教育部要求每年对所有在校大学生进行体质健康测试,体能素质对个人健康非常重要,同时体测成绩也是课程成绩的一部分。长跑作为体能测试的必测项目之一,通常要求体育老师使用秒表来进行人工掐表计时,根据人眼辨识运动员是否冲线来停止计时,从而得出比赛成绩。这种计时方法需要耗费大量精力,而且当多名学生在非常接近的时间内到达终点线时,老师很难精确地记录每位运动员的最终成绩。人工掐表方法受主观因素影响大,同时时间精度也不高,而且测试过程还需要老师时刻监督以防学生绕近道作弊,测试完成之后数据的手动录入也带来不小的工作量。因此需要一种能够代替传统的人工掐表的自动计时设备,来提高计时效率和准确度,这样既可以避免人为因素带来的测试误差,又可保证长跑测试的公平公正。在现有的自动计时技术中,主要有两类常见的径赛计时方法。一种是使用图像识别技术来实现自动计时。计算机通过对接收装置采集到的运动员冲线画面进行图像分析和处理,以此来给出最终长跑测试成绩。若要采集到高速运动中的运动员精准的冲线画面,就需要图像采集设备具有较高的灵敏度。同时,当多名运动员的冲线时间较为接近时,需要系统有较强的图像处理能力,这样就导致了基于图像识别技术的自动计时系统造价非常昂贵,因此这类设备通常应用于对精度要求高,同时资金较为充足的大型体育赛事,不适用于日常长跑测试。另外一类计时系统是采用红外线或者激光拉线的方式,根据在终点处红外线或激光的光束阻挡情况来进行判定。该方法利用了电子元件的光敏特性,运动员在冲线时遮挡了设备发出的光束,此时电路电阻特性发生改变,记录发生变化的时间从而实现自动计时。但这种方法不具备唯一性,即系统只能记录运动员们到达终点的时间,无法辨识运动员身份信息,而且在多人以微小差距同时冲线时,由于人体形状不规则,很容易出现误判情况。例如某一运动员在同一水平线高度的不同部位可能会被识别成不同的运动员,此时就需要人为进行干预,这种情况下计时效率就非常低。因此,针对大学体育考试长跑测试这类应用场景的使用需求,以上提到的两种日常生活中常见的径赛计时方法虽然都能实现较高精度的自动计时,但都有操作复杂、成本昂贵等问题,对于学校的日常长跑测试来说,不需要这么高的测试精度,同时也需要控制成本,所以应考虑其他的自动计时方法。本文设计了一套基于STM32和无线射频（RFID）的电子计时系统。该系统利用RFID阅读器作为信号源,根据无线射频感应标签的方法记录比赛成绩,使用STM32单片机来处理信号接收装置传来的数据以此实现计时。RFID是一种非接触式自动识别技术,可通过信号源发送无线电信号来识别目标物体。随着技术的不断革新,RFID产品的生产成本在不断降低,也使得其相关产品越来越多样化,在物流、供应链、仓储、安防等各个领域都有广泛应用。由于RFID可以通过无线电感应来实现目标识别,而且其体积小、成本低、识别速度快、可重复使用,因此非常适用于体测长跑测试这一实际应用场景,是一个精度与成本兼顾的好方案。RFID阅读器、应答器（电子标签）和应用软件这三部分组成了一套完整的RFID识别系统。RFID主要是通过阅读器发送一定频率的无线电信号来感应识别电子标签,当电子标签进入阅读器的识别范围后产生感应电流,感应电流可以对无源电子标签进行供电,同时标签里携带的有用信息也会返回阅读器进行后续的处理。本文所设计的自动计时系统硬件上主要由STM32主控制器、RFID识别模块、LCD液晶显示模块、蓝牙无线通信模块、红外避障模块、温湿度检测模块等组成,软件上使用C语言来进行程序编写,从而实现整个系统的设计与开发。系统的计时原理非常简单,RFID识别模块作为计时终端,当阅读器第一次检测到标签时开始计时,第二次检测到标签时停止计时,时间数据返回至主控制器进行计算,时间差即为本次长跑测试的成绩。主控制器作为系统的核心组成部件,需要与多个模块进行连接与数据传输,因此要求主控制器能同时支持多个接口,同时还应有强大的运算能力和稳定的操作系统,因此本设计选用了 STM32F103C8T6芯片来作为主控制器。RFID识别部分使用RC522射频模块进行刷卡操作来检测开始和结束的时间。