一种基于物联网技术的短距离体测系统的制作方法

本发明涉及一种基于物联网技术的短距离体测系统，属于短距离体测技术领域。

背景技术：

传统的短距离体测方法如50米跑步毯，由于其为有线设置限制了系统的适用范围，其次对于50米跑步毯来说固定性也有一定的误差并且是地毯跑步时会存在一定的安全性，实用性不是很强。并且图像处理的竞赛方案，还存在时间误差的问题。下面结合现有技术中较有代表性的两种短距离体测方法加以说明。

方法一：一种基于低射频的传输方式，通过光电传感反射接收方式来判断竞速成员的通过，主要由起点端模块、终点端模块、主计时模块和上位机构成，其特征在于：起点端模块包括起点端控制盒、至少一组反光板光电传感器、无线通信模块；终点端模块包括终点端控制盒、至少一组反光板光电传感器、无线通信模块；主计时模块设有控制器、无线通信模块、与上位机连接的接口；主计时模块与起点端模块和终点端模块间经无线通信模块构成通信网络。方法一不需要在赛场进行布线操作，适合于各种场地使用，可以适用于采用或者不采用发令枪的比赛使用，特别适用于自由式轮滑速度过桩比赛。

方法一存在如下缺点：使用反光光电传感器通过反射之前的光信号来判断是否触碰的传感器中，其过程没有考虑到太阳光或者强光照射反光片所带的光信号被干扰的风险；现有的技术对成绩的保存还是存储在上位机中，最后数据仅仅是储存为一个文档，无法将数据上传至服务器的数据库中，对数据进行比较、边缘计算或者将数据发送。

方法二：一种竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统，由发令枪、无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置、计算机、计算机软件、图像采集卡和高速线阵ccd摄像机组成，其中计算机软件包括拍摄控制单元、自动判读单元和信息管理单元，其特点是：无线发令信号检测发射装置放置在发令枪附近，无线发令信号接收装置与计算机相连，无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置同步获取发令信号，在比赛过程中，通过无线发令信号检测发射装置采集发令枪声音信息，传输给无线发令信号接收装置，自动启动计算机软件计时，当运动员快到终点时，利用高速线阵ccd摄像机拍摄终点冲刺图像，通过图像计时子系统进行人体识别，自动判读运动员成绩。

方法二存在如下缺点：在起点端设备上设定了计时器开始工作信号，并没有考虑到在实际竞赛中比赛不仅比较速度，也是考验参赛者对起跑信号的反应时间。这样的设计会到导致最终的时间和实际时间的误差；在中学、高校中的使用中没有考虑到学生群体中替跑的情况，若有学生替跑，至该成绩应直接无效；利用采集的图像来判断参赛者从起跑端离开和到达终点端，并没有考虑带图像识别采集特征点和机器处理后所带来的时延，导致最终产生的时间和实际时间有误差；通过采集后的音频信号，通过转化为波形让机器进行比较相似处，最后来确认发令信号。设备在“采集”→“转化”→“比较”→“发送”计时信号的过程中，机器的处理时间会产生时延导致最终时间和实际时间的误差。

随着互联网时代的发展，5g时代的来临，时延大大降低的时代，无线网络也在迅速的大范围覆盖，新型技术的发展也在方便着人类的生活。无线网络最主要的优势在于不需要布线，可以不受不限条件的限制。不仅如此无线网络的组建方法也是简单的：一般架设无线网络的基本设备就是无线网卡及平台ap，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，无线网络不仅操作简单而且架设费用和复杂程序要远远低于传统的有线网络。并且这两年来无线ap的数量迅猛普及，无线网络的方便与高效也得到迅速普及，无线网络的地位也在日益牢固。同样，随着互联网体系的成熟与发展，物联网技术作为下一个风口，在整个行业也有着很好的发展前景由此可以看出基于无线网络加物联网技术的体测系统有着很好的市场与发展前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于物联网技术的短距离体测系统，克服了传统体测方法中存在的效率低下，以及时延高、成本高、传输方案不适宜等问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于物联网技术的短距离体测系统，包括起点下位机、终点下位机、云端服务器以及上位机，所述起点下位机设置于跑道起点处，终点下位机设置于跑道终点处；

