基于Android的体能测试数据管理系统

2022-10-19马元高伟杰周文倩贾旭楠

电子制作 2022年19期

马元，高伟杰，周文倩，贾旭楠

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津， 300222）

0 引言

近年来各地中学每学年需要对学生进行体质测试，毕业时测试成绩不合格者按肄业处理；各地中考也逐渐增加体育成绩的比重，过硬的身体素质对于升学尤为关键。市场上现有的体能测试设备，其中最常见且亟待解决的问题是系统的数据存储容量、传输速度和处理数据的能力问题[1]。因此迫切需要一款功能完善、操作可行性高的体育运动项目监测管理系统来填补市场空白。

1 系统功能设计

■1.1 系统需求分析

(1) 识别测试者身份：在体能测试开始之前需要明确测试者的身份。

(2) 自动计时：计时是一套智能设备应该具备的最基本的功能，系统需要在测试时对所测试项目进行自动计时。

(3) 显示测试成绩：测试成绩等内容需要在显示屏上显示出来，并且为了提高智能化程度，可以通过触摸来进行操作。

(4) 无线传输：系统在任何情况和不同环境下都能实现数据的传输。

(5) 成绩统计与管理：系统应设置包括体质测试、数据查询、数据处理、仪器设置和用户管理五个子模块的数据管理界面，可方便地实现对于系统各参数的设置。

(6) 便捷一体化：系统应具有操作简单方便、成本低、易便携和低功耗等功能特点。

■1.2 系统的整体设计方案

本文选用运行高效的瑞芯微RK-3128主控芯片，依托Android系统作为开发环境[2]，同时采用SQL Server开发数据库管理平台，保证其能够适应大量的数据处理和存储的工作；采用RFID技术来实现对测试人员基本信息的录入[3]，同时也预留了多余的串口，后期可以增加面部识别和指纹识别录入基本信息的方式；采用液晶高清晰显示屏来显示成绩及有关数据；依托红外传感器模块完成数据的采集和传输；采用WiFi通信和433MHz通信两种通信方式实现各计时点与主控制器之间、数据库与主控制器之间的通信[4]；采用SQL Server数据库设计了包括体质测试、数据查询、数据处理、仪器设置和用户管理在内的五个模块以实现对于数据的存储和管理。最后对于产品外观设计考虑了轻便、小巧、灵活以及不受外界环境的影响等因素，将产品主体设计成了一个便携式手提箱的形状。

系统总体设计图如图1所示。

图1 系统总体设计图

2 硬件设计

■2.1 主控芯片

对于主机而言，由于要适应大量的数据处理工作，裸机设计已经不能满足现实需求，所以此设计采用的是以市场上较为高效的瑞芯微RK-3128为主控芯片。Firefly-RK3128是基于Cortex-A7架构4核1.3MHz处理器，集成Mail-400MP2 GPU图形处理器，支持OpenGL ES1.1/2.0，内嵌高性能2D硬件加速，并能实现1080P的H.265视频编码，拥有优秀的运算和图形处理能力，板载千兆以太网口、2.4MHzWiFi和蓝牙4.0。

图2是本设计中所使用的RK-3128开发板接口示意图。

图2 RK-3128接口示意图

■2.2 RFID射频读卡模块

RFID射频读卡模块是用来读取被测试者的基本信息的模块，常见的读卡芯片是频率为13.56MHz的IC卡。本系统设计时选用的是MFRC522射频读卡模块。发送模块利用调制和解调的原理，并将其完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。MFRC522发送模块支持如下的工作模式：读写器，支持ISO14443A/MIFARE。

MFRC522的框图如图3所示。

图3 MFRC522框图

■2.3 液晶显示电路

显示屏型号为B101EW05，是一款采用a-Si TFT LCD技术的10.1英寸液晶模组产品。该液晶显示屏的接口是40pin 的LVDS-40P1C6B-060D，而此系统所选用的开发板外围电路设计中的显示接口也是LVDS，因此，只需要使用一个LVDS转接口，将开发板的显示引脚与液晶显示屏连接起来即可。

