基于红外通信技术的田径运动自动计数计时系统设计
时间：2020-04-14 05:18:49 来源：千叶帆 本文已影响人
【摘 要】针对田径运动中、长跑赛事中采用人工计数计时存在工作强度大、人为失误较严重，以及使用基于射频识别技术的自动计数计时系统因磁场耦合因素容易出现识别错误而导致计时误差的不足，本文利用红外通信具有方向性强的特性，设计实现了新型田径运动自动计数计时系统。经测试，本系统基本上实现了运动员身份识别和精确计数计时功能。
【关键词】田径运动 红外通信 身份识别 计数计时
一、引言
目前，在国内外各种体育运动或赛事中，田径中长跑项目由于运动员人数多，计数计时存在很大困难。采用人工计数计时需要裁判员多且容易出现人为误差，而使用高速电子摄像机虽然解决了人为误判，但还未能实现运动员身份的自动识别确认和自动计数计时功能。曾有学者利用射频识别技术设计了自动计圈计时系统[1]，能够实现运动员的身份识别和自动计数计时功能，但由于射频识别技术是基于电磁波通信，射频识别受磁场耦合因素影响，磁场边界无法进行界定控制，在多位运动员并排时很难精确判断先后次序，数据可靠性难以得到保证。
本文利用红外通信具有严格的方向性这个特点，通过软硬件设计实现了适合中长距离田径运动的自动计数计时系统。本系统可以完成田径中长跑赛事或训练活动时运动员的身份识别和自动计数计时工作，减轻劳动强度，降低人为因素，提高赛事或训练效率，保证数据准确性和可靠性，从而保证田径训练和赛事的质量和公平。
二、系统原理
本系统主要是实现运动员身份自动识别、圈数统计和计时功能，软硬件实现较为容易。系统由标识器、感应器和计算机三部分组成，标识器是一块微电路系统，以粘贴的方式置于运动员肩膀上，每个标识器以相同的通信波特率通过红外发光二极管发射不同编号的编码信号。感应器由红外接收头阵列和单片机组成的电路系统，架设于运动场跑道起点或终点处上方位置，与跑道起点或终点线平行。当运动员经过跑道起点和终点线时，其肩上的标识器发射的红外编码信号被感应器识别接收，感应器经解码后发送至计算机，计算机通过上位机软件对各信号进行处理，记录统计运动员所得圈数和所需时间。系统原理如图1所示。
三、硬件设计
系统主要硬件是标识器和感应器，二者的核心部件采用的都是小型低功耗、具有EEPROM功能的STC11LxxE系列单片机，STC11LxxE系列单片机是宏晶科技设计的单时钟/机器周期（1t）的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，指令代码完全兼容传统8051，速度却快8-12倍。其内部集成了高可靠的复位电路，适用于高速通信、智能控制、强干扰场合等领域。该系列单片机的定时器0、定时器1、串行口与传统的8051兼容，并增加了独立波特率发生器，省去了定时器2，指令执行速度全面提速，工作电压仅为2.4V-3.6V[2]。
标识器仅用于实现运动员编号编码红外信号发射功能，置于运动员肩上，要求做到轻、巧、小，电路尽可能微型化，只能采用微型纽扣电池供电，程序代码也相对少，程序存储空间不是很大。所以，标识器电路核心部件采用的是引脚数为14的STC11L04E单片机，其外围电路也很简单，由晶振电路和红外发光管电路组成。标识器电路如图2 所示。
感应器主要是对标识器信号进行检测识别，由于检测目标多，红外信号检测需要多个红外接收头形成阵列，以防止检测盲区。本系统采用的是两个红外接收头，型号为HX1838，其具有宽电压适应、低功耗、高灵敏度、抗干扰等特点[3]。由于感应器程序较为复杂，需要16K的FLASH存储空间。所以，感应器采用的是STC11L16XE单片机作为核心部件。感应器串口通过TTL转换电路与计算机进行通信。感应器电路如图3所示。
四、软件设计
软件部分与相应的硬件对应，包括标识器程序、感应器程序和上位机软件。标识器程序相对简单，主要由定时器程序和编码程序组成，不同的标识器程序赋不同的数码值，用于区分运动员身份，所有标识器以相同的频率（微秒级）输出脉冲编码信号控制红外发光管发射一定频率的红外光波。感应器程序相对复杂一些，其程序是基于RTX-51Tiny实时多任务操作系统设计[4]，程序包括三个主要子程序模块，分别是数据读取程序、解码程序和串口发送程序，在实时多任务操作系统的快速轮流调动下交替运行，实时完成数据读取、解码和串口通信任务。上位机软件是基于VC++6.0开发的可视化界面程序，软件核心包括串口程序[5]、数据库程序[6]及数据运算程序，串口程序主要实现数据接收功能，数据库程序则实现运动员信息录入、数据统计、记录数据接收时间并显示等功能。每收到一次感应器传来的数据，则记录接收数据的时间和统计次数，通过各数据算出运动员所得圈数和所需时间（由于数据检测和传送时间极短，只要上位机根据接收到数据的时间就可测算出运动员过线时间）。五、系统测试
本系统安排两人模拟运动员，测试3000米长跑，运动场周长为500米，设置圈数为6，同时与人工裁判组进行对比测试。当测试运动员跑完后，上位机软件记录的数据截图如图4所示。
五、结论
本系统与人工组进行了对比测试，人工组同一位运动员安排了三位裁判进行记录。通过测试，系统基本上实现了预期功能，系统数据与人工组数据对比，人工组各裁判员的数据有很大偏差，偏大于本系统的数据，这说明了本系统的数据具有较高的可靠性。
参考文献：
[1]崔沂峰.射频识别技术在运动计圈计时中的应用研究[D].山东理工大学，2007.4.
[2]STC11XX系列单片机数据手册[DB/OL]. http：///.
[3]陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[4]陈涛.单片机应用及C51程序设计[M].北京：机械工业出版社，2008.
[5]李长林，高洁.VisualC++串口通信技术与典型应用[M].北京：清华大学出版社，2006.
[6]Rob Hawthorne.SQL Server2000数据库开发从零开始[M].北京：人民邮电出版社，2001.
作者简介：吴志海（1983-），男，硕士，研究方向为智能感知系统及无线传感器网络。
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