起点下位机包括第一微控制器、按键模块、第一光电传感器、语音录放模块、音频功放模块、oled显示屏、第一电源模块，所述第一光电传感器包括第一发射端和第一接收端，第一发射端、第一接收端分别设置于跑道起点两侧，且第一发射端与第一接收端连接而成的直线与跑道垂直，按键模块的输出端、第一光电传感器的输出端分别与第一微控制器的输入端连接，第一微控制器的输出端依次连接语音录放模块、音频功放模块，第一微控制器的输出端还连接oled显示屏的输入端，第一电源模块给第一微控制器、按键模块、第一光电传感器、语音录放模块、音频功放模块、oled显示屏供电，第一微控制器通过带无线网络的路由器与云端服务器通讯，云端服务器通过无线网络与上位机通信；

终点下位机包括第二微控制器、第二光电传感器、第二电源模块，所述第二光电传感器包括第二发射端和第二接收端，第二发射端、第二接收端分别设置于跑道终点两侧，且第二发射端与第二接收端连接而成的直线与跑道垂直，第二光电传感器的输出端连接第二微控制器的输入端，第二电源模块给第二微控制器、第二光电传感器供电；

所述起点下位机和终点下位机上电后，进入体测系统准备阶段，当oled显示屏显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样时，准备完毕并进入体测阶段；

当第一微控制器接收到按键模块发送的信号后，开始3秒倒计时，倒计时结束，控制语音录放模块播放预先录制的起跑信号枪声，并通过音频功放模块放大起跑信号枪声的输出分贝，体测人员听到起跑信号枪声后，开始起跑，同时第一微控制器开始计时，若体测人员在起跑信号枪声响起前通过第一光电传感器，则计时停止，同时oled显示屏显示“体测人员抢跑”字样，重置计时，体测人员回到跑道起点，重新开始，若体测人员在起跑信号枪声响起后通过第一光电传感器，则成绩有效；当体测人员穿过第二光电传感器时，第二光电传感器的电频发生翻转同时发送信号至第二微控制器，第二微控制器将停止计时的信号发送至第一微控制器，第一微控制器停止计时，并将体测人员的身份和成绩打包成json文件，发送至云端服务器，云端服务器将json文件解析后通过http协议发送给上位机。

作为本发明的一种优选方案，所述上位机为移动手机端和/或pc端。

作为本发明的一种优选方案，所述体测系统准备阶段，具体过程如下：

所述第一微控制器采用ap+station共存模式，第二微控制器采用单station模式；

起点下位机和终点下位机上电后，第一微控制器的ap与第二微控制器的station之间的连接并进行握手，起点下位机开启station模式，第二光电传感器的第二发射端与第二接收端之间进行对焦，对焦成功后第二微控制器通过tcp协议将对焦成功指令发送至第一微控制器，第一光电传感器的第一发射端与第一接收端之间进行对焦，对焦成功后第一光电传感器将对焦成功结果通过gpio串口的形式发送给第一微控制器，以上步骤成功后，iic协议的oled显示屏上显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样；

起点下位机和终点下位机上电后，若第一微控制器的ap与第二微控制器的station之间的连接并进行握手，在20s秒之内未握手成功，则在oled显示屏上显示“终点下位机未连接成功”，需要重新调试起点下位机和终点下位机，直至显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样；

起点下位机开启station模式，若未连接带无线网络的路由器，无法获取云端服务器的ip，则在oled显示屏上显示“起点下位机未连接成功”，需要重新调试起点下位机和终点下位机，直至显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样；

终点下位机和起点下位机均连接成功后，如果第二光电传感器对焦失败，第二微控制器将不会发送指令给第一微控制器，oled显示屏上显示“终点光电传感器部署失败”，需要重新调试起点下位机和终点下位机，直至显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样；如果第一光电传感器对焦失败，第一微控制器将接收不到通过gpiottl电频转换的信号，oled显示屏上显示“起点光电传感器部署失败”，需要重新调试起点下位机和终点下位机，直至显示“设备准备完毕，可以起跑”字样；如果第二和第一光电传感器都对焦失败，oled显示屏上显示“终点与起点光电传感器部署失败”，需要重新调试起点下位机和终点下位机，直至显示“下位机准备完毕，可以起跑”字样。

