基于RFID技术的运动计时与定位系统的研究与设计

长期以来，体育运动中的计时和定位都是通过人工操作实现，不仅数据量十分庞大，劳动强度大，且容易出现错误，也失去了实时的意义，为了解决这些问题，人们研究和发展了各种各样的自动识别技术(Automatic Identification Technology，AIDT)，将人们从繁冗的重复的又不十分精确的手工劳动中解放出来，提高体育运动计时与定位数据的实时性和准确性。RFID技术的出现和快速发展，为利用一种高效稳定的自动识别技术实现体育运动中的计时与定位系统提供了解决方案。

　　1 RFID技术原理和特点

　　RFID的英文全称是Radio Frequency Identification，即射频识别，它是自动识别技术的一种，属于非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术从20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟。

　　1．1 RFID技术简介

　　RFID技术是射频识别技术的简称，它是一种先进的非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动的待识别物品进行自动识别，采集相关数据。射频(Radio Frequency，RF)专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波，RFID技术以无线通信和存储器技术为核心，伴随着半导体和大规模集成电路技术的成熟而进入实用化阶段，RFID技术与互联网、通信和计算机等技术相结合，应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。全球最大的管理咨询公司和技术服务供应商埃森哲公司实验室的首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术： “第一是可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二是其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须依靠激光来读取信息；第三是可以同时对多个物体进行识别，而条形码只能一个一个地读。此外，存储的信息量也非常大” 。

　　1．2 RFID系统基本组成

　　一个基本的RFID系统由电子标签(Tag)、读写器(Reader)、天线(Antenna)和中间件(Middle—Ware)组成，如图l所示。

　　1．3 RFID系统工作原理

　　图1给出了RFID的系统组成，其基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去；系统接收天线收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码，然后通过中间件送到后台管理信息系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的条件设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

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　1．4 RFID技术特点

　　RFID以无线方式进行双向通信，不受空间限制，可快速地进行物品追踪和数据交换．与目前广泛使用的条形码、磁卡、Ic卡等自动识别技术相比，RFID技术具有以下几个特点：

　　(1)数据的读写(read write)功能。通过RFID读写器不需接触获取数据，读取标签信息至数据库内，且可一次处理多个标签，并可以将相关数据写入标签，供系统进行功能扩展。

　　(2)容易小型化和多样化的形状：RFID在读取上并不受尺寸大小与形状的限制，可以实现多种多样的物理封装形式。此外，RFID标签可往小型化发展，方便应用在不同产品。

　　(3)耐环境性。条码容易受到脏污会无法识别，但RFID标签经封装处理后对水、油和化学药品等物质却有强有力的抗污性。并且，RFID在黑暗或强光环境下，也可以读取数据。

　　(4)可重复使用。由于RFID为电子数据，可以反复被覆写入信息，因此可以回收标签重复使用。如被动式ILHD，不需要电池就可以使用，没有维护保养的需要。

　　(5)穿透性。RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包覆的话，也可以进行穿透通信。

　　(6)数据的记忆容量大。数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的信息量愈来愈大，对标签所能扩充容量的需求也在增加，RHD标签可拥有大容量的存储空间。

　　2 系统研究

　　2．1 设计目标

　　为保证在体育运动中计时与定位的实时、准确，设计的系统应该满足以下指标：

　　(1)对携带RHD标签的运动员具有自动识别和区域定位功能；
　　(2)可进行大批量识别，准确度大于99％，误报率低于0．1％；
　　(3)RHD标签运动员携带方便，牢固，不易脱落；
　　(4)抗干扰能力强，电池兼容性较好，并对人体不会产生不良影响。

　　2．2 总体方案

　　(1)系统描述。基于RFID技术的运动计时与定位系统，以先进的RFID技术为基础，结合数据库、数字信号处理、微弱信号检测等技术，通过RFID读写器非接触式读取运动员随身携带(或运动设备上，如：赛车、自行车、赛艇等)的RFID电子标签，从而确定运动员通过该读写器的时间，然后通过数据传输模块(根据赛场规模选择无线或者有线传输模块)将相关数据信息传送到监控终端，获取实时的计时和定位数据；并在运动员通过读写器控制区域时向RFID电子标签写入相关区域代码，为赛后核查区域定位数据提供依据。该系统使得利用自动化设备对运动员计时和定位的设想成为可能，可以广泛应用于马拉松、铁人三项、赛车、滑雪、山地自行车等比赛运动中，还可以通过此系统监控运动员的通过区域，若在比赛过程出现事故，可以提高救援人员的反应速度，达到提高运动员安全性的目的。

　　2)系统构成。系统由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分包括：检测通道、RFID 数据库服务器 监拉终端读写器、传输模块、监控终端、数据库服务器和RFID标签；软件部分包括：后台数据库和应用软件。如图2所示。

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图2 系统总体架构 

　　3 系统设计

　　3．1 硬件选型

　　系统硬件选型主要包括RFID标签、RFID读写器、RFID天线、传输模块、监控终端和数据库服务器。因为系统是应用在运动计时与定位上，所以对于RFID的检测速度、检测距离、识别数量都有较高的要求，根据RFID技术系统的分类，选用860MHz～960MHz频率范围内带用户存储空间的无源RFID电子标签，该频率的RFID系统的特点是识别距离可达l0米以上，穿透能力强，具有良好的防水性，适合应用在环境变化极大，很潮湿，灰尘大，道路泥泞，温差变化大等恶劣的比赛环境中。

　　系统的检测通道由RFID读写器和RFID天线组成，RFID天线可以根据不同比赛的实际需求选用不同的类型，如赛车比赛中可部署为地感式，马拉松比赛可部署为悬挂式，山地自行车比赛可部署为定向式。

　　系统根据不同的比赛场地选用有线或无线传输模块，例如在较小的比赛场地(体育场内)可以采用有线传输模块，通过局域网连接各区域读写器、监控终端和数据库服务器。对于较大的比赛场地如滑雪、山地自行车、马拉松赛场等采用无线GSM传输模块，无线传输相关计时和定位数据。

　　监控终端和数据库服务器选用相应性能的计算机即可满足系统设计和应用。

　　3．2 软件设计

　　通过对系统的需求分析，可以知道系统的软件结构分为三大部分：赛前数据管理、赛间数据管理、赛后数据管理。

　　(1)赛前数据管理。比赛之前，在数据库系统中将参赛运动员相关数据与RFID电子标签自身唯一ID号绑定，并通过RFID读写器初始化RFID电子标签中的用户存储空间。

　　(2)赛间数据管理。比赛期间，当运动员通过部署在赛场不同位置的检测通道(由RFID读写器和RFID天线组成)时，检测通道向RFID电子标签的用户区域写入相关区域信息，并将相关数据通过数据传输模块实时地传送到监控中心，并存储在数据库中，通过相关输出接口传送给裁判、救援或观众的信息屏上。