赛代表团和运动员信息，同时按照竞赛日程编排比赛并打印赛事信息报表，并将由裁判长确认后的赛事信息发布给观众和媒体。在赛事运行时，系统需要分别采集每个场地运动员的每个动作的得分，同时通过场馆内的场地记分牌、现场大屏幕、官方网站和电视字幕等展现给观众。每一阶段的比赛结束后，系统需要根据各代表队总分生成晋级名单和成绩公告等赛事信息，并经裁判长确认后发布。在全部比赛结束后，系统应生成比赛的名次公告和奖牌榜，并经确认后发布供外界查看。

2.2 系统组成

入篮藤球竞赛信息系统分为三个部分，如图1所示。

图1 入篮藤球竞赛信息系统组成结构

（1）数据采集：完成比赛成绩数据的采集，是整个竞赛信息系统与入篮藤球比赛衔接最紧密的部分，是系统的数据源头。入篮藤球比赛通常为多场地共同比赛，每个场地设有一个由裁判操控的打分端，全场设置一个统一的打分监控端。赛前打分监控端接收由成绩处理系统发来的比赛信息数据（如比赛阶段、代表团名称、运动员名称、场地号等），并按照场地号将比赛分配至各场地的打分端。赛时打分监控端监控各个打分端的工作状态，接收由打分端发来的成绩信息，并将其发送给成绩处理系统进行处理。

（2）成绩处理：是整个竞赛信息系统的核心，负责系统的竞赛基础数据录入、接收从数据采集系统发来的成绩信息并进行处理，同时可发布给场馆外部的外围竞赛信息系统，如负责监管全部竞赛项目的中央成绩处理系统、电视字幕系统等。

（3）现场显示：由两部分组成，分别是现场大屏幕和各场地的液晶显示屏（Plasma Display Panel，PDP）。其中现场大屏幕显示的内容为所有场地实时成绩的综合一览，而PDP的显示内容为其所在场地的实时比赛成绩。现场大屏幕由播放控制终端控制播放终端来展示播放的内容。PDP由各场地的打分端直接控制其显示。

2.3 数据交换要求

入篮藤球竞赛信息系统的数据交换即场馆内部的数据交换，此系统需要处理的数据来源有多种，根据不同的数据来源，其传送的数据内容和其传输对网络的要求也不同［2］，详见表1。

表1 入篮藤球竞赛信息系统数据需求表

3 系统组网设计

3.1 组网模式

数据的网络传输与交换是竞赛信息系统能成功运行的基础保障，而要保证信息在各方之间能够稳定可靠的传输，就必须设计合理的网络架构，以实现信息在一个安全可靠的网络中进行传输和交换。这里考虑了两种设计，一是基于有线网的方案，如图2所示，系统使用传统以太网设计网络，分配至各个场地的数据采集系统中的打分端将采集到的成绩数据发送给数据采集系统的打分监控端，并存入本地数据库服务器，同时将成绩通过VGA连接线直接连接至场地内的PDP完成此场的成绩显示。播放控制终端通过现场以太网控制播放终端将成绩显示在现场大屏幕上。成绩处理系统读取本地数据库服务器的成绩数据进行处理后，通过赛会竞赛专网上传至场外的负责存储所有比赛信息的数据中心，外围其他系统如官方网站等可通过此竞赛专网读取本项目的竞赛数据。

另一种设计基于无线网方案。当场馆面积较大、场地使用相对较多时，系统所需的大量网线会破坏竞赛场地的整体布局，使用的网槽也会给场地工作人员的行走带来麻烦，同时网络布线工作量很大。针对这种情况，系统可使用有线以太网加无线接入点（Access Point，AP）来布置入篮藤球竞赛信息系统的网络，如图3所示。系统中的设备通过无线AP接入现场以太网，数据采集系统的打分端使用基于Android系统的平板电脑，PDP控制终端硬件方面采用与打分端一样的硬件平台，不同的是PDP控制端舍弃了平板电脑的触摸屏，通过HDMI高清接口与PDP相接。打分端每次向本地数据库服务器和打分监控端提交成绩消息时会向PDP控制终端发送消息通知，PDP控制终端接收到消息后，对消息进行解析，得到消息类型及其内容，再调用相应（事先编写好）的模板显示到PDP上，系统其他部分的工作模式与有线网相同，在此不再赘述。

