基于物联网的智能跑步计圈系统设计

薛 宇，刘宝刚，郭 旗

(1.延安大学体育学院；2.延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000)

田径运动会是许多学校和地方体育机构定期进行的体育赛事活动。田径运动会中长距离跑计圈工作是裁判工作中一个比较繁杂的工作，需要大量有经验、有专业知识的裁判员，即便如此，在执裁过程中依旧会出现一些问题，严重的情况下还会出现错判、漏判，导致比赛结果产生错误，需要花费大量时间进行纠错，大大影响了比赛进行的顺畅性。针对上述问题，设计了基于物联网云平台的智能长距离跑计圈系统，在信息采集层通过语音识别的方式进行运动员信息的采集，极大的减小了人工计圈可能产生的错误；在数据传输方面通过GPRS的方式直接上传云平台，方便了裁判员的工作，提高了工作效率。该系统成本低廉、使用便捷，具有一定的使用价值和应用前景。

1 物联网各层次技术

1.1 感知层技术

感知层是数据的来源，处在三层结构的第一层。短距离无线通信技术、传感器技术和嵌入式技术是组成感知层的主要技术[1]。在物联网应用中，传感器就显得更为重要，没有传感器的信息感知物与物、人与物就无法有效地沟通。传感器的使用方式大致分为两种：一种是和MCU单独使用，MCU将数据做简单处理；另一种是和无线通信模组(蓝牙、zigbee、LaRa等)、MCU组成网络节点使用，无数个网络节点再把数据汇聚到一个节点，这个节点通常扮演网关的身份，本设计采用传感器和MCU单独使用的方式。数据的感知主要由传感器完成，无论以哪种方式使用，传感器就像人体的感觉器官一样搜寻外界的信息。本系统在感知层使用语音识别技术来感知数据，语音识别模块将采集的信息交给MCU处理即可完成感知层数据采集工作。

1.2 网络层技术

网络层进行上下两层的信息运输，其重要性不可忽视，如以太网[2]；无线通信方式，如Wi-Fi、GPRS以及新兴技术NB-IOT等。在网络层有两种模型，自己建立网关和直接接入核心网络，其模型如图1和图2所示。物联网的网关在物联网中扮演的角色是：对下层传感器节点采集的信息按照一定的协议要求转换为可上传的数据包，然后把这些数据包通过以太网或者2G/3G/4G网络上传至应用层[3]。

图1 有网关模型

图2 无网关模型

考虑到体育竞技环境的限制和成本的因素，本设计采用无网关模型，在网络层使用GPRS模组接入核心网，直接将感知层采集的数据按照一定协议打包以透传的方式传输到应用层，不但方便了用户的接入，而且也减少一些费用：建立网关费用、维护网关费用和布线的费用。

1.3 应用层技术

应用层依托云平台对信息进行处理，面向用户需求建立平台交互界面。对于智能计圈系统平台，本设计利用中国移动OneNET物联网云平台提供的资源，将感知层与传输层传回的运动员信息，进行智能化的保存、分析和处理[4]。基于互联网方式查看运动员信息，不受时间和地域限制，方便了用户的信息获取。物联网技术应用在体育竞技中，同样采用了普遍接受的三层体系架构[5]，感知层做数据收集，网络层做数据传输，应用层做数据展示和命令下发。

2 系统硬件设计

系统硬件由语音识别模块、单片机数据分析处理模块、显示模块和联网模块组成。

2.1 语音识别模块

在语音识别模块的设计中，系统采用了LD3320语音芯片，该芯片的特点是其内部集成了语音识别处理模块和一些外部基本电路[6]，用户在使用其功能时只用添加少许的电路就可以完成；在编程时也特别方便，拿到芯片的驱动，只用编辑程序中可识别的关键词列表就可完成识别程序。需要注意的是在编程时要打开MCU的中断。模块在采集关键词时是采用中断的方式，在模块软硬件初始化完成后，打开中断允许位，在有中断来临时，MCU就会读取模块语音识别的结果，语音识别模块原理图如图3所示。