作为本发明的一种优选方案，所述第一微控制器、第二微控制器均采用esp8266ex型号芯片。

作为本发明的一种优选方案，所述oled显示屏采用ssd1306型号芯片。

作为本发明的一种优选方案，所述语音录放模块采用isd1820型号芯片。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明解决了短距离体测中的时延问题与传输问题，通过物联网技术，将短距离体测时间及用户数据，发送至云端服务器，并在手机移动端及pc端展现出来，做到实时查看。

2、本发明基于物联网技术的短距离体测系统，时延更短，准确率更高，成本更低，适用范围更广泛，实用性更强。

附图说明

图1是本发明短距离体测系统中起点下位机的结构图。

图2是本发明短距离体测系统中终点下位机的结构图。

图3是本发明短距离体测系统中起点下位机和终点下位机的布置示意图。

图4是本发明短距离体测系统的工作原理图。

图5是本发明短距离体测系统中起点下位机的工作流程图。

图6是本发明短距离体测系统中终点下位机的工作流程图。

图7是本发明短距离体测系统所使用的起跑声音模拟的电路原理图。

图8是本发明短距离体测系统所使用的esp8266原理图。

图9是本发明短距离体测系统的数据传输框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了克服短距离体测的高需求量所带来的繁琐工作量，以及现有技术上，无法对时延降低至较低水准，数据的储存等缺陷。本发明通过起点下位机设备与终点下位机设备的ap+station模式的组网方式，通过物联网的技术，将所获取到的短距离体测时间及用户数据，发送至云端服务器，并将数据在手机移动端及pc端展现出来，并做到实时查看。针对短距离体测中的时延问题与传输问题，本方案做出了论证，均满足短距离体测的环境要求。

下面结合实施例对本发明做出进一步的说明。

一种基于物联网技术的短距离体测系统，包括起点下位机、终点下位机、云端服务器以及上位机，起点下位机设置于跑道起点处，终点下位机设置于跑道终点处，如图3所示。

如图1所示，起点下位机包括第一微控制器、按键模块、第一光电传感器、语音录放模块、音频功放模块、oled显示屏、第一电源模块。如图2所示，终点下位机包括第二微控制器、第二光电传感器、第二电源模块。第一光电传感器、第二光电传感器均包括发射端和接收端，发射端和接收端分别立在跑道的两侧，且第一光电传感器设置在起点，第二光电传感器设置在终点。

第一电源模块：dc5v供电给第一微控制器，第一微控制器开始工作。

oled显示屏：第一微控制器使用iic协议，通过终点下位机通过tcp协议，反馈回来的停止计时信号获取到后，将跑步成绩显示在屏幕中。

按键：微控制器读取按键的ttl电平。

第一光电传感器：第一微控制器实时采集第一光电传感器电平。若有人通过，则导致传感器的电平切换，开始进行计时。

语音录放模块：预先录制好起跑的信号枪声，微控制器通过单io使能语音录放模块，从而播放信号枪声。

音频功放模块：语音录放模块的dac音频信号只有0.5w，通过数字音频功放模块提高输出音频的分贝。

第二电源模块：dc5v供电给第二微控制器。

第二光电传感器：第二微控制器实时采集第二光电传感器电平。若有人通过，则导致传感器的电平切换，并且将停止信号通过tcp协议发送给起点第一微控制器。

第一微控制器、第二微控制器均采用esp8266ex模组，esp8266集成了32位处理器，flash大小高达4mb，标准数字外设接口，支持内置tcp/ip协议栈和ieee802.11协议栈。利用其模块作为起点机电路的mcu可将高达80％的处理能力留给应用编程和开发，有利于减少系统各部分通信的时延。采用ipex天线，在空旷地区wifi覆盖范围可达100m。esp8266模块支持三种组网模式：ap模块、station模式、ap+station模式。本系统的起点下位机采用ap+station模式，这样系统既能与终点机通信，也可以将数据上传至云服务器。如图8所示，为该模块电路设计原理图。

