摘" 要：基于西南财经大学天府学院第一代产品设计了一种改进的智能长跑测试系统。首先，采用高精度天线采集RFID信号，通过2.4G无线通信技术实现超高频读写器与智能应用之间的交互。其次，优化长跑数据解析算法，利用数据帧关联性最大限度地解析长跑数据，并实时展示测试结果。此外，增加了RFID预检环节，检查RFID卡片是否正常工作，及时排除无法识别的卡片。实验结果表明该系统具有更好的精确性和稳定性。
关键词：长跑测试；RFID预检；帧关联；体能测试
中图分类号：TP311 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）11-0086-04
Design and Implementation of an Improved Intelligent Long-distance
Running Testing System
ZHANG Ju， LUO Wenjia， ZHANG Liang， GU Bo， LIU Dan
（Tianfu College of SWUFE， Mianyang" 621000， China）
Abstract： An improved intelligent long-distance running testing system has been designed based on the first generation product of Tianfu College of SWUFE. Firstly， high-precision antennas are used to collect RFID signals， and the interaction between ultra-high frequency readers and intelligent applications is achieved through 2.4G wireless communication technology. Secondly， it optimizes the long-distance running data parsing algorithm， utilizes the data frame correlation to parse long-distance running data to the greatest extent possible， and displays test results in real time. In addition， an RFID pre inspection process has been added to check whether the RFID card is working properly and promptly eliminate unrecognizable cards. The experimental results indicate that the system has better accuracy and stability.
Keywords： long-distance running testing; RFID pre inspection; frame association; physical fitness test
0" 引" 言
按照《国家学生体质健康标准》要求[1]，高校每年都要进行体质健康测试。长跑作为一项耐力测试，是衡量学生身体素质的重要指标之一[2]，相对于其他测试项目，它需要更长的时间，通常多人同时参加测试。在国内主要的运动计时方法包括手动计时法、摄像电子计时器[3]、非接触自动识别法等[2，4]。手动计时法适用于人数较少的学校，例如几百到两三千人的规模。手动完成几千甚至上万人规模的测试，并把测试结果准确无误地上报到国家学生体质健康标准数据管理分析系统，将是一项极为繁重的任务。而摄像法则对硬件设备、操作方法和图像处理算法的要求较高，因此成本也相对较高。现实应用中，非接触自动识别法特别是基于射频识别技术（Radio Frequency Identification， RFID）得到了比较广泛的运用[4，5]。
经过几年研究和实践，我校已成功开发出一套比较全面的智能体测系统，涵盖了身高体重、体前屈、肺活量、长短跑、立定跳远、仰卧起坐和引体向上共八款设备九个测试项目。该系统集测试、结果展示、数据上报和大屏展示等功能于一体。第一代基于RFID的智能长跑系统采用了面板天线，信号辐射范围比较广，容易导致实测成绩与真实成绩之间存在较大误差。经过多轮测试后，RFID卡片容易折叠损坏，天线检测不到RFID信号，导致成绩丢失。此外，也存在个别过程点成绩或终点成绩缺失的现象。这些问题不仅影响测试结果的准确性和智能长跑设备的稳定性，也对后续的数据分析和决策造成一定困扰。
本文提出并设计了一种改进的基于RFID的智能长跑测试系统。首先，采用更先进的信号采集技术，合理布置天线位置，缩小信号感应范围，减少设备之间数据传输距离，减小成绩误差。其次，增加RFID预检环节，让系统能随时检查RFID卡片状态。再次，根据长跑数据协议和上报规则，优化数据包解析算法，让每个过程点成绩和终点成绩都能够被正确地记录和存储。通过这些设计，一方面提高智能长跑系统的测试精度，另一方面以最大程度减少数据丢失的概率，提高智能长跑测试系统的稳定性。