图2 有线以太网网络结构图

图3 无线网网络结构图

综上所述，使用基于有线网的方式安全可靠，传输效率较高，网线数量使用多，成本相比无线网较高，适用于场地数较少的情况。基于无线网的方案具有设备可移动性强、网络易部署等特点，但存在信号易受干扰等问题，所以要想获得好的通信效果，就需要设计合理的通信方案保障其通信性能。两种方案各有优劣，应根据场地实际情况选择相对较优的方案。

3.2 通信协议

在竞赛信息系统中通常使用的通信协议有TCP协议、UDP协议、HTTP协议等，根据系统数据交换要求（见表1），入篮藤球竞赛信息系统的通信协议选用方案如图4所示。

入篮藤球竞赛信息系统内部的数据交换对实时性要求较高，并且根据此项目的特点，需多场地同时发送数据信息量较小的数据，即需要使用传输效率高并且资源占有率小的通信协议，综合TCP协议与UDP协议的特点，采用UDP协议较合适［3］。

在现场显示系统里，现场大屏幕部分在应用程序方面采用B／S（Browser／Server，浏览器／服务器）架构，即播放控制终端将需要显示的内容及其格式使用UDP协议发送给播放终端，播放终端将数据解析并生成既定格式的HTTP请求，使用HTTP协议向本地数据库服务器请求播放内容，服务器将请求的内容通过网页形式反馈给播放终端，播放终端再将此内容通过VGA连接线显示在现场大屏幕上。在PDP显示上，在使用有线网组网时，由于各场地的PDP是由数据采集系统中的打分端使用VGA连接线与其相连控制其显示，在协议的使用方面只需考虑使用无线网的情况。打分端与打分监控端和PDP控制终端之间、本地数据库服务器与成绩处理系统和打分监控端之间均使用UDP协议通信。

图4 入篮藤球竞赛信息系统通信协议选用方案

由上述可知，系统中多数使用UDP协议来进行数据传输，针对UDP协议自身的不可靠性，本课题结合UDP协议通信的实现原理，设计了多线程通信保障机制来降低通信过程中的风险［4］。系统需要进行通信时，先在发送端建立一个消息队列，该消息队列遵循先进先出的原则，存放的内容是能够唯一识别每条消息的标识符MSGGUID。系统通信将由三条线程来完成：线程1即发送线程，该线程负责由发送端发送消息给接收端并在本地存储该条消息，之后将该消息的MSGGUID号从消息队列的尾部加入队列，当接收端接收到发送端的消息后将该条消息的MSGGUID号反馈给发送端；线程2即接收线程，该线程负责接收由接收端反馈的UDP消息（MSGGUID号），如果此消息中的MSGGUID号在消息队列中存在则删除该MSGGUID号，表示此MSGGUID号代表的消息已成功发送给接收端；线程3即重发线程，该线程负责在既定的时间片内（入篮藤球项目一般为3秒）检查消息队列，并再次发送队列头部的MSGGUID号代表的那条消息，同时记录其重发次数（根据实际需要调整），当重发次数超过设定次数时就认为物理网络已经断开，此时也删除队列中的MSGGUID号。

3.3 数据交换格式

数据交换方式是通过“请求-响应”机制实现的，数据提供方只需要提供数据，而不需要其他操作，数据接收方在数据有更新时读取数据。通常情况下，可使用的数据格式有XML（Extensible Markup Language）、CSV（Comma Separated Values）、TXT（Text File）和二进制文件。其中CSV、TXT和二进制文件生成容易但解析难，通常在竞赛信息系统中通常使用XML来描述消息。XML使用自定义的元素和属性来描述数据，在数据传送过程中，XML始终保留了诸如父／子关系这样的数据结构，使得消息体取得规范一致，这样其数据可以被运行于不同平台上的各类应用程序直接使用，达到实时处理数据的要求［5］。