图3 语音识别模块原理图

2.2 单片机数据分析处理

考虑需要用到网络通信和语音识别技术，在控制器的选择上选择了意法半导体生产的32位单片机STM32F103ZET6[7]，采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，主要用到的外设资源有：GPIO、FSMC、SPI、USART、GPIO。

2.3 联网模块

在网络层的联网模组方面，本系统采用由芯讯通无线科技有限公司设计的GPRS模块[7]，工作频段涵盖GSM/GPRS。模块用AT指令集进行控制，与MCU以USART的方式通信[8]。在模块和云平台进行信息交互时，若要保持长连接的状态，必须定时发送心跳包维持。一个重要原因是：在UE和核心网长时间无数据交互时，UE核心网的优先级就会降低，这样就有可能被挤掉线；另外一个原因是：在云端，若在设定的时间外无数据交互，就会强行被服务器断开连接。系统主控电路图如图4所示。

图4 主控电路

3 系统软件设计

在系统程序设计中，选用MDK-ARM软件为开发环境。使用C语言开发。系统开发过程中，使用的是前后台系统(中断+主函数)。程序首先对单片机的系统时钟、堆栈大小分等单片机系统资源进行初始化配置[9]；然后进入主函数(main函数)，对单片机使用的外设资源和传感器进行初始化，初始化完成后程序进入主循环函数(while函数)进行初始化数据显示，当有语音输入时单片机自动进入中断进行数据的采集，采集的数据进行计算后通过TFT彩屏进行呈现，若有“上传云平台”的语音指令时，单片机通过串口把数据传给SIM800C模组，再由模组通过核心网将数据上传云平台。本系统的程序还有“加圈”、“减圈”、“清除数据”等功能的识别拼音串。通过对系统功能的分析给出系统程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

智能长跑计圈平台基于中国移动的OneNET云平台，将采集的数据处理分析，将处理结果展示给用户。OneNET云平台采用PaaS服务方式，为用户可以提供云端接入服务，还可以为用户存储大量的数据，其数据模型示意图如图6所示。

图6 数据模型示意图

平台开发创建公开协议产品，其中公开协议包括：HTTP协议、EDP协议、MQTT协议、Modbus协议等，考虑到本系统属于上报类业务，选择协议时采用HTTP协议，智能长跑计圈平台功能主要分为实时数据查询、历史数据查询、成绩分布柱状图等。

4 系统调试

系统调试过程分为两部分：软件调试和在线调试。在MDK程序编译器中编辑好的程序，通过对程序编译、运行[10]，检查程序是否能编译成功，根据编译结果的提示进行修改程序，改正所有错误完成软件的调试工作。在线调试中，将编译运行好的程序烧入单片机中，打开系统开关，进行语音识别采集数据，根据云平台交互界面显示的结果，检查数据是否和预设方案一致。如果存在问题，可根据实际情况对云平台参数和相应程序进行修改，直至调试结果完全符合预设方案为止。

5 结论

从物联网三层结构设计出对运动员的信息感知、传输、处理的智能计圈系统，包含信息采集、控制、显示、联网等硬件电路设计和相应软件设计，以及平台界面和APP终端设计。对该系统做实际检测论证表明该系统切实可行，实现了从信息采集到信息呈现的网联化，提高了裁判员的工作效率。本设计在功耗方面还需要改进，这种上报类业务可以采用NB-IoT的PSM方式降低功耗。NB-IoT在功耗方面有优势外，而且在覆盖方面相比于4G网络增强了20 dB[11]，这样就不用担心信号覆盖死角的问题。物联网技术与体育竞技设备的结合，使现代体育竞技越来越多地朝着智能化的方向发展，在未来的发展中，物联网与体育赛事的结合还有许多可以探讨的空间。