基于云平台的体育运动资源智慧化管理系统

张晓萍，卢三妹，王跃亭，余 鑫，李玮琪

(1.华南农业大学体育部,广东 广州 510642;2.华南农业大学电子工程学院,广东 广州 510642)

体育运动作为大学生强身健体的重要方式,承担着增强学生体质、塑造强健体魄的重要任务 。场地、器材等公共体育运动资源与大学生运动需求之间存在着复杂而又微妙的关系, 外来人员与学生场地、设施竞争;资源使用、分配不均;设施损坏、老化等问题亟待解决。针对体育运动设施自动化管理、器材与大学生使用的智能化、运动者的身份认证、运动信息管理的云平台化等问题,本文设计了一种基于云平台的体育运动资源智慧化管理系统,以提高体育运动资源管理的智慧化水平。

1 系统设计

体育运动资源智慧化管理系统主要由运动设施监控单元,身份认证单元以及运动信息管理云平台3部分组成,如图1所示。运动设施监控单元主要包括RFID电子标签、设备适配器(包括RFID读卡器、单片机系统、ZigBee节点、电量采集和继电器单元)、ZigBee网关等;身份认证单元主要包括场地、设施适配器二维码和移动智能终端等;运动信息管理云平台则主要包括云服务器和PC客户端。

2 运动设施监控单元

运动设施监控单元是体育运动资源智慧化管理系统中的设施、场地、器材等管理部分,主要实现体育运动资源的物联网化。ZigBee网关通电,提供ZigBee网络支撑;电源适配器内置ZigBee节点,通电后接入ZigBee网络内;RFID读卡器读取到设施、场地门锁等设备上的RFID电子标签后,开启设施并进行使用信息的采集。ZigBee节点定时将设备信息发送到ZigBee网关;当设备用电量持续低于设定的最低用电量阈值一定时间时,电源适配器断开继电器停止给对应设备供电,场地、设备、器材等门锁关闭,并进入RFID卡读写状态。

2.1 运动资源标识

本文选用台湾SYRIS的EM系列ID卡附着于设施表面,进行运动资源标识。ID卡是一种不可写入的感应卡,其内部唯一存储的数据是一个固定的标签标识符(UID)。UID 由标签制造商永久设置,符合 ISO/IEC DTR15693。ID卡读卡器采用Melexis的单芯片125Khz RFID收发器MLX90109。MLX90109具有一个外部电感与电容并联的谐振电路,用来决定载波频率与读卡器的晶振频率;MLX90109可以配置为芯片内部译码转换,译码后的信号可以通过单线接口与单片机进行通信,如图2所示。

2.2 电量采集

设备用电量采集采用单片功率计量芯片HLW8012实现。该芯片可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值。HLW8012 集成内置振荡器、参考电源,外围电路主要包括电流、电压的采样。电流信号是通过锰铜电阻(R7,2mΩ)对负载的电流进行采样,锰铜电阻一端负载连接,另一端与GND连接;电压信号是通过电阻网络(R9, R10, R11,R13)对交流电压进行分压采样,电路如图3所示。功率、电压、电流等数据通过CF引脚以脉冲的方式输出。CF脚输出的脉冲频率大小即表示有功功率值,CF输出的脉冲个数表示的是用电量的信息。光耦PS2501实现HLW8012CF脚与单片机IO之间的电平转换。

2.3 ZigBee传感器网络

ZigBee传感器网络由多个智能ZigBee节点组成,包括ZigBee终端节点和ZigBee协调器节点,采用网状网拓扑结构。无线通信模块采用TI公司的CC2530 作为核心器件,该器件结合了高性能的2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器。ZigBee网络相近2个节点间的通信距离为10～100m,满足运动场所、设施、器材之间通信距离的要求.