采用oled显示模块，增加显示屏模块有利于第一次手动测试的准确性，由于ssd1306本身支持多种总线驱动方式包括spi、iic以及8080并口等，所以本款体测系统的显示模块采用0.96寸由ssd1306驱动oled屏与此同时可以通过芯片的相应io口拉低拉高来选择哪一种接口。在本发明中我们采用的是iic时序来显示，其原因在于icc时序可以直接减少oled显示模块对gpio引脚的使用。

采用isd1820语音录放模块，isd1820是美国isd公司推出高质量录放模块，它采用cmos技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及flash阵列。由于使用场所的需要体测系统的录放模块不需要足够大，可以知道isd1820只需设置成最小的录放系统就足以实现这个功能，而最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、3v电源及少数电阻电容，操作简单，效果好并且节约成本。如图7所示，为该模块电路设计原理图。

如图5起点下位机程序流程图所示，起点下位机开启smartconfig功能后，接着接入一个附近的可用wifi。提示接入成功后，将起点下位机系统设定为ap+station模式，利用station模式接入一个可达互联网的热点。开启tcp透传的服务端后，将终点机接入tcp服务。接入完成后，设备调试成功，体测系统可以开始正式使用进行短距离测试。测跑人员准备好后自行按下起点的预备按钮，信号指示灯会亮起五秒，五秒后信号灯熄灭，语音模块发出录制好的信号枪音效。mcu的定时器开始计时，测跑人员到达终点后，终点机传回确认信号，系统完成计时并将成绩发送至云服务器上。

如图6所示，终点下位机与起点下位机的ap热点进行后，再将终点下位机以tcp客户端的方式接入起点下位机的tcp透传服务端。tcp连接完成后不断检测激光传感器的电平。若激光传感器的电平发送翻转，便向起点发送确认信号。

本款系统是在安信可公司提供的安信可esp系列一体化windows开发环境下进行开发，并使用的是乐鑫公司为用户提供的一个快速、高效、易理解esp8266的nonoc-sdk。具有众多功能的sdk为用户提供了硬件数字协议的接口函数以及tcp/ip、udp、smartconfig、ntp等函数接口，进而开发者只需要考虑系统的设计流程，无需查看大量的数据手册。

上位机开发是将javaspring框架作为系统得后台，再将由下位机得到的用户数据发送给服务器，即时服务器会将数据post给手机客户端，则可以做到实时更新现实体测用户数据。

一种基于物联网技术的短距离体测系统，使用两个esp8266作为终点与起点的接发主控，同时使用tcp协议、http协议，将起点与终点下位机进行相连，并且通过带无线网络的路由器，将数据提交至云端服务器。如图4所示，系统的工作过程包含下位机连接阶段、数据传输路径阶段和上位机查看阶段这3个阶段。

(1)下位机连接阶段

①设备部署成功

打开起点下位机设备与终点下位机设备开关，起点下位机和终点下位机进行ap与station之间的连接并进行握手，起点下位机开启station模式，连接带无线网络的路由器。终点下位机携带第二光电传感器进行对焦，对焦成功后通过tcp协议将指令发送至起点下位机设备。起点下位机携带第一光电传感器进行对焦，对焦成功后将对焦结果通过gpio串口的形式发送给起点下位机。以上步骤成功后，iic协议的oled屏幕上将显示“下位机准备完毕，可以起跑”。

②设备中双esp8266开始进行ap与station之间的连接失败

打开起点下位机设备与终点下位机设备开关，起点下位机和终点下位机进行ap与station之间的连接并进行握手，在20s秒之内未握手成功，则在oled屏幕上将显示“终点下位机未连接成功”。

③起点下位机设备station模式连接失败

起点下位机开启station模式，未连接带无线网络的路由器，无法获取公网ip，则在oled屏幕上将显示“起点下位机未连接成功”。

④设备中的光电传感装置对焦失败

所有步骤部署完毕后，如果终点下位机的光电装置对焦失败，终点下位机，将不会发送指令给起起点下位机，将会在oled屏幕上显示“终点光电传感器部署失败”；起点下位机的光电装置对焦失败，起点下位机将接收不到通过gpiottl电频转换的信号，将会在oled屏幕上显示“起点光电传感器部署失败”，如果终点与起点下位机的光电装置都对焦失败，将会在oled屏幕上显示“终点与起点光电传感器部署失败”。