1" 系统结构
本文以标准400 m跑道[6]为例，设计一种改进的基于RFID的智能长跑测试系统，总体结构如图1所示。
该系统主要由上位机、超高频读写器、地毯天线、RFID卡片组成。其中上位机采用Android系统，具备串口通信、身份证或学生证识别器、摄像等基本功能；读写器主要包含充电模块、转换器、无线模块等，它与上位机侧的无线模块进行通信收发数据；天线用来检测RFID卡，同时把信号同步传递给超高频读写器。在天线选型时，需要综合考虑功率、辐射方向、检测精度等；面板天线的辐射范围比较大，可超过20 m，测试精确度较低；地毯天线的辐射范围可以缩小到2～3 m。将每张RFID卡片放置于一件背心上，测试人员穿着背心参加长跑测试。
当多个RFID卡片经过天线时，读写器需要处理的数据会增多，而单个读写器只有一个共享的数据通道。为了减少数据碰撞的概率，有研究者提出了多种防碰撞算法[4，7-9]，这些算法在一定程度上能够提高系统的识别率。考虑到长跑测试活动场地比较大，容易受到人等遮挡物的影响，上位机收到的数据往往存在一帧数据被拆分成多次传输，甚至部分数据被丢失的情形。随着发送端读写器与接送端读写器距离的增大，这种情况变得更加突出。为此合理布置天线位置，减少设备之间数据传输距离，设计一种优化的长跑数据解析算法以正确地记录和存储测试检测点的数据。
2" 系统设计
本系统采用地毯天线采集RFID卡片信号，通过超高频读写器与上位机经过2.4G [10]通信实现数据交互。上位机采用具备USB通信和串口通信功能的Android系统一体机。该系统涉及RFID卡数据处理有预检、存卡和测试。这三个阶段都需经历信号采集，数据传输和数据处理。预检阶段设计目的是防止卡片损坏导致测试过程成绩丢失。存卡阶段和测试阶段是系统必不可少的过程。经过一段时间使用后，RFID卡片可能会因外界因素导致折叠或损坏，从而使天线无法检测到该卡片信号。这种情况下，需要进行人为干预，并重新进入预检阶段。在此阶段，筛选无效的卡片，清除系统中已存储的卡片信息，重新存卡。此后系统才能进入新一轮测试。
在长跑测试过程中，APP会实时显示每次测试所花费的时间，包含200、400、600、800 m和1 000 m不同距离的测试时长。测试完成后，APP会将测试数据上传到后台服务器。服务器对数据进行计算和处理，并将成绩推送到测试对象的微信公众号上。本智能长跑测试系统主要功能模块如图2所示。
2.1" 卡片预检
预先给每一张RFID卡片分配一个唯一编号。为了保证长跑系统的可靠性，首先检查RFID卡能否正常工作，把不能使用的卡片筛查出来，并及时进行卡片替换处理，这个过程称为“预检”。预检时，把RFID卡片放置在天线附近，长跑APP接收从高频读卡器传递过来的数据，再通过解析模块对数据进行处理，识别出卡片编号。最后，在预检界面上展示每张RFID卡片的预检状态，为下一阶段的存卡工作做好准备。
2.2" RFID存卡
预检结果正常的RFID卡片筛选出来后，把它们放置在天线能够感应的范围内。然后，通过天线侧超高频读写器把数据经过2.4G无线通信传递给一体机侧超高频读写器。接着，再通过串口通信将数据传递给一体机。最后，由APP把解析出来的卡号信息全部存储起来。这些信息可以存储在长跑APP的配置文件里，也可以其他形式存储到数据库等，这个过程称为“存卡”。与预检阶段不同的是，存卡阶段会将解析出来的卡号信息存储起来，以备长跑测试阶段使用。而预检阶段只是为了查看卡片是否能正常使用。
2.3" 卡片分配
在进行长跑测试之前，需要给每位参加测试的人员分发一件装有RFID卡片的背心。设定系统最大支持N人同时进行长跑测试，测试人员根据分配的RFID卡片编号排队。首先进行身份信息验证确认其为在校学生，然后进行人脸识别确认其为学生本人。只有身份验证成功后，系统才会根据预先存储的卡片顺序为测试人员分配一个逻辑RFID卡号，此号与其背心上的物理RFID卡片编号一一对应。设定长跑APP存储的RFID有序序列为ni，RFID背心有序编号序列为ki，卡片分配关系如表1所示。
在测试过程中，将根据RFID有序编号对测试对象进行身份验证和识别。当RFID卡片在天线的检测范围内时，超高频读写器会将采集的数据最终传输到上位机。无论是在预检、存卡还是测试阶段，都少不了对天线检测的RFID信号数据处理。数据各字段含义说明如表2所示。
第一字节代表协议头，固定为0XA0。接下来两个字节分别为数据长度和天线地址。第四字节为交互命令，紧跟着的是数据信息。最后一个字节是数据包的校验和。一般情况下，RFID卡片经过天线时，通过读写器传递到上位机的有效数据包含三部分主要信息：天线功率等基本配置、固定卡号标识和卡号信息。
2.4" 算法设计
无论是卡片预检、RFID存卡还是测试阶段，APP应用都需要对收到的RFID信号数据进行存储、解析和后处理，只是针对解析出来的数据会进行不同的后处理流程。当多个RFID卡片同时经过天线时，读写器数据碰撞的概率会增加。此外，上位机接收到的数据也存在一帧数据被拆分成多次传输，甚至出现部分数据丢失的情况。随着读写器之间距离的增大，这种情况愈发明显。因此，解析算法的好坏直接影响着系统的可用性和稳定性。