图1 体育运动资源智慧化管理系统示意图

图2 RFID读卡器接口

图3 电量采集电路图

本文采用TI公司CC2530 提供支持的免费ZigBee2006 协议栈软件,以ZStack(v2.20)版本中 GenericApp 例程为基础,以C语言为编程语言,在ZStack 通用模板的基础上,通过改动App程序来建立所需要的项目,程序中嵌入了实时操作系统,用于对网络组建、节点加入、数据收发等功能运行统一调度。

3 身份认证单元

身份认证单元是体育运动资源智慧化管理系统中的人员管理部分,主要实现人员的身份确认以及人员导流等问题。设备适配器外壳粘贴的二维码是具有唯一性的ZigBee节点MAC地址,用以标识设备适配器。身份认证单元客户端设计成微信小程序,其开发框架基于MINA框架。MINA框架的目标是通过尽可能简单、高效的方式让开发者可以在微信中开发具有原生App体验的服务。框架提供了自己的视图层描绘语言WXML和WXSS,以及基于JavaScript的逻辑层框架,并在视图层与逻辑层间提供了数据传输和事件系统,可以让开发者可以方便地聚焦于数据与逻辑上,其结构示意图如图4所示。

身份认证时,学生进入微信小程序页面后,选择身份认证功能,先启动二维码扫描功能扫描电源设备配器上的二维码。成功获得电源适配器MAC地址信息后,身份识别功能自动启动定位模块,获得当前学生经纬度信息。成功实现二维码扫描和手机定位后,身份认证功能将人员信息、设备电源适配器MAC地址信息和定位的经纬度信息打包,通过移动通信网络发送至云服务器。其中,手机定位通过两种途径获当前的位置信息,一种是 Android 系统自带的 GPS 定位技术;另一种是基于信号的定位,通过无线信号,连接附近的基站设施进行定位。系统将两种方式结合,提供用户根据当前的环境状况选择最优方案。

4 运动信息管理云平台

运动信息管理云平台是体育运动资源智慧化管理系统的信息汇集和处理核心单元,主要实现身份认证、使用记录存储和运动信息管理等功能。云服务端和云存储租用阿里云,将核心服务端应用及数据库封装到云,实现数据的持久化,通过网络通信可随时随地实现体育运动资源智慧化管理信息的处理。PC客户端采用B/S设计模式,实现对用户注册、资源监控信息和身份认证信息的访问和管理等。

图4 MINA框架结构示意图

服务器端的设计同样采用了MVC框架,使用LAMP架构进行开发,辅以ThinkPHP进行文档管理,提高代码使用、管理效率。视图层是面向体育运动资源管理者、教师以及学生的界面显示层,主要通过PHP文档实现, 并运用CSS层叠样式进行界面统一设计,规范布局,方便系统使用者的使用,同时能够更好地展示体育运动资源分布图。业务逻辑层中,应用控制器(核心控制器App类)和Action控制器都承担了控制器的角色;再接受PHP传送来的请求后,根据请求,Action控制器完成体育运动过程中各种操作业务过程的控制,而应用控制器负责调度控制。数据层是服务器端的核心,在本层中,将完成运动资源使用人员、运动器材、学生信息等一系列数据的操作。ThinkPHP内置抽象数据库访问层,将不同的数据库操作封装起来,并提供公共的Db类进行操作。当服务器接收浏览器的HTTP数据请求后,Db类会自动调用相应的数据库驱动来处理,将体育运动资源管理者、教师以及学生所需结果进行及时反馈。

服务器监听到网关的链接请求后,与ZigBee网关建立链接,并获得网关内ZigBee协调器的MAC地址,并以此地址确定所在场地的名称。服务器将运动设备监控模块传来的设备ID、设备用电量、ZigBee节点MAC地址、和网关ZigBee MAC地址、接收时间一起打包存储于云存储数据库中,主要解决哪个运动场馆,在哪间运动室,进行了哪项体育运动、什么时间开始运动,运动进行了多久等问题。

服务器将移动终端传来的手机号码、电源适配器二维码(也即zigbee节点MAC地址)和定位经纬度信息与接收时间一起打包存储于云存储数据库中,主要解决了谁,在什么时间,在哪里,使用了哪项体育资源等问题。通过电源适配器MAC地址,云服务器实现体育运动资源与大学生个体的关联。

5 结 语

本文以体育运动资源和使用过程中的信息化为着眼点,设计了一种基于云平台的体育运动资源智慧化管理系统。系统将运动资源的使用者与运动资源关联起来,实现了运动资源使用者的身份确认、运动信息自动记录等功能。资源使用数据被上传到云平台,可供体育资源管理、规划者实施了解体育场地、器材等设施的使用状态、使用频率等信息,供指导教师了解学生课余运动习惯等。解决了大学体育运动资源的分配不均、使用效果偏差等问题,具有较强的实用性。