健身步道的RFID管理系统的构建

张惊雷,王勇

（1.南京工业职业技术学院，江苏南京，210046；2. 南京邮电大学，江苏南京，210023）

0 引言

山地运动步道管理系统，利用物联网技术，对健身运动进行团体管理，包括运动量管理、环境管理、健康监测、运动处方推荐等。管理对象分为两个层次的会员和公众（发放临时IFRD卡），会员将建立会员档案，包括身体重量、身体素质、体育历史信息记录，给健康锻炼建议。

1 系统硬件结构设计

管理系统由入口管理模块、出口管理模块、管理服务器、多个临时节点和管理中途点、通信网络组成，如图1所示。入口管理包括RFID卡的管理和分发、测试和发布温度、湿度、天气和空气质量等环境信息。

图1 系统硬件结构

在临时休息节点中，将进入管理范围的健身人员（用ID号）运动信息、环境信息等发布显示屏上。除了具有临时节点功能之外，半路管理点可以提供休息，测量装置的可测试血氧、心肺功能、吸氧等生理参数。将测试数据自动记录到用户的RFID卡中。休息的地方有饮用水、紧急药品等。

出口管理包括RFID卡收集、从管理服务器读取信息和生成体育报告。

管理服务器主要收集每个站点的信息、GIS服务操作，并根据环境信息和用户的移动线路计算运动量。记录人员的运动过程，结合运动专家管理系统生成用户运动报告。

每个站点读取器会自动向电子标签(tag)发送命令，以建立彼此之间的通信。当遇到多个标签冲突时，防碰撞算法区分开来，以便进行读写操作。标签可以在较大的范围内和多个标签中进行识别。

模块和功能如图2所示。

2 管理系统的软件设计

该系统的应用软件主要由三部分组成：现场应用处理程序、通信程序和服务器应用程序。

现场应用处理程序完成环境温度、湿度、空气污染数据的采集和显示，完成身份标签信息的访问，将身份信息和节点编号上传到服务器，从服务器进行数据读取处理，发送大屏幕显示。测试采集在管理节点的人体生理参数的血压、脉搏、体温、血氧量等信息含上传到服务器保存历史数据（如图3所示）。数据信息采用网络服务方法和服务器中心联系。

通信程序，完成通信网络服务器和每个站点的建立。服务器负责每个站点的数据交换，如图4所示。没有通信时，通信服务器站点处于休眠状态。根据通信信道的条件，分为有线和无线通信。

服务器应用程序将完成统一时间校准和站点数据交换功能（如图5所示），身份信息的站点接收，各站点服务器位置（GIS）和线索条件信息，根据站点的时间、路径公式计算出运动路径和能量消耗（代谢当量）。历史信息的服务器数据库，包括身高和体重、生理参数信息和历史运动信息，以图表的形式给出，形成长期运动效果积累。调用运动专家系统，给出运动处方。

图2 模块和功能

图3 现场应用程序的流程

图4 通信程序的流程图

图5 服务器应用流程图

3 关键技术

3.1 碰撞检测算法

为了解决RFID中的碰撞问题，学者们对反碰撞算法进行了深入的研究；确定性抗碰撞算法主要是二进制搜索算法及其改进算法。Klaus Finkenzeller先提出了一种二进制搜索（BS）和动态二进制搜索（DBS）算法，在此基础上，南敬昌等提出了一种基于二叉树搜索的回归索引和跳跃动态树算法的反碰撞算法，以解决冗余信息传输问题。

几种主要算法的查询频率和信息传输量:

二进制搜索算法（BS）:

动态二进制搜索算法（DBS）:

基于回归指数二叉树搜索的算法：

基于跳跃和动态搜索的算法:

