基于RFID与LoRa技术的耐力素质测试系统的设计

王聪玲 许婧婷 高军 董永军 郭景富 徐明奇

摘  要： 针对多人参加的耐力素质测试中传统计时方法存在的测试过程繁琐、数据丢失、数据统计困难等问题，将RFID技术、LoRa无线通信技术与数据库结合，设计了一套耐力跑体能测试系统。该系统具有自动计时、显示和保存成绩的功能，能够以无线通信的方式将测试结果上传至数据库中。该系统还可以设置多个中途计时点，记录多點成绩。实际测试结果表明，该系统能够实现分段计时、防止数据丢失、简化数据统计与处理的过程，提高测试效率。

关键词： 耐力素质; 自动计时; 射频识别; LoRa无线传输; STM32; 数据统计

中图分类号： TN710?34; TP273                    文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）19?0138?04

Abstract： In view of the tedious testing process， data loss and difficult data statistics existing in the traditional timing method of endurance quality test attended by several people， a set of endurance running fitness test system is designed by combining RFID （radio frequency identification） technology， LoRa （long range radio） wireless communication technology and database. The system has the functions of self?clocking， displaying and saving scores. Moreover， the test results can be uploaded to the database by wireless communication. The system can also be used to set multiple midway timing points to record the results of several points. The result of actual test shows that the system can perform segmented timing， prevent data loss， simplify the process of data statistics and processing， and improve the test efficiency.

Keywords： endurance; self?clocking; radio frequency identification; LoRa wireless transmission; STM32; data statistics

0  引  言

青少年的体质情况关系到国家的发展和民族的未来。有调研结果显示，青少年参与体育锻炼活动较少，身体素质有待提高[1]。为改善这一状况，国家制定了一系列的标准和改进措施。在最新的《国家学生体质健康标准》中，男子1 000 m跑、女子800 m跑是唯一能衡量耐力素质的项目[2?3]。

目前，常见的耐力测试计时方式有秒表计时、光电感应计时[4]和RFID（Radio Frequency Identification）技术计时[5?8]三种方式。秒表计时方法繁琐费力，受人为因素的影响，计时结果极易出现误差，数据统计量大且易出错;光电感应计时设备在多人参加的测试中无法分辨多个个体，延长了测试时间，此方式仅适用于单人的测试或训练;RFID技术的计时设备在每次测试前都需要手动录入参加测试者身份信息，此外，此类设备多以USB、以太网接口等与PC连接，无法在测试完毕后立刻将测试成绩存储到数据库中，造成数据易丢失、数据统计过程繁琐、时效性差等问题。本文针对校园中的耐力测试，将RFID技术、LoRa技术与数据库相结合，设计了一套耐力素质测试系统。

1  系统的总体设计

耐力素质测试系统总体结构框图如图1所示，包括下位机和上位机。下位机用来实现数据采集，由主控制器、多个计时器、地毯天线、电子标签组成;上位机用来实现数据处理，由数据库服务器和人机界面组成。

系统各部分具体实现的功能如下：

1） 主控制器：对整个耐力测试过程进行控制，包括身份认证、开始与终止测试、成绩显示和保存、数据传送等。

2） 计时器：计时器连接地毯天线和电子标签，共同组成一个完整的RFID系统。计时器分为终点计时器和多个中途计时器。终点计时器放置于终点位置，用于记录测试者通过终点时的时间;中途计时器的位置和个数根据测试场地和需求进行放置和调整，用于记录测试者通过中途计时点的时间，从而实现多点计时。

3） 数据库：主要实现对数据的统计和保存，包括参加测试者身份、测试成绩等相关信息。

4） 人机界面：与数据库交互，实现管理人员对测试结果的查询和管理，对测试结果评分。

2  下位机的设计

2.1  下位机的硬件设计

下位机的硬件设计如图2所示。RFID技术作为一种非接触自动识别技术具有能够分辨不同个体的特点[9]，其工作频段有低频（125～134 kHz）、高频（13.56 MHz）、超高频（433 MHz，860～960 MHz）、微波（2.45 GHz，5.8 GHz）。根据系统测试距离和稳定性的需要，主控制器选用13.56 MHz的读卡模块读取校园卡，该模块支持常见IC卡的读取，计时器选用915 MHz的超高频RFID阅读器搭配地毯天线实现计时。测试时，测试者配带电子标签，RFID阅读器发送一定频率的射频信号，电子标签到达地毯式天线位置后接收阅读器发出的射频信号，发送电子标签中的信息给RFID阅读器，通过识别不同的标签信息分辨出不同测试者。

蓝牙、ZigBee等传统的无线通信方式的通信距离较短，不适用于户外场景。LoRa无线通信技术融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，与传统的无线通信方式相比，具有低功耗、低成本、长距离等特点[10]。系统选用基于SX1278 射频芯片的LoRa无线模块实现主控制器与计时器、主控制器与服务器之间的通信，LoRa无线模块的工作频率范围为410～441 MHz，不会影响RFID设备工作。

