击剑比赛的电动裁判器

朱垚翔

上海尚德实验学校 上海 201315

1 无线技术让击剑更加优雅

剑术分为三大类，分别是花剑、重剑、佩剑，每一种剑的设备和规则都不一样，但基本原理是相同的，运动员的剑里有3条线，就像是火线、零线、地线，通过手线，后面的电缆、拖线盘和裁判之间形成一条电流线路[1]。电子剑的剑尖是一个圆筒状的弹簧，当剑尖刺入敌人的要害位置，也就是“铁甲”时，按钮就会被挤压，就会立刻切断“电流回路”，就会导致指示灯闪光，重剑刺入身体的每一处，都是有效的。佩剑的有效攻击区域是整个上半身，包括手臂，所以金属护套完全覆盖手臂，无论是被剑头刺穿还是被剑身切开，都会打破原有的“循环回路”。虽然拖线盘可以使缆绳随选手的前进和后退而伸缩，但是拖曳的长尾却会妨碍选手在比赛中的注意力。在雅典奥运会上，这项“尾巴”第一次被剪去。北京奥运会，所有的花剑和佩剑比赛都配备了无线裁判器，运动员们可以通过无线方式向裁判发送信息。

2 击剑运动中的无线记分法

2.1 半屏蔽天线积分法

在一般击剑比赛中，通常会用到有线记分器，在使用有线记分器时，在击剑运动员的背后，会有一条长长的电线。这条“尾巴”会对选手产生一定运动上的限制，使运动员根本无法掉头，也无法做出任何的迂回，只能单纯地进行进攻或防守，久而久之，观众也会看的厌烦。而且，这台电子机器设备，不但体积大，占地面积大，而且造价昂贵。国际奥委会主席萨马兰奇于1993年访问上海时，曾提出击剑选手背后的拖绳将会对击剑运动产生不利的影响。为了提升剑道比赛的观赏性，国际剑联大力推广无线计分系统和透明面具等技术。

奥运会上很多运动项目都进行了改良，以提高其观赏性。如今，电子科技如此发达，电话、电视、网络都能实现无线传输，何必要留下这个“尾巴”？如果能把它换成无线的话，那么选手们就可以在更大的空间内活动，进行更灵活的格斗。于是，相关研究人员就想要设计一个无线的击剑计分设备。经过长时间的思考，最终研究出一种克服以上难题的方法——半屏蔽天线原理。下面，将简要地介绍它的基本原理及其在击剑运动上的应用。

研究发现，当传输信号的波长比天线的大小要大得多时，通常的传输距离就会变得更大，因此，若要扩大有效距离，则可以扩大天线的尺寸，若要缩短发射有效射程，除缩小天线规模外，还应采取遮蔽措施，即利用无线电频率信号线等屏蔽线，从而大大降低天线的有效尺寸，缩短发射距离。

大部分的天线都被屏蔽线所遮蔽，剑柄和剑身之间的中空通道连接在一起。因为剑锋没有被遮掩，所以才有了“半屏蔽天线”这个名字。由于剑尖的尺寸很小，所以发射器会产生微弱的电磁波，在一定的范围内无法被接收到。在比赛中，当一把剑刺入对方的要害部位时，它的尖端就会与导电网相连，这就意味着它的有效尺寸会得到极大的提升，从而让接收器能够接收到它的攻击。而当剑的尖端触碰到目标的非传导部分或非传导层时，由于天线的有效尺寸没有增加，那么接收端就不会收到误报。而且，当剑锋不小心或故意刺入自己的导电服时，会因为导体网与发送器的地线相连，导致天线和地线之间发生短暂的短路，由于无线电的发射原理，只会减少无线电的发射频率，因此也不会产生误报信息。

无线记分器正是基于这种原理，经过多次实验，终于获得了良好的效果。其感测和传输设备的工作原理见图1。

图1 传感与发射装置原理图

该系统包括：无线信号接收、伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发信器、位置反馈信号等。电路的基本构成是集成电路。如前所述，在击穿对方的有效位置时，由接收端接收到由传送者发出的等幅波。由于与导电服的接触并不能始终保持平稳的传导，因此，接收端的输出信号首先要用施密特的触发器来完成，所生成的脉冲被送至两个不能再起动的单稳态延时电路，使之变为单一的脉冲。其中一个输出脉冲比较宽，标准化（=0.7CxRx,top是单稳输出脉冲长度，也就是暂稳态的时间宽度）R1.5s，以便打开检测电路，使得它发出大约1.5s的蜂鸣声。另外的单稳输出脉冲较窄，k(=0.7CxRx)=0.1s，利用它的上升沿开始计数，以记录击打次数和分数。该计数器采用了74HC4518的双二位数字同步电路，该解码器采用BCD-774HC4511分段显示译码驱动IC最后，两个BCD-7段LED以两个十进制的数字表示计数。