RC522是一款低成本且体积小的高集成度读写卡芯片,可实现5cm距离的非接触式读卡,适用于本次长跑测试自动计时的使用场景。同时为了成绩查看更加直观方便,系统最好能在测试结束后实时地查看学生中长跑体能测试的成绩,即需要具备一个有基本显示功能的人机界面。由于显示屏要显示的内容都较为简单,同时也考虑到系统需要具有便携性,各模块体积以及功耗都不宜过大,故本设计选用轻便的LCD1602液晶显示屏作为显示模块,成绩可以在计时停止后在LCD显示屏上进行即时显示,同时测试成绩也可以通过蓝牙模块HC-06上传至手机移动端,方便学生在手机上进行查看。在完成了以上基础的体测计时功能之后,本设计还继续探索了其他方面的系统性能改进与完善方法。例如在系统加入了防作弊设计、环境温湿度检测功能和防碰撞算法。由于实际长跑体能测试通常在400米跑道上进行测试,这就需要运动员围绕操场进行多圈跑步。为提高成绩测试者可能会通过绕近路的方法来作弊,因此考虑在中途增加一个防作弊装置,测试者必须经过中途计时点才会有最终成绩,否则视为作弊、成绩无效。本系统中使用E18-D80NK-N红外检测作为中途防作弊装置。同时,系统还加入了环境温湿度检测模块。研究表明在长跑活动中,环境条件对运动员表现以及跑步成绩都有所影响,因此本系统采用DHT11数字温湿度传感器来进行环境温湿度监测,这样可以便于学生查看操场的实时天气状况,以此来判断是否适宜进行体测活动,当温湿度超过设定阈值时在手机上会有相应的提醒。同时,系统收集到的温湿度和在该环境下相应的长跑成绩信息也可以返回后台做进一步的数据分析和处理,例如可以根据收集到的信息进行深度学习、大数据分析来进一步研究环境气候对跑步的影响等这类课题。除此之外,考虑到多个标签可能同时到达阅读器识别区域而产生的标签碰撞问题,还在系统中加入了防冲撞设计。RFID系统主要采取两种防碰撞算法来解决标签的防碰撞问题,第一种是确定性防碰撞算法,这种算法比较复杂,工作效率低,识别过程中延迟比较明显;第二种是随机性防碰撞算法,它是一种概率性算法,包括纯Aloha算法、时隙Aloha算法、帧时隙Aloha算法、动态帧时隙Aloha算法等。通常使用系统吞吐量、数据包的平均延时或单位时间内的平均数据包交换数量等指标来评价系统防冲撞性能的好坏。本文根据长跑测试的实际场景,选用了帧时隙Aloha算法进行防冲撞设计,对不同标签的情况下不同帧长对系统吞吐量的影响进行了 Matlab仿真与分析,从而选定在实际长跑测试中能达到最佳防冲撞效果的帧长。本次设计的长跑计时系统时间数据精度明显优于手动计时,而且这个系统经济、简单、实用又安全,是一个既有一定精度又低成本的自动计时系统。与传统秒表计时相比有更高的数据精度的同时也节省了人力,与现有的高精度径赛计时仪器相比操作更简单,成本更低。如果投入学校的实际长跑测试中,既可以节省人力物力,又可提高测试效率,还可保障测试的公平公正。同时该系统除了可以用于学生体质测试长跑项目外,由于其操作简便,还可以供学生们日常训练自行使用。但该系统仍有许多可以改进的地方,例如使用此设备进行长跑测试时,需要根据RFID标签来进行身份识别,为了序号信息的唯一性,一个标签就只能对应一个人,因此标签的利用率较低,只能一次性被一个人所使用。所以后续可以考虑通过人脸识别来进行测试者身份识别,将人物信息与RFID标签信息进行绑定,在测试结束后立即释放标签序号,这样标签就可以重复使用,进而可以大大提高标签的有效利用率。另外本文仅通过蓝牙串口助手这一工具来上传测试信息至手机端显示,这种人机交互功能比较单一,后续可以增加通过访问微信小程序、访问网页、手机APP等其他方式更加方便地查询个人成绩。此外在最后的防冲撞设计模块,本文仅根据实际长跑测试的场景,直接采用了经典的帧时隙Aloha算法,虽然这种算法可以一定程度上提高系统吞吐量,解决标签的防冲撞问题,但由于其帧长值固定,当标签数有变化时需要手动修改帧长值来取得最好的防冲撞效果,所以后续可以考虑设计一个自适应防冲撞算法,可以根据不同标签数自动计算最优帧长值。