■2.4 红外计数模块

红外计数模块是此系统的重要模块之一，即实现对被测试者的测试项目进行计数的功能，该功能的实现依托了红外对管的计数原理。红外光电管有两种，一种是无色透明的LED，此为发射管，它通电后能够产生人眼不可见的红外光，另一部分为黑色的接收管，它内部的电阻会随着接收到红外光的多少变化。当有物体通过时光会被遮挡住，接收模块输出一个高电平脉冲，对此脉冲进行计数，从而实现对测试项目个数的统计。

■2.5 无线传输模块

本文设计了两种通信方式，即WiFi通信和433MHz通信，保证了系统在任何情况和不同环境下都可以实现通信。

2.5.1 WiFi模块的设计

WiFi模块选用的是市场上最常见的集成模块，其主要芯片是Realtek RTL8188ETV，该芯片支持Linux/MAC OS/Android等系统。WiFi模块主要电路连接图如图4所示。

图4 WiFi模块电路连接图

2.5.2 433MHz通信模块的设计

此系统所选用的433MHz无线通信模块是深圳易达讯科技推出的一款微功率（＜10MW），短距离的无线数据传输产品EWRF3022UT，此模块体积小、功耗低、稳定性好、使用方便、能为用户提供双向数据信号传输、检测和控制。

EWRF3022UT模块与此系统中主机之间的电路连接图如图5所示，其中CS引脚在此设计中置空，即不连接任何引脚。

图5 无线模块与主机电路连接图

3 软件设计

■3.1 RFID读卡程序设计

RFID射频读卡软件部分的设计主要包括两部分，即PC机对读卡器的操作、数据的读写、密码的管理、功能的测试等；读卡器对卡的实时监控，显示并将数据实时发送给PC机。简单地说就是包括读卡与写卡两部分的程序设计。读写卡过程是一个很复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，调用多个函数，包括装载密码，询卡，防冲突，选卡，验证密码，读写卡和停卡。

3.1.1 写（设置）RFID卡

第一部分功能为上位机对读卡器的操作，读卡器对卡进行数据的读写，密码的管理和功能的测试，通过上位机发送的命令可以进行询卡，防冲突，选择和终止等功能。程序流程图如图6所示。

图6 设置卡程序流程图

3.1.2 读RFID卡

第二部分功能为对卡的实时监控并将数据以无线的方式发给PC机。读RFID卡的流程主要包括首先寻卡，进入IC卡处理程序，紧接着要防冲撞，成功之后加载密码，之后便可对IC卡进行数据的读取和操作。完成之后等待卡的拿开，确保每次只读一次数据，同时将数据发送给PC机。程序流程如图7所示。

图7 读RFID卡流程图

■3.2 数据库管理系统软件设计

数据库管理系统的设计由SQL Server作为后台的数据支撑[5]，主要包括两部分，即前台与后台两大部分。数据库管理系统总体设计如图8所示。

图8 数据库管理系统总体设计结构

在此系统中，数据库系统的前台部分主要是由被测试者使用的，可以为测试者提供丰富的页面展示平台，包括体能测试方面的信息，同时也可以确保测试者随时查看自己的测试成绩与分析报告，还可以实现数据的传输；后台部分主要由管理员使用，主要包括对数据的处理，对仪器设备参数的设置以及对于用户的管理等。

在此系统中，运用SQL Server数据库工具，该数据库的引擎中可以提供XML支持，并且还具备强大的安全性与可伸缩性，能够构成Web站点，其进行数据存储的组件也具有可用性。在系统设计中，可以在SQL Server中应用SQL语句，设计实现体能测试数据库系统的基本功能，不仅可以实现对数据库内可测试数据的查询，处理，还可以对于测试者的成绩，信息进行删除，以保证系统的可用性。