2.2  下位机的软件设计

数据采集系统的设计流程图如图3所示。

测试过程中为避免多个计时终端同时向主控制终端发送数据而产生的数据冲突，系统采用终点成绩实时上传，中途成绩由主控制端查寻的方式实现获取多点跑步成绩。具体思路为：主控制器通过刷卡的方式获取参加测试人员身份信息，并与其测试时佩戴的电子标签绑定。开始测试，主控制器向所有计时器发送开始测试命令，所有计时器中的定时器开始计时，开始计时时间为[T0]，RFID阅读器开始工作。当计时器中的RFID阅读器读取到电子标签，计时时间为[T1]， 则经过该计时点的时间[T]为：

得到计时时间后，判断计时时间是否有效。若时间有效，终点计时器将标签信息和计时时间发送至主控制器，主控制器显示并保存计时成绩。中途计时器将标签信息和计时时间暂时保存在中途计时器中，等待主控制器查询。判断计时时间有效的依据为：

即同一计时器本次计时时间与上次计时时间间隔大于5 s，则本次计时时间有效。直到所有测试人员完成测试，主控制器向所有计时器发送停止测试命令，各个计时器中的定时器清零，RFID阅读器停止工作。主控制器依次查询中途计时器，将本轮所有计时时间通过LoRa模块发送至主控制器。主控制器将本轮测试的测试成绩和刷卡卡号打包，通过LoRa模块直接发送到数据库服务器端。

2.3  LoRa无线通信

主控制器与计时器之间、上位机与下位机之间的通信均采用LoRa无线通信技术，为确保数据的准确性和可靠性，本设计制定了自定义的数据帧格式，如表1所示。

起始符1 B，功能码1 B，数据长度由要发送的数据决定，数据内容为电子标签的标签号/学生卡卡号（计时器通过电子标签号发送成绩到主控制器，主控制器通过学生卡卡号发送成绩到数据库）+计时时间，校验码采用校验和的方式，2 B，结束符1 B。具体功能码及其含义如表2所示。

3  上位机的设计

3.1  数据库的设计

上位机数据库的设计采用PostgreSQL数据库管理软件实现数据的存储。数据库编写思路如下：

1） 打开服务器串口，对串口初始化，设置波特率、数据流控制和帧格式;

2） 等待接收主控制器发送的数据，用SELECT语句检索数据库表中卡号字段;

3） 更新表中卡号对应的学生耐力测试成绩;

4） 关闭串口。

pgAdmin 4中查看数据库如图4所示。

3.2  人机交互界面的设计

人机交互界面采用LabVIEW软件编写，采用ODBC接口实现上位机界面与数据库之间的连接。具体实施方式如下：用ADO Create Conn.vi与数据库建立连接，随后用ADO Connection Open.vi打开数据源为PostgreSQL35W的数据库;SQL Executr.vi用来执行任何SQL语句，执行SELECT语句，查询表中数据，将数据在表格控件中显示，随后用ADO Connection Close.vi关闭与数据库的连接，如图5所示。

4  实验测试与分析

为了测试本文设计系统计时的准确性和可靠性，在标准的400 m田径跑道上分别对女子和男子进行了800 m/1 000 m中长跑测试。根据《国家学生体质健康标准》的测试要求，以分、秒为单位记录测试成绩，不计小数。测试时在200 m处放置中途计时终端。部分计时成绩如表3，表4所示。

从实际测试可以看出，本文系统能够自动记录阶段性跑步时间，本文设计的系统与传统的人工手动计时方式相比，避免了人为因素产生的误差，操作简单，减少了繁琐的人工劳动。与光电感应方法设计的自动计时设备相比，能够实现多人同时测试，缩短了测试时间。与现有的RFID计时设备相比，能夠将计时成绩直接上传至数据库，解决了数据丢失、数据统计困难等问题。

5  结  论

本文针对现有中长跑计时方法出现的测试效率低、数据统计困难等问题，选用RFID与LoRa技术相结合，设计了一套耐力素质测试系统。该系统改进了现有测试方法数据统计困难的问题，提高了测试效率。增加了分段计时功能，可测得多点数据，帮助测试者了解速度分配，为学生和运动员的训练提供更多参考数据，有助于学生耐力素质的提高。

注：本文通讯作者为徐明奇。

参考文献

[1] 王祥全.我国大学生人口身体素质研究[D].长春：吉林大学，2018.

[2] 陈伟强，宋小荣.对《国家学生体质健康标准（2014年修订）》女生800米跑的解读与分析[J].中华女子学院学报，2015（1）：110?114.

[3] 张丽萍，杨雨轩.《国家学生体质健康标准》与《国家学生体质健康标准（2014年修订）》的对比研究[J].体育科技文献通报，2015（2）：92?93.

[4] 李圣普，王小辉.基于ZigBee的跑步训练辅助系统研究[J].现代电子技术，2016，39（2）：62?64.

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[6] KAO C?C， LO C?W， LU K?H. A personal video summarization system by integrating RFID and GPS information for marathon activities [C]// 2015 IEEE 5th International Conference on Consumer Electronics. Berlin： IEEE， 2015： 347?350.

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[8] 张川.基于田径比赛中的跑圈计数器的设计[J].电子设计工程，2016，24（19）：105?106.

[9] 姜立芳.超高频RFID技术在仓储管理中的应用[J].现代信息科技，2018，2（11）：191?193.

[10] 赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：298?301.