基于ZigBee的學(xué)生體質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡志明+魏振鋼+張小龍+柏長(zhǎng)財(cái)

摘要：隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)青少年體質(zhì)健康測(cè)試重視程度的不斷提升，傳統(tǒng)體質(zhì)測(cè)試暴露出越來(lái)越多弊端，諸如數(shù)據(jù)混亂、誤差過(guò)大、容易丟失等。為改善傳統(tǒng)體質(zhì)測(cè)試的弊端，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android中央控制器、路由器終端3部分，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生體質(zhì)測(cè)試的自動(dòng)化，通過(guò)Android端可以實(shí)時(shí)顯示學(xué)生體質(zhì)測(cè)試成績(jī)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行流暢，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：體質(zhì)測(cè)試；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；Android移動(dòng)端

DOIDOI：10.11907/rjdk.171560

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011005404

0引言

青少年體質(zhì)是關(guān)系到國(guó)家興旺和民族振興的百年大計(jì)[1]。但是近年來(lái)青少年學(xué)生體質(zhì)不斷下降，因此加強(qiáng)學(xué)生體質(zhì)鍛煉、完善學(xué)生體質(zhì)測(cè)試體系顯得尤為重要。傳統(tǒng)的體質(zhì)健康測(cè)試往往形式單一、內(nèi)容單調(diào)，測(cè)試的公開(kāi)、公正性難以保證。而且測(cè)試結(jié)果沒(méi)有給學(xué)生及時(shí)反饋，讓學(xué)生了解自己的體質(zhì)健康狀態(tài)，從而對(duì)薄弱項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。由于工作量大、學(xué)生人數(shù)眾多，加上很多學(xué)校為了各種利益關(guān)系，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行干預(yù)，嚴(yán)重影響了體質(zhì)健康測(cè)試的真實(shí)性與準(zhǔn)確性[2]。同時(shí)，學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試項(xiàng)目大多由人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中主觀因素太多，容易導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至丟失。

基于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)生體質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用常見(jiàn)的Android系統(tǒng)作為設(shè)備控制端，以新興的低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為傳輸中介[3]，不僅能夠自動(dòng)測(cè)試出學(xué)生百米跑、折返跑、仰臥起坐等項(xiàng)目成績(jī)，還可以將測(cè)試成績(jī)實(shí)時(shí)顯示在平板終端上。與傳統(tǒng)體質(zhì)測(cè)試相比，保證了測(cè)試的公平公正性，減少了體育教師工作量，有效解決了傳統(tǒng)體質(zhì)測(cè)試中存在的弊端。

1系統(tǒng)工作原理

學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試系統(tǒng)是集無(wú)線傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)于一體的智能化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要工作原理如下：Android平臺(tái)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，協(xié)調(diào)器再通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣播給路由器終端，路由器終端接收到指令解析后，啟動(dòng)終端上的光電感應(yīng)器并發(fā)出光聲信號(hào)作為提示；用戶(hù)收到光聲信號(hào)后迅速遮擋終端上的光電感應(yīng)器，遮擋后感應(yīng)器關(guān)閉，并記錄下感應(yīng)器啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)間差，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將時(shí)間數(shù)據(jù)及終端編號(hào)返回給中央控制器；中央控制器解析出返回的數(shù)據(jù)，以此作為依據(jù)進(jìn)行下一步操作。通過(guò)Android中央控制器控制感應(yīng)器的啟停，從而得出時(shí)間差值，進(jìn)而測(cè)出學(xué)生體測(cè)成績(jī)。體質(zhì)健康測(cè)試系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android中央控制器、路由器終端3部分組成，如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件模塊

2.1終端感應(yīng)模塊

終端節(jié)點(diǎn)主要包含紅外收發(fā)傳感器和數(shù)據(jù)處理與無(wú)線通信模塊，主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集與上傳、協(xié)調(diào)器命令的接收與解析。

紅外收發(fā)器由發(fā)送端和接收端兩部分組成，發(fā)送端采用控制電路將待發(fā)送的信號(hào)編碼轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過(guò)發(fā)射管經(jīng)透鏡發(fā)射紅外信號(hào)。當(dāng)紅外線被物體遮擋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和散射。紅外接收端采用性能可靠的一體化紅外接收頭接收信號(hào)，同時(shí)將接收的信號(hào)放大、檢波并整形，最終得到TTL電平的編碼信號(hào)，再發(fā)送給控制電路解碼并進(jìn)行相關(guān)操作。

數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信模塊采用CC2530作為主控芯片，它是一款由德州儀器公司研制，主要應(yīng)用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的芯片。當(dāng)無(wú)線通信模塊收到中央控制器發(fā)來(lái)的指令后，由CC2530核心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并對(duì)其它電路和元器件發(fā)出指令。當(dāng)無(wú)線收發(fā)器需要向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將紅外收發(fā)器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后由CC2530核心模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后發(fā)送出去。

2.2中央控制器

作為系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)組建、感應(yīng)器控制、指令接收和發(fā)送以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、展示及維護(hù)。