上述设备竞赛双方都需要一组，但是使用频率不同，以免造成混淆。在这里，接收和记分设备被置于更远的记分台。传送器是由运动员佩戴的。但是，现在的电子技术可以让它变得更轻、更小，可以装在剑柄上，这样一来，运动员们就可以轻装上阵了[2]。

人们对无线记分器的疑问是，它更容易被外部的无意识或故意的电磁波所干扰。我们可以通过各种技术手段来防止这种情况的出现。例如，我们可以用一个数字脉冲信号来调制一个高频波。如果在一场游戏中，随机地使用一套不同的标识，比如100101101101100（1代表长，0表示短），就能完全避免被人利用。其实在体育项目中，使用无线电技术的项目有很多，比如遥控飞机模型、船模、车模等。最近几年，被称为“第一运动”的足球界，已经有人发明了一种电子识别装置，它可以准确地判断出足球是不是进了球门，并且已经在欧洲足球比赛中使用。

目前，尽管已经有人利用红外线、振荡器等原理开发了无线计分器，用于比赛和训练，但是由于其效果不理想，常常出现误判等问题。比赛中，只有佩剑的无线计分器被用于比赛，其他的并不包括在内。而“半屏蔽式天线原理计分器”，其设置简单、紧凑、实用、可靠，尤其适用于穿上导电服的花剑运动。只要在剑锋上安装一个触点开关，就可以使用（按照规定，插入的力道要超过500g，触点开关的作用是在500g左右）。

通过这种设备，剑士们可以轻松自如地在较大的场地上进行迂回、追逐、转圈等动作，使比赛的观赏性大大提升，该设备价格低廉，易于操作，也可用于训练和休闲。

2.2 蓝牙(Bluetooth)无线记分法[3]

蓝牙(Bluetooth)技术，是爱立信等五大IT设备生产商于1997年创立的一种新型的无线通信工具。目前，蓝牙技术在许多近距离数据通信中得到了广泛的应用，其发展趋势十分显著。Bluetooth通道带宽为1MHz，并支持语音和数据传输；大部分的连接距离是10～100m，新版本的Bluetooth标准可支持超过1Mb/s的传输速率，这是为了满足越来越多的宽带和多媒体服务的需要。

2008年奥运击剑俱乐部采用的W—reless2000击剑记分系统由OMEGA公司出资，乌克兰STM公司制造，该导流由以下几部分构成：

LED在头盔面罩上的显示方式、控制装置i41、无线感应器、传感器初始化装置i、各类联结线材、附件、充电器。

该导流涉及一种无线蓝牙通信系统，其特征在于：①接收机：一种由显示面板、触发（击中）记录装置及供电装置组成的一种接收装置。②传输器：每一位选手都有一套发射装置，向接收机传送打中的信号，并以红绿两种颜色来区别不同选手的打中。

北京奥林匹克运动会中使用的无线电服务是最有保障的服务。在击剑比赛中，蓝牙裁判器工作在2.4GHz波段，发送功率为100MW，收发装置之间的间距不超过20m。24GHz波段也被称作ISM或未经授权的波段。许多IEEE802.11b的无线网路装置及其他装置也工作于此频段，对潜在的干扰隐患都会进行进一步的分析和研究，主要有以下干扰因素：

双感探头。在剑道拐角和电梯里，都安装了上百个监控摄像头，这些摄像头上都有微波和红外线探测器，可以激活摄像头。通过对2.4GHz频率的微波检测，以及对仪器工作原理的分析，得出以下结论：双感探头在2.4GHz波段的低端工作，带宽不超过1MHz；双感探头的发射功率较低，笼罩半径为200m。综合上述分析，本文认为，双感探头不会对蓝牙裁判器造成不利的无线干扰，但会对低频带WLAN通道造成一定的影响。

餐饮微波炉。许多击剑馆员工的便当都是用高能通道微波炉来加热。微波炉的工作频率和蓝牙一样，都是2.4GHZ，50M，功率非常大，如果不能有效隔离，势必会影响到蓝牙。但是经过研究发现，大多数微波炉设备都被放置较远，并不能影响到相应的比赛。

蓝牙手机。目前大部分手机都具有蓝牙功能，方便用户通过手机和手机、手机和耳机进行数据和声音通信。蓝牙设备的传输功率一般在1mW左右，观众和蓝牙裁判仪之间的距离是200m，而蓝牙裁判仪的发送功率是1000mW，发送和接收的距离不到20m，信干比可以达到要求。

3 结束语

击剑（Fencing）是剑类运动之一，选手们手握一把长而有弹性的钢刀，戴着面具，身着指定的衣服，在一个长方形的场地上进行比赛。按照一定的时间，以刺（斩）的次数来判定胜负。针对击剑运动中的电动裁判器，本文讲述了两种无线电动裁判器原理，以便为相关研究提供参考。