(2)数据传输路径阶段

①传输强度的计算：

(101)首先将终点下位机和起点下位机放置在相隔150米左右的位置利用弗friis传输方程接收信号所需强度：

其中，pr(d)表示接收到的信号功率；pt表示发射功率；gt表示发射天线增益；gr表示接收天线增益；λ表示波长(m)；d表示发射端与接收端的距离；l表示与传播无关的损耗(传输线衰减、滤波损耗、天线损耗)；

(102)根据乐鑫公司提供的esp-wroom-02u的技术手册，并且使用自由空间传输模型，通过friis公式可反向求出传输距离；

(103)起点下位机和终点下位机均使用2db增益的天线，通过将参数代入(101)与(102)公式，计算所得在规定距离的范围内信号强度满足体测的要求。

②传输强度实景测试：

(101)在空旷的跑道上进行放置起点下位机设备，执行步骤(102)；

(102)打开起点下位机设备，开启ap模式，执行步骤(103)；

(103)打开测试使用的esp8266，接入起点下位机的ap热点，执行步骤(104)；

(104)连接成功后，起点下位机向测试esp8266发送at+cwlap指令，执行步骤(102)；

(105)接收到rssi信号强度，执行步骤(106)；

(106)将rssi参数代入距离测试公式，执行步骤(107)；

(107)开始逐渐远离起点下位机，观察串口打印所反馈的距离值，执行步骤(108)；

(108)直到不反馈信息，并得到测试值：大于150m(应该设备只需满足短距离体测要求，所以无需测试长距离)。

③传输过程中所存在的时延：

系统使用的esp8266采用risc-v指令集，这个指令集的微处理器一般采用三级流水线，大多数指令在一个机器周期内完成。为了更好的完善系统，使系统得到的成绩更准确，需对误差进行具体分析，分析步骤如下：

(101)本系统采用晶振为fosc＝26mhz、机器周期为12/fosc＝12/26mhz＝0.461us的esp8266处理器。执行(102)；

(102)在程序中设定5ms定时器中断，设置中断溢出后对时间变量+1，执行步骤(103)；

(103)在定时器中断函数中存放两条指令，此时的乘法指令为ci(us)＝2，执行步骤(104)；

(104)此时时间误差为t＝0.461*2＝0.922us。执行步骤(105)；

(105)根据数据分析一个人平均跑步时间为10s，系统溢出次数为s＝200。平均误差时间：δt＝s*(12/fosc)*1*ci＝200*0.922us＝0.000184s；

(106)所以根据(105)可得传输延误满足短距离体测的要求。

④数据传输方式：

系统数据的传输方式使用流程式逻辑设计。

(101)起点下位机设备开始验证身份并且将准备就绪的指令发送给esp8266主控，执行步骤(102)；

(102)开始倒计时，倒计时结束，发出起跑准备声，在3秒后发出模拟枪声，体测人员开始起跑，执行步骤(103)；

(103)体测人员穿过光电传感器，esp8266检测到该gpio口，电频翻转，开始计时，执行步骤(104)；

(104)当体测人员穿过终点下位机的光电传感装置，终点esp8266检测到改gpio口，电频翻转，则将停止计时的信息发送给起点下位机，并执行步骤(105)；

(105)起点下位机接收到停止计时的信息后，暂停计时，并且将身份和成绩打包成json文件，通过http，发送给云端服务器。此时下位机工作完毕。执行步骤(106)；

(106)服务器接收到发送的数据，将数据储存至云端服务器，并且将数据通过post指令，使得上位机实时展现出所传输的用户信息与成绩。

(3)上位机查看阶段

如图9所示，起点下位机设备将用户信息与体测成绩打包成json文件，通过http协议，将数据包发送给云端服务器。云端服务器通过post请求，上位机接收到后，解析接收的json文件，将json文件数据在pc端与手机移动端实时展示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。