基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统及方法

1.本发明属于信息领域，具体涉及一种基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统及方法。


背景技术：

2.雪上项目需要运动员在空中高速完成旋转、飞跃等动作，并在一个最佳的着陆位置安全落地。因此，风速风向的微小变化可能会对运动员圆满完成动作产生重要影响，不仅可能影响运动员的竞技成绩，也可能影响运动员的安全。不同雪上项目赛道的坡向与风向之间形成的空间关系十分复杂，由于风的这种不确定性和时空多变性，雪上项目国家队非常需要实时、高精度的风要素信息来支撑备战训练和比赛。以自由式滑雪空中技巧项目为例，在整个运动过程中，环境风会对运动人员产生顺风向推力、逆风向阻力以及侧向的偏航力，从而会影响运动人员完成动作的稳定性以及后续的着陆过程。同时，由于风速、风向具有波动性和随机变化性，不易控制，会对雪上运动项目参与人员的安全构成威胁。在运动员训练和比赛的过程中，运动员和教练员需要根据赛场的实时风要素信息进行临场决策的调整。
3.目前雪上项目国家队训练场地测风仍依赖于风向旗这一原始的测风设备，运动员和教练员依赖于风向旗飘动的形态与方向判断赛道内的风速风向。
4.在气象领域，相关工作人员通过风速风向传感器完成对风的测量。目前测风的仪器很多，包括旋转式风速传感器、热历史风速传感器、声学风速传感器等，不同风速传感器适合于不同的使用场景。在采集到足量气象信息后，气象人员会对风场数据进行统计分析，得到最大风速、平均风速等统计指标，并通过风玫瑰图等方式进行可视化显示。
5.传统的基于风向标的方法有以下两个主要缺点：1. 缺乏对风的定量描述，难以识别。风向旗形态变化多样，运动员和教练难以根据风向旗准确的判断出当时的风速风向，主要依靠经验进行决策，容易误判，影响训练比赛成绩乃至造成安全风险。2.测量范围有限。根据研究团队风洞实验结果，风速较大时风向旗形态基本保持不变（接近水平），难以进一步反映风速的变化。
6.而引入气象领域的风速传感器可以解决上述缺陷，但会带来新的问题：1）气象中测风仪器往往是独立工作，测量单一点位的风速风向。而赛道上不同点位的风速风向差别很大，单点测风难以描述风场在复杂赛场中的变化。2）缺乏数据实时传输链路，测风仪器数据导出困难。运动比赛中的训练决策要在数秒内完成，传统的先数据采集后统计分析的工作流程难以满足雪上项目训练和比赛高实时性的要求。3）缺乏对应的可视化手段，因而运动员和教练员难以直观的理解风速风向测量结果。
7.综上所述，目前缺少一套专门针对雪上项目训练比赛的高精度高实时性的多点测风系统。