中央控制器由Android平板和Zigbee協(xié)調(diào)器組成，平板的USB轉(zhuǎn)串口（UART）連接ZigBee協(xié)調(diào)器。Android平板端將命令通過(guò)USB串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)；同樣協(xié)調(diào)器接收到終端發(fā)來(lái)的消息之后傳送給串口，Android端讀取串口信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

3無(wú)線通信

無(wú)線通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)中央控制器和多個(gè)移動(dòng)終端感應(yīng)器之間的數(shù)據(jù)交互。鑒于該系統(tǒng)是近距離的感應(yīng)設(shè)備，且要求傳輸安全、可靠、功耗小，因此本系統(tǒng)通訊采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。ZigBee技術(shù)通常用于短距離無(wú)線通信，是一種低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、高安全、近距離無(wú)線連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]。

WiFi是日常生活中常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它與ZigBee存在很多相似之處。兩者都工作在2.4GHz的ISM頻段上，采用的擴(kuò)頻方式都是DSSS方式。Zigbee有16個(gè)信道，WiFi有11個(gè)信道，WiFi在國(guó)內(nèi)使用1、6、11三個(gè)信道，也即是說(shuō)二者信道選擇會(huì)有重疊部分，因此會(huì)造成很大干擾[5]。WiFi信道1、6、11，分別與ZigBee的11～14、16～19、21～24信道重疊，與15、20、25、26信道不重疊[6]。為了減少ZigBee信號(hào)與WiFi信號(hào)之間的干擾，應(yīng)從15、20、25、26這4個(gè)信道中選取一個(gè)ZigBee的通信信道。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要控制終端進(jìn)行多項(xiàng)操作，如開(kāi)關(guān)里外圈指示燈、感應(yīng)器、燈光顏色等，同時(shí)終端感應(yīng)器還需要返回電量、短地址等信息，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。通信數(shù)據(jù)主要以字節(jié)為單位。表1是協(xié)調(diào)器發(fā)送指令格式。endprint

由于要控制終端進(jìn)行多種操作，因此需要大量的指令組合，所以將利用功能碼中每個(gè)Byte中的比特進(jìn)行組合。表2是功能碼的詳細(xì)描述。

4.2Android端程序設(shè)計(jì)

Android客戶(hù)端程序可以分為3個(gè)模塊：一是數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，這是軟件的核心模塊，主要負(fù)責(zé)指令的發(fā)送與接收；二是設(shè)備檢測(cè)模塊，主要負(fù)責(zé)查看終端設(shè)備的連接狀態(tài)，獲取終端設(shè)備的電量和短地址；三是體質(zhì)健康測(cè)試模塊，主要包括3個(gè)項(xiàng)目：折返跑、百米跑和仰臥起坐。

4.2.1數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)前必須先初始化串口，確保USB接口正確連接上了協(xié)調(diào)器模塊。指令發(fā)送是直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口，協(xié)調(diào)器檢測(cè)并分析數(shù)據(jù)，再發(fā)送出去。下面是發(fā)送的核心代碼：

private synchronized void sendMessage（String data）{

Timer.sleep（20）；

if （ftDev.isOpen（） == false）{

Log.e（"j2xx"， "SendMessage： device not open"）；

return；}

ftDev.setLatencyTimer（（byte） 128）；

byte[] OutData = data.getBytes（）；

ftDev.write（OutData， data.length（））；

}

協(xié)調(diào)器收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口。數(shù)據(jù)接收就是當(dāng)項(xiàng)目測(cè)試開(kāi)始后，單獨(dú)開(kāi)啟一個(gè)接收線程，每隔15ms讀取一次串口。讀取到數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

表2功能碼描述

占位數(shù)和功能功能組合

第一個(gè)Byte3bit（2-4）指示燈亮顏色000：無(wú)效001：藍(lán)色010：紅色100：品紅2bit（5-6）控制蜂鳴器00：無(wú)效01：短響10：連響一秒11：連響兩秒2bit（7-8）控制指示燈閃爍00：無(wú)效01：慢閃10：快閃

第二個(gè)Byte3bit（2-4）控制指示燈亮滅000：無(wú)效001：開(kāi)外圈燈010：開(kāi)里圈燈011：開(kāi)全部燈100：關(guān)燈3bit（5-7）控制感應(yīng)器000：無(wú)效001：開(kāi)紅外感應(yīng)器010：開(kāi)觸碰感應(yīng)器011：開(kāi)兩種感應(yīng)器100：關(guān)閉感應(yīng)器

