張曉萍，盧三妹，王躍亭，余 鑫，李瑋琪

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)體育部,廣東 廣州 510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院,廣東 廣州 510642)

體育運(yùn)動作為大學(xué)生強(qiáng)身健體的重要方式,承擔(dān)著增強(qiáng)學(xué)生體質(zhì)、塑造強(qiáng)健體魄的重要任務(wù) 。場地、器材等公共體育運(yùn)動資源與大學(xué)生運(yùn)動需求之間存在著復(fù)雜而又微妙的關(guān)系, 外來人員與學(xué)生場地、設(shè)施競爭;資源使用、分配不均;設(shè)施損壞、老化等問題亟待解決。針對體育運(yùn)動設(shè)施自動化管理、器材與大學(xué)生使用的智能化、運(yùn)動者的身份認(rèn)證、運(yùn)動信息管理的云平臺化等問題,本文設(shè)計了一種基于云平臺的體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng),以提高體育運(yùn)動資源管理的智慧化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)主要由運(yùn)動設(shè)施監(jiān)控單元,身份認(rèn)證單元以及運(yùn)動信息管理云平臺3部分組成,如圖1所示。運(yùn)動設(shè)施監(jiān)控單元主要包括RFID電子標(biāo)簽、設(shè)備適配器(包括RFID讀卡器、單片機(jī)系統(tǒng)、ZigBee節(jié)點(diǎn)、電量采集和繼電器單元)、ZigBee網(wǎng)關(guān)等;身份認(rèn)證單元主要包括場地、設(shè)施適配器二維碼和移動智能終端等;運(yùn)動信息管理云平臺則主要包括云服務(wù)器和PC客戶端。

2 運(yùn)動設(shè)施監(jiān)控單元

運(yùn)動設(shè)施監(jiān)控單元是體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)中的設(shè)施、場地、器材等管理部分,主要實現(xiàn)體育運(yùn)動資源的物聯(lián)網(wǎng)化。ZigBee網(wǎng)關(guān)通電,提供ZigBee網(wǎng)絡(luò)支撐;電源適配器內(nèi)置ZigBee節(jié)點(diǎn),通電后接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi);RFID讀卡器讀取到設(shè)施、場地門鎖等設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽后,開啟設(shè)施并進(jìn)行使用信息的采集。ZigBee節(jié)點(diǎn)定時將設(shè)備信息發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān);當(dāng)設(shè)備用電量持續(xù)低于設(shè)定的最低用電量閾值一定時間時,電源適配器斷開繼電器停止給對應(yīng)設(shè)備供電,場地、設(shè)備、器材等門鎖關(guān)閉,并進(jìn)入RFID卡讀寫狀態(tài)。

2.1 運(yùn)動資源標(biāo)識

本文選用臺灣SYRIS的EM系列ID卡附著于設(shè)施表面,進(jìn)行運(yùn)動資源標(biāo)識。ID卡是一種不可寫入的感應(yīng)卡,其內(nèi)部唯一存儲的數(shù)據(jù)是一個固定的標(biāo)簽標(biāo)識符(UID)。UID 由標(biāo)簽制造商永久設(shè)置,符合 ISO/IEC DTR15693。ID卡讀卡器采用Melexis的單芯片125Khz RFID收發(fā)器MLX90109。MLX90109具有一個外部電感與電容并聯(lián)的諧振電路,用來決定載波頻率與讀卡器的晶振頻率;MLX90109可以配置為芯片內(nèi)部譯碼轉(zhuǎn)換,譯碼后的信號可以通過單線接口與單片機(jī)進(jìn)行通信,如圖2所示。