技术实现要素：

8.为解决训练比赛过程中无法准确快速地感知赛场风场的问题，本发明提供一种基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统及方法，针对原来的风向旗测风缺乏定量描述问题，本发明引入超声波风速传感器，并针对每类雪上项目赛场不同的特点设计专属的测风方案，形成多点测风网络，准确地测量不同项目赛场的风场信息；针对风速传感器数据处理滞后问题，本发明构建了一种基于超窄带自组织移动通信协议的信号传输系统，能够对风速传感器采集到的数据进行实时、加密、高保真的传输；针对雪上项目的教练员和运动员难以理解测风结果问题，本发明引入智能终端进行风场数据的接收、存储、处理与分析，并利用开发的专有app进行实时的结果展示。
9.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统，包括多点高精度测风系统，所述多点高精度测风系统包括风速传感器、无线窄带自组网采集端、无线窄带自组网接收端、智能终端；所述风速传感器与无线窄带自组网采集端通过连接电缆连接，风速传感器采集数据后直接通过连接线传输给无线窄带自组网采集端；无线窄带自组网采集端采集的数据通过无线自组网发送给无线窄带自组网接收端，再通过蓝牙传输到智能终端，利用定制的智能终端的app对数据进行可视化显示并在后台完成数据的记录；所述风速传感器获取秒级的风速、风向、气温、相对湿度与气压数据，对雪上项目赛场风场进行超精细时间尺度的描述，实现教练员和运动员对赛场风速风向的实时获取和分析，可以提高训练效率和比赛成绩，降低运动员受伤风险。
10.进一步地，所述智能终端为pad、手机或腕表。
11.进一步地，所述风速传感器为超声风速传感器；所述风速传感器安装组件包括弹簧、带垫圈的螺母、安装支架、立柱管；架设所述风速传感器时，利用耐低温、高强度的立柱管进行地面的支撑与固定；然后用扳手旋出带垫圈的螺母，松动弹簧，将安装支架套在立柱管上；最后将风速传感器北向指向罗盘显示的真北方向，旋入带垫圈的螺母，使得安装支架紧贴立柱管。
12.进一步地，所述风速传感器的电源和数据线共用一条电缆，内含4根线，包括2根电源线，2根rs485数据线；所述无线窄带自组网采集端的设备箱整机利用24v直流供电，并将24v直流电进行防浪涌处理后连接各风速传感器，为其供电；rs485数据线将各风速传感器串联后，连接到采集箱内的无线窄带自组网采集器，为其提供风速风向的业务数据。
13.进一步地，每个风速传感器设置不同的id号，当无线窄带自组网采集端获取其中某个风速传感器数据时，先下发数据传输指令，其中命令中包含id号，所有风速传感器同时接收到此命令，各个风速传感器检查命令中的id号码与自身的id号码是否一致，若不一致，则忽略，不做任何处理；否则，根据命令中的信息回传风速传感器的数据至无线窄带自组网采集端。
14.进一步地，利用无线窄带自组网采集端采集到的数据通过无线窄带自组网分发到各个无线窄带自组网接收端；无线窄带自组网通过物理层、网络层、业务层构成无线窄带自组网信息传输系统，通过提供数据传输、信道接入、选路功能来完成端到端的数据传送；所述业务层完成数据传输功能；所述网络层在所有节点设备中实现，完成节点接入、频率和时隙调度、干扰避免、丢包率统计、路由选路以及休眠功能；物理层最终形成控制子帧和数据
子帧；所述控制子帧用于发送网络接入控制消息、网络配置消息和调度消息，所述数据子帧用于发送业务数据。
15.进一步地，所述无线窄带自组网接收端接收到数据后通过蓝牙传输给配对的手持的智能终端；手持的智能终端上的app通过连接蓝牙设备周期性地接收到雪上项目风场的数据，对于接收到的赛道风数据，根据蓝牙数据协议对数据进行解析和校验，获取3~15个风速传感器所在位置处的风速和风向数据，将测风数据换算成影响比赛的综合风作用指数、风稳定度、射击弹着点及下一轮校枪参数数据等，以文件方式和数据库方式进行存储并在智能终端进行展示。
16.本发明还提供一种基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统的指挥方法，包括如下步骤：步骤1）根据场地特性和队伍需求，定制赛道测风方案在多个位置布置风速传感器；步骤2）使用连接电缆将多个风速传感器连接至无线窄带自组网采集端；步骤3）将无线窄带自组网采集端接通电源；步骤4）使用定制的智能终端，通过蓝牙连接无线窄带自组网采集端设置工作频率、风速传感器个数和编号；若无线窄带自组网采集端信号灯正常闪烁，说明无线窄带自组网采集端正常采集、分发数据；步骤5）打开无线窄带自组网接收端电源开关，通过智能终端和蓝牙设置工作频率；步骤6）打开定制的智能终端的app，通过蓝牙连接无线窄带自组网接收端，若风场数据正常显示则说明正常工作；选择常规数值显示和风场渲染图的可视化显示；数据同步在后台存储为txt文件。
17.有益效果：该系统以全新的多点精准探测、快速获取、实时传输、加密传输的方式提供可靠依据，显著改善过去采用单点临场人工观测、对讲机传递信息量少、精度低、时效性差、保密性差等缺陷。
附图说明
18.图1为本发明的多点高精度测风系统结构图；图2为风速传感器与无线窄带自组网采集端线路连接图；图3为冬季两项场地测风系统布置方案示意图（水平布局）；图4为冬季两项场地测风系统布置方案示意图（垂直布局）；图5为智能终端风场插值渲染示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