本文解析算法使用两块存储空间，一块用于存储有效的命令数据，另一块用于存储临时数据。临时数据中可能含有有用的命令数据字段，也可能包含不需要关注的信息。算法从缓存中读取一帧数据，并依次对每一个字节数据进行判断，寻找协议头、数据长度和命令数据。如果当前帧每个字节读取完毕后，仍未找到协议头和数据长度或命令数据不完整，那么该算法会从缓存中移除这一帧，并读取下一帧数据。然后，算法再次对这一帧数据的每个字节进行处理，直到有效的数据存储空间存储了一个完整的命令数据包。最后，根据协议命令数据格式，从单个完整命令数据包解析出天线编号和RFID卡编号供后续流程使用。算法主流程如图3所示。
其中，子流程A主要负责处理有效数据存储中数据，包括数据的存入和解析，并更新与命令相关的标志位。具体而言，当命令长度还未达到信息数据长度时，数据会被存储在command中。对于完整的命令包，会进行相应的处理以便获取天线和RFID卡的编号，最后更新命令相关的标志位。子流程B负责对RFID卡片数据包进行有效性检查，根据结果更新相关标志位，包括数据包长度，数据包起始位和数据包等。
获取天线感应到的RFID卡编号是预检、存卡和测试三个阶段的共同目标。预检阶段把卡号显示在一体机上，而存卡阶段则把卡号存储起来直到存卡完毕生成一个有序卡片编号序列。在测试阶段，需要根据解析出来卡号的时间结合开始测试时间以及地毯天线的编号，来确认测试人员对应阶段的测试时长，并将测试结果显示出来。最后，将测试结果同步上传至后台服务器。
3" 测试结果
从我校多轮智能长跑测试结果看，改进后的系统在测试精确度和稳定性都有显著的提升。以2 K为串口回调数据缓存长度为例，采集某一轮男女混合长跑测试中应用收到的数据检验本文解析算法质量，测试结果详情如表3、图4和图5。
通过表3可以看出，0XA0出现次数比0XA013出现次数多。这表明天线上报的数据中除了以0XA013为代表的RFID卡有效数据包外，还存在其他交互数据。数据包被截断的情况较多，但前述解析算法能够有效地把截断的帧数据进行拼接。随着拼接比例增加，数据解析成功率能够达到99%。利用前后帧数据的关联性，尽可能地拼接源数据并寻找符合通信协议的卡片数据包。测试时间越长，拼接次数越多。当多人串行通过地毯天线时几乎达到100%的测试成功率。当多人并行通过天线时，因数据冲突可能会出现极少量成绩缺失情况。
4" 结" 论
为了提高智能长跑测试系统的稳定性，通过预检RFID卡片保障卡片的有效性。利用帧间数据关联性合理拼接数据包，并按照数据通信协议最大化利用不完整数据包来恢复数据。我校每年近三万人的体质健康测试表明该系统测试结果准确度高、运行稳定。该系统有力地促进了我校体能测试工作的数字化和智能化进程。
参考文献：
[1] 教育部.教育部关于印发《国家学生体质健康标准（2014年修订）》的通知[R/OL].（2014-07-07）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A17/twys_left/moe_938/moe_792/s3273/201407/t20140708_171692.html.
[2] 杨晓红.RFID在中长跑体能测试上的应用 [D].沈阳：沈阳工业大学，2007.
[3]顾立强.田径项目终点摄像电子计时器应用过程中存在问题及应对方法的研究[D].石家庄：河北师范大学，2017.
[4]李庆功.面向中长跑体能测试的RFID设计与实现 [J].现代电子技术，2017，40（1）：28-31.
[5] 徐济仁，郭云辉，戴卫标.室外运动场中长跑项目自动计时计圈系统的设计与实现 [J].智能计算机与应用，2022，12（6）：137-140.
[6] 解正伟.国际田联（IAAF）400米标准室外场地跑道标志规划平面图 [J].田径，2017（10）：32-33.
[7] 周旋，邬云文，向长青，等.应用标签并行识别技术的RFID防碰撞算法 [J].现代电子技术，2023，46（10）：1-6.
[8] 龚玉梅，胡金艳.实验室仪器管理中RFID多标签识别防碰撞算法研究 [J].电子设计工程，2022，30（11）：22-25+30.
[9] 张小贺.基于树型结构的RFID防碰撞算法研究及应用 [D].秦皇岛：燕山大学，2022.
[10] 刘天保.2.4G无线AP通信系统的设计与实现 [D].长沙：湖南大学，2018.
作者简介：张菊（1983.09—），女，汉族，四川达州
人，工程师，硕士研究生，研究方向：智能应用；罗文佳（1978.09—），女，汉族，四川自贡人，副教授，硕士研究生，研究方向：数据库应用、物联网应用；张良（1989.11—），男，汉族，安徽淮北人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网工程；古波（1983.08—），男，汉族，四川宜宾人，学士，助教，本科，研究方向：健康大数据；刘丹（1984.05—），女，汉族，河南修武人，讲师，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统设计开发。
收稿日期：2024-04-08
课题项目：全国高等院校计算机基础教育研究会项目（2023-AFCEC-461）