2.2 電量采集

設(shè)備用電量采集采用單片功率計量芯片HLW8012實現(xiàn)。該芯片可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值。HLW8012 集成內(nèi)置振蕩器、參考電源,外圍電路主要包括電流、電壓的采樣。電流信號是通過錳銅電阻(R7,2mΩ)對負(fù)載的電流進(jìn)行采樣,錳銅電阻一端負(fù)載連接,另一端與GND連接;電壓信號是通過電阻網(wǎng)絡(luò)(R9, R10, R11,R13)對交流電壓進(jìn)行分壓采樣,電路如圖3所示。功率、電壓、電流等數(shù)據(jù)通過CF引腳以脈沖的方式輸出。CF腳輸出的脈沖頻率大小即表示有功功率值,CF輸出的脈沖個數(shù)表示的是用電量的信息。光耦PS2501實現(xiàn)HLW8012CF腳與單片機(jī)IO之間的電平轉(zhuǎn)換。

2.3 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個智能ZigBee節(jié)點(diǎn)組成,包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),采用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無線通信模塊采用TI公司的CC2530 作為核心器件,該器件結(jié)合了高性能的2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器和一個高性能低功耗的8051微控制器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)相近2個節(jié)點(diǎn)間的通信距離為10～100m,滿足運(yùn)動場所、設(shè)施、器材之間通信距離的要求.

圖1 體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)示意圖

圖2 RFID讀卡器接口

圖3 電量采集電路圖

本文采用TI公司CC2530 提供支持的免費(fèi)ZigBee2006 協(xié)議棧軟件,以ZStack(v2.20)版本中 GenericApp 例程為基礎(chǔ),以C語言為編程語言,在ZStack 通用模板的基礎(chǔ)上,通過改動App程序來建立所需要的項目,程序中嵌入了實時操作系統(tǒng),用于對網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能運(yùn)行統(tǒng)一調(diào)度。

3 身份認(rèn)證單元

身份認(rèn)證單元是體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)中的人員管理部分,主要實現(xiàn)人員的身份確認(rèn)以及人員導(dǎo)流等問題。設(shè)備適配器外殼粘貼的二維碼是具有唯一性的ZigBee節(jié)點(diǎn)MAC地址,用以標(biāo)識設(shè)備適配器。身份認(rèn)證單元客戶端設(shè)計成微信小程序,其開發(fā)框架基于MINA框架。MINA框架的目標(biāo)是通過盡可能簡單、高效的方式讓開發(fā)者可以在微信中開發(fā)具有原生App體驗的服務(wù)?？蚣芴峁┝俗约旱囊晥D層描繪語言WXML和WXSS,以及基于JavaScript的邏輯層框架,并在視圖層與邏輯層間提供了數(shù)據(jù)傳輸和事件系統(tǒng),可以讓開發(fā)者可以方便地聚焦于數(shù)據(jù)與邏輯上,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

身份認(rèn)證時,學(xué)生進(jìn)入微信小程序頁面后,選擇身份認(rèn)證功能,先啟動二維碼掃描功能掃描電源設(shè)備配器上的二維碼。成功獲得電源適配器MAC地址信息后,身份識別功能自動啟動定位模塊,獲得當(dāng)前學(xué)生經(jīng)緯度信息。成功實現(xiàn)二維碼掃描和手機(jī)定位后,身份認(rèn)證功能將人員信息、設(shè)備電源適配器MAC地址信息和定位的經(jīng)緯度信息打包,通過移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云服務(wù)器。其中,手機(jī)定位通過兩種途徑獲當(dāng)前的位置信息,一種是 Android 系統(tǒng)自帶的 GPS 定位技術(shù);另一種是基于信號的定位,通過無線信號,連接附近的基站設(shè)施進(jìn)行定位。系統(tǒng)將兩種方式結(jié)合,提供用戶根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境狀況選擇最優(yōu)方案。

4 運(yùn)動信息管理云平臺

運(yùn)動信息管理云平臺是體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)的信息匯集和處理核心單元,主要實現(xiàn)身份認(rèn)證、使用記錄存儲和運(yùn)動信息管理等功能。云服務(wù)端和云存儲租用阿里云,將核心服務(wù)端應(yīng)用及數(shù)據(jù)庫封裝到云,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化,通過網(wǎng)絡(luò)通信可隨時隨地實現(xiàn)體育運(yùn)動資源智慧化管理信息的處理。PC客戶端采用B/S設(shè)計模式,實現(xiàn)對用戶注冊、資源監(jiān)控信息和身份認(rèn)證信息的訪問和管理等。