20.如图1所示，本发明的基于窄带无线自组网的赛场测风指挥系统包括多点高精度测风系统，所述多点高精度测风系统包括风速传感器、无线窄带自组网采集端、无线窄带自组网接收端、智能终端。所述风速传感器获取秒级的风速、风向、气温、相对湿度与气压数据，能对雪上项目赛场风场进行超精细时间尺度的描述，为瞬息万变的雪上运动提供信息支持，如发现风速风向的突然变化，可及时向运动员报警，推迟高风险动作的训练，降低其受伤风险。所述风速传感器与无线窄带自组网采集端通过连接电缆连接，风速传感器采集数据后直接通过连接线传输给无线窄带自组网采集端。无线窄带自组网采集端采集的数据通过无线自组网发送给无线窄带自组网接收端，再通过蓝牙传输到智能终端，利用定制的app对数据进行可视化显示并在后台完成数据的记录，方便雪上项目教练员与运动员训练后进行复盘，分析不同风速风向对训练成绩的影响，制定针对性策略和方案，提高训练效率和比赛成绩。所述智能终端可为pad、手机、腕表。数据从风速传感器传输到智能终端并显示的耗时不超过0.5s，可满足雪上项目高时效性的需求。
21.所述风速传感器为超声风速传感器，优选ws500-umb型智能气象传感器，能够获取秒级的风速、风向、气温、相对湿度与气压数据。架设所述超声风速传感器时，需要利用耐低温、高强度的立柱管进行地面的支撑与固定。
22.如图2所示，所述超声风速传感器固定完成后，将电源与数据连接线连接至无线窄带自组网采集端。超声风速传感器的电源和数据线公用一条电缆，内含4根线，包括2根电源线，2根rs485数据线。无线窄带自组网采集端的设备箱整机需要24v直流供电，并将24v直流电进行防浪涌处理后连接各风速传感器，为其供电。rs485数据线将各风速传感器串联后，连接到采集箱内的无线窄带自组网采集器，为其提供风速风向等业务数据。
23.每个风速传感器可以设置不同的id号，当采集端需要获取其中某个风速传感器数据时，先下发数据传输指令即可，其中命令中包含id号，所有风速传感器可以同时接收到此命令，各个风速传感器检查命令中的id号码与自身的id号码是否一致，若不一致，则忽略，不做任何处理。否则，根据命令中的信息回传风速传感器的数据至无线窄带自组网采集端。因此，为了获取所有风速传感器的数据，中控芯片需要依次下发指令获取对应风速传感器的数据。具体流程如下：步骤1：数据采集器发送获取第一传感器设备数据的指令；步骤2：第一传感器回传数据给数据采集器；步骤3：数据采集器发送获取第二传感器设备数据的指令；步骤4：第二传感器回传数据给数据采集器；以此类推。
24.无线窄带自组网采集端采集到的数据通过无线窄带自组网分发到各个无线窄带自组网接收端。无线窄带自组网采用分层体系，通过物理层、网络层、业务层构成了无线窄带自组网信息传输系统，通过提供数据传输、信道接入、选路功能来完成端到端的数据传送。所述业务层主要完成数据传输功能。所述网络层在所有节点设备中实现，完成节点接入、频率和时隙调度、干扰避免、丢包率统计、路由选路以及休眠功能。物理层最终形成两种子帧：控制子帧和数据子帧。控制子帧用于发送网络接入控制消息、网络配置消息和调度消息，数据子帧用于发送业务数据。数据子帧又可分为广播数据子帧和点对点数据子帧，广播数据子帧主要发送广播业务数据，其大小可根据具体的广播业务量进行动态调整，点对点
数据子帧主要发送点对点业务数据。物理层在所有节点设备中实现，主要完成透明传输、信噪比测量功能。透明传输用来传输控制子帧和数据子帧，控制子帧固定使用卷积（1/2）加pi/4dqpsk和扩频调制，接收端完成信噪比测量功能。
25.无线窄带自组网接收端接收到数据后通过蓝牙传输给配对的手持的智能终端。手持的智能终端上的app通过连接蓝牙设备周期性地接收到雪上项目风场的数据，对于接收到的赛道风数据，根据蓝牙数据协议对数据进行解析和校验，获取3~15个风速传感器所在位置处的风速和风向数据，把通过数据处理和计算得到的风速传感器所在位置的风速、风向、风指数以及综合风指数数据，以文件方式和数据库方式进行存储并在智能终端进行展示。
26.如图3，图4所示，下面以冬季两项场地测风系统布设详细描述本发明：1）根据场地特性和队伍需求，定制赛道测风方案。针对冬季两项训练场地，根据教练员多年的执教经验，确定了距离运动员射击区5m和35m，垂直距射击区地面0.25m为对运动员射击成绩影响最大的位置。最终在5个关键位置布置风速传感器，并编号为一，二，三，四，五。
27.2）使用连接电缆将5个风速传感器连接至无线窄带自组网采集端。
28.3）将无线窄带自组网采集端接通电源。
29.4）使用定制的手机app，通过蓝牙连接无线窄带自组网采集端设置参数：工作频率设置为435mhz，接通风速传感器个数设置为5，风速传感器编号设置为一，二，三，四，五。若无线窄带自组网采集端信号灯正常闪烁，证明无线窄带自组网采集端可以正常采集、分发数据。
30.5）打开无线窄带自组网接收端电源开关，通过手机app和蓝牙设置其工作频率为435mhz。若无线窄带自组网接收端信号灯正常闪烁，证明其可正常接收数据。
31.6）打开手机的冬季两项项目定制app，通过蓝牙连接无线窄带自组网接收端，若风场数据正常显示则说明整个系统正常工作。教练员可根据需要选择不同的可视化手段：常规数值显示和如图5所示的风场渲染图，方便运动员进行校枪，并对不同风速条件形成更精细的体感。数据同步后台存储为txt文件，教练员可根据后台记录分析运动员训练结果，在校枪、射击途中调整等环节进行针对性指导。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。