4.2.2設(shè)備檢測(cè)模塊

進(jìn)入主界面后，當(dāng)activity的onstart方法執(zhí)行時(shí)，開(kāi)啟檢測(cè)設(shè)備的線程。設(shè)備檢測(cè)線程每隔10s執(zhí)行一次，連接終端的電量信息，實(shí)時(shí)更新電量，在onPause方法中結(jié)束該線程。核心代碼如下：

private class AutoCheckPower extends Thread{

private boolean powerFlag = true；

@Override

public void run（）{

while （powerFlag）{

//發(fā)送并獲取全部設(shè)備信息指令

device.sendGetDeviceInfo（）；

//開(kāi)啟接收電量的線程

new ReceiveThread（handler， device.ftDev，

ReceiveThread.POWER_RECEIVE_THREAD， POWER_RECEIVE）.start（）；

Timer.sleep（10000）；}

}

}

4.2.3體質(zhì)健康測(cè)試模塊

（1）百米跑。在每個(gè)跑道終點(diǎn)放置一個(gè)終端感應(yīng)器，當(dāng)開(kāi)始命令發(fā)出后點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，調(diào)用device.sendOrder方法發(fā)送開(kāi)指示燈和紅外感應(yīng)器命令，同時(shí)開(kāi)啟Timer計(jì)時(shí)線程。學(xué)生到達(dá)終點(diǎn)時(shí)會(huì)遮擋紅外感應(yīng)器觸發(fā)終端，指示燈熄滅同時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)。平板接收到數(shù)據(jù)后記錄下時(shí)間，該時(shí)間即是該跑道對(duì)應(yīng)學(xué)生的成績(jī)。

（2）折返跑。每?jī)蓚€(gè)終端設(shè)備分為一組，可以多組同時(shí)進(jìn)行，起點(diǎn)和終點(diǎn)位置各放一個(gè)。學(xué)生從起點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)終點(diǎn)后揮滅終點(diǎn)處的感應(yīng)器，再回到起點(diǎn)揮滅起點(diǎn)處的感應(yīng)器，記為一次折返跑。每個(gè)感應(yīng)器撲滅5s后會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。如果學(xué)生偷懶沒(méi)有跑到終點(diǎn)即返回，起點(diǎn)的感應(yīng)器會(huì)連續(xù)撲滅兩次，系統(tǒng)會(huì)將這次判定為犯規(guī)無(wú)效，可防止學(xué)生作弊。次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)會(huì)記下該組所用的總時(shí)間。

（3）仰臥起坐。兩個(gè)設(shè)備一組，多組同時(shí)進(jìn)行。學(xué)生平躺時(shí)一個(gè)感應(yīng)器側(cè)放在頭部位置，一個(gè)側(cè)放在大腿位置，兩個(gè)感應(yīng)器都用支架架起。學(xué)生起來(lái)時(shí)手肘部會(huì)遮擋大腿位置的紅外感應(yīng)器，指示燈滅，同時(shí)頭部的感應(yīng)器和指示燈亮起；當(dāng)學(xué)生躺下后，觸發(fā)頭部位置的感應(yīng)器，指示燈熄滅的同時(shí)，腿部的感應(yīng)器打開(kāi)，記為一次俯臥撐。

5系統(tǒng)功能測(cè)試

5.1終端感應(yīng)器連接測(cè)試

首先測(cè)試無(wú)線終端是否能夠自動(dòng)連接協(xié)調(diào)器。打開(kāi)APP進(jìn)入主頁(yè)，稍等一會(huì)屏幕左側(cè)自動(dòng)顯示出連接到當(dāng)前協(xié)調(diào)器的終端列表，同時(shí)顯示每個(gè)終端的電量信息。設(shè)備終端列表信息如圖3所示。

5.2百米跑測(cè)試

終端感應(yīng)器連接成功之后，便可以進(jìn)行體質(zhì)健康項(xiàng)目測(cè)試。百米跑項(xiàng)目首先要選擇分組，分組即設(shè)置幾人同時(shí)進(jìn)行，然后再設(shè)置需要的感應(yīng)模式和燈光顏色等屬性，準(zhǔn)備好后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕。如圖4所示為100m測(cè)試成績(jī)。

5.3折返跑測(cè)試

折返跑需要先選定往返跑的次數(shù)即訓(xùn)練強(qiáng)度，然后選擇同時(shí)測(cè)試的人數(shù)以及感應(yīng)器屬性，最后點(diǎn)擊開(kāi)始。測(cè)試結(jié)束后可以得出每組學(xué)生折返跑所用的時(shí)間。

5.4仰臥起坐測(cè)試

仰臥起坐測(cè)試需要先設(shè)定訓(xùn)練時(shí)間，即多長(zhǎng)時(shí)間后訓(xùn)練結(jié)束。其次再設(shè)定同時(shí)測(cè)試的人數(shù)，最后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕。測(cè)試結(jié)束后會(huì)顯示每組學(xué)生完成的仰臥起坐個(gè)數(shù)。如圖5所示為學(xué)生1分鐘仰臥起坐的成績(jī)。

6結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與學(xué)生體質(zhì)測(cè)試相結(jié)合，它能夠快速、便捷地獲取學(xué)生體質(zhì)測(cè)試成績(jī)，并且實(shí)時(shí)在平板終端上顯示出來(lái)，測(cè)試結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地保存。后期還將進(jìn)行數(shù)據(jù)與云平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)同步上傳，使學(xué)生能夠自行在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上查看自己的體質(zhì)測(cè)試成績(jī)，了解自己的身體健康狀態(tài)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本系統(tǒng)將致力于更多應(yīng)用，如運(yùn)動(dòng)員體能訓(xùn)練和專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練等。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：黃健）endprint