其中：L是标签ID长度，N是标签的数量，Q是查询的总数，S是传输信息的数量。

为了减少查询频率和信息传输质量，本文提出了一种基于二进制算法和识别标签的预处理机制。当读卡器首先发送一个请求命令，区域内的所有识别的标签将被送回他们的ID，读卡器解码，得到标签碰撞信息，即所有1而不是0的碰撞标签位置和标签的序列号，根据返回的标签信息可以提取碰撞信息。通过引入预处理机制来减少传输比特，将序列组合的冲突作为一个临时代码，使用专用二进制来减少查询、后退索引策略的查询次数。

根据预处理的结果，读取器发送一个请求命令检测到碰撞数m，只有发生碰撞，读者不必发送请求命令，可以直接读取两个标签。如果冲突大于1，将继续请求。为了降低位置1逐渐检测，直到发生碰撞可以直接识别两个标签。因此，连续查询直到识别区域所有标记都被识别。

改进算法的查询频率和信息传输量:

其中:m是碰撞的次数。方程(1-8)和(9，10)，Q和S比较随着N的增加而急剧下降。

3.2 拓展识别距离

由于节点进入节点阅读器需要识别一系列标签ID，参数识别距离是其重要的性能之一，为拓展识别范围，优化了阅读器相控阵天线。

采用Friis’传输公式的无源RFID系统的有效范围，以及波长λ、天线接收功率Pr、阅读器Pt的发射功率、有效直径(G天线增益)、功率传输系数ζ等。

从方程(11)可以看出，读取有效的各向同性辐射功率距离取决于阅读器(EIRP=PtGt)、天线增益G和功率传输系数ζ。功率传输系数取决于频率，谐振频率，主要由ASIC芯片和天线匹配决策之间的最佳阻抗组成。虽然天线增益增加可以增强定向天线波束，但范围小，不利于扩大识别范围。因此，我们优化了天线的布局，相控阵系统，指向波束控制系统波束天线阵列的执行；它可以通过控制单元的表面相位和增益来实现波束空间点的变化。

其中：△Ф是单元之间的相位差，l是单元之间的距离，λ是信号波长，θ是天线波束方向的角度。通过公式（12）表明，在控制单元的相位变化等效于天线波束方向角度的控制。也就是说，只有通过计算△Ф，才能实现对每个单元的相位值来控制波束。

该设计的天线阵列的控制通过一个移相器阵列开关到电子扫描有不同的相位差，从而实现多波束扫描状态。发射信号通过移相器的天线方向角变化，辐射波束产生多个方向，实现波束通过移相器的电扫描，增加波束的覆盖度。相控阵天线系统示意图如图6所示。

图6 相位天线阵列示意图

为了评价天线阵列的性能，进行了现场对比试验。测试条件:32个电子标签在不同距离的范围内识别100次，计算识别率。比较测试结果如表1所示。

表1 测试结果

实验数据表明:天线阵列识别范围满足设计要求。

3.3 开放标准的系统结构

系统开发基于J2EE架构，应用hibernate、struts2、spring框架，使开发人员可以专注于如何创建业务逻辑，缩短开发时间。J2EE的应用并不依赖于任何特定的操作系统、中间件、基于开发的硬件，可以部署在异构环境下的可移植程序中。

3.4 体育步道官方网站的建设

基于江苏省体育步道云计算中心的智慧构建旅游信息标准，包括全省体育步道信息数据中心和数据交换系统，并作为基本信息智慧健身步道建设，获取健身步道信息，根据统一规则、统一标准进行数据存储，并根据不同平台发布的交换标准，最终实现智能化健身步道信息。

4 结语

完成本项目的建设，RFID将自动记录运动时间和路线，根据环境监测数据，计算健身人员的运动量和热量消耗。在专家系统的帮助下，依据历史的生理数据和运动数据，可以为会员的开出健康运动处方。系统将于今年在国家卫生资金支持下实施。该系统完成，将使以前健身路径的粗放管理精细化、个性化，结合运动结论与数据基础，给出了科学的锻炼建议和处方。

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