圖4 MINA框架結(jié)構(gòu)示意圖

服務(wù)器端的設(shè)計同樣采用了MVC框架,使用LAMP架構(gòu)進(jìn)行開發(fā),輔以ThinkPHP進(jìn)行文檔管理,提高代碼使用、管理效率。視圖層是面向體育運(yùn)動資源管理者、教師以及學(xué)生的界面顯示層,主要通過PHP文檔實現(xiàn), 并運(yùn)用CSS層疊樣式進(jìn)行界面統(tǒng)一設(shè)計,規(guī)范布局,方便系統(tǒng)使用者的使用,同時能夠更好地展示體育運(yùn)動資源分布圖。業(yè)務(wù)邏輯層中,應(yīng)用控制器(核心控制器App類)和Action控制器都承擔(dān)了控制器的角色;再接受PHP傳送來的請求后,根據(jù)請求,Action控制器完成體育運(yùn)動過程中各種操作業(yè)務(wù)過程的控制,而應(yīng)用控制器負(fù)責(zé)調(diào)度控制。數(shù)據(jù)層是服務(wù)器端的核心,在本層中,將完成運(yùn)動資源使用人員、運(yùn)動器材、學(xué)生信息等一系列數(shù)據(jù)的操作。ThinkPHP內(nèi)置抽象數(shù)據(jù)庫訪問層,將不同的數(shù)據(jù)庫操作封裝起來,并提供公共的Db類進(jìn)行操作。當(dāng)服務(wù)器接收瀏覽器的HTTP數(shù)據(jù)請求后,Db類會自動調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動來處理,將體育運(yùn)動資源管理者、教師以及學(xué)生所需結(jié)果進(jìn)行及時反饋。

服務(wù)器監(jiān)聽到網(wǎng)關(guān)的鏈接請求后,與ZigBee網(wǎng)關(guān)建立鏈接,并獲得網(wǎng)關(guān)內(nèi)ZigBee協(xié)調(diào)器的MAC地址,并以此地址確定所在場地的名稱。服務(wù)器將運(yùn)動設(shè)備監(jiān)控模塊傳來的設(shè)備ID、設(shè)備用電量、ZigBee節(jié)點(diǎn)MAC地址、和網(wǎng)關(guān)ZigBee MAC地址、接收時間一起打包存儲于云存儲數(shù)據(jù)庫中,主要解決哪個運(yùn)動場館,在哪間運(yùn)動室,進(jìn)行了哪項體育運(yùn)動、什么時間開始運(yùn)動,運(yùn)動進(jìn)行了多久等問題。

服務(wù)器將移動終端傳來的手機(jī)號碼、電源適配器二維碼(也即zigbee節(jié)點(diǎn)MAC地址)和定位經(jīng)緯度信息與接收時間一起打包存儲于云存儲數(shù)據(jù)庫中,主要解決了誰,在什么時間,在哪里,使用了哪項體育資源等問題。通過電源適配器MAC地址,云服務(wù)器實現(xiàn)體育運(yùn)動資源與大學(xué)生個體的關(guān)聯(lián)。

5 結(jié) 語

本文以體育運(yùn)動資源和使用過程中的信息化為著眼點(diǎn),設(shè)計了一種基于云平臺的體育運(yùn)動資源智慧化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將運(yùn)動資源的使用者與運(yùn)動資源關(guān)聯(lián)起來,實現(xiàn)了運(yùn)動資源使用者的身份確認(rèn)、運(yùn)動信息自動記錄等功能。資源使用數(shù)據(jù)被上傳到云平臺,可供體育資源管理、規(guī)劃者實施了解體育場地、器材等設(shè)施的使用狀態(tài)、使用頻率等信息,供指導(dǎo)教師了解學(xué)生課余運(yùn)動習(xí)慣等。解決了大學(xué)體育運(yùn)動資源的分配不均、使用效果偏差等問題,具有較強(qiáng)的實用性。