如图5所示的文件是数据采集系统发送给成绩处理系统的XML格式的成绩消息，Match节点表示此XML描述的是在场地1进行的比赛号为“STM005101”的泰国队男子入篮藤球比赛成绩，节点Athlete1～6表示6名运动员的注册号、球衣号码以及入篮藤球项目8种规定动作的成绩。

3.4 网络安全管理

体育比赛竞赛信息系统现场以太网的建设是依托整个大会竞赛专网进行建设的，是专网的完善和补充。大会竞赛专网作为与外部完全独立的网络，具备了完善的安全措施和解决方案，可以认为不存在通过竞赛专网对竞赛信息系统的现场以太网的安全威胁。主要面临的安全隐患及防范措施如下所述：

（1）非授权访问：指比赛场地中非竞赛信息系统人员使用未授权的设备（如笔记本等）访问此网络。由于这些用户普遍使用的是通用化民用设备，访问并非恶意，采用一般性身份验证即可防范。

（2）交换机损坏：现场以太网的设备都是临时布置，人为损坏和自然损坏都在所难免，在网络的设计和建设过程中，需要充分做好设备和网络的备份，重要节点和网络必须双路备份。

图5 XML格式的比赛成绩

（3）断电：电是保证网络正常工作的基本条件之一，为保证网络工作正常，一方面应采用POE供电模式，将供电管理统一集中到供电可靠的网络交换设备上，另一方面重要设备应配备外接供电设备（如UPS等），以保证设备正常用电。

4 系统运行实施

在2013年12月11日举行的第27届东南亚运动会（缅甸）中，入篮藤球项目使用两片场地同时进行比赛，入篮藤球竞赛信息系统采用有线以太网的方式布置网络，完成了比赛赛前的集成测试，并在正式比赛中成功应用，实现了现场成绩准确采集和传输、成绩处理及实时显示的功能，满足了入篮藤球项目的赛事需求，系统运行稳定，网络布置合理，保证了比赛信息的实时性和准确性。比赛场馆现场实施情况如图6所示。

图6 东南亚运动会场馆现场实施图

5 结束语

针对入篮藤球竞赛信息系统数据交换的特点，提出并比较了有线网和无线网两种组网模式，并选取了各部分间最优的通信协议来保证系统的通信服务质量，以实现竞赛信息的准确采集、可靠传输和显示，保障比赛顺利进行。通过在第27届东南亚运动会（缅甸）入篮藤球竞赛信息系统中的成功应用表明，设计的数据交换方式和组网模式是合理、有效的。

［1］欧阳波.中国体育科学学会计算机应用分会论文集（2005-2009）：科技奥运之运动信息系统［C］.北京：中国体育科学学会体育应用分会，2009.

［2］邱均平，黄晓斌，段宇锋，等.网络数据分析［M］.北京：北京大学出版社，2004：15-60.

［3］胡道元.计算机局域网（第四版）［M］.北京：清华大学出版社，2010：203-206.

［4］屠晓芸.基于Web Service数据交换的研究与实现［D］.北京：北京化工大学，2007.

［5］郭荷清，王增勋.XML数据绑定及对象序列化的应用研究［J］.计算机应用与软件，2006，23（5）：65-66.

Design of Data Exchange and Network of Hooptakraw Com petition Information System

MA Kun，MU Yan，JIN Chao，LU Hui
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

According to business requirements of the Hooptakraw competition information system，the paper studies the data exchangemechanism and network structure，and describes the designmethod of networking mode，communication protocol and data exchange format.The system has successfully performed in the 27th Myanmar SEA Games Hooptakraw competition，and completed the result acquisition，processing and display in the competition.

CIS；Hooptakraw；Data exchange；Network

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.007

TP319

：A

：1002-2279（2014）05-0018-05

国家体育总局体育信息中心委托项目—第27届东南亚运动会（缅甸）入篮藤球竞赛信息系统

马堃（1990-）女，山东省莒县人，硕士研究生，主研方向：智能信息处理理论与技术。

2014-02-18