张东徽，仇飞云，周洪敏

(金陵科技学院 公共基部体育教研室，江苏 南京 211169)

基于物联网技术的定向运动教学与训练研究

张东徽，仇飞云，周洪敏

(金陵科技学院 公共基部体育教研室，江苏 南京 211169)

以定向运动教学和训练组织、竞赛管理为研究对象，搭建基于物联网技术的竞训平台，该系统通过RFID技术，借助定位器、标识卡及读写器等终端设备，能够动态定位运动场上人员和器材的分布状况和运动轨迹，实现多种定向运动竞训元素的合理匹配，节约竞训时间和成本，对校园定向运动教学和训练的科学化、比赛的管理具有积极的促进作用。

物联网；RFID；定向运动；定位；轨迹

定向运动作为一种新兴的户外体育运动，其体育教育价值很高，它不仅能够强健体魄，而且还可以培养学生独立思考、克服困难等意志品质和个人能力。是一项非常有利于健康的智慧型体育项目，其独特的趣味性和新奇性容易激发学生的上课热情。在大学体育课程建设中的影响力也越来越大，大大地促进了高校体育课程的多元化发展。但是定向运动在大学校园的推广和普及还面临着诸多问题，因为定向运动的教学与竞训特点十分特殊，从空间上看，定向运动的场地较复杂，它可以遍布校园的任何一个地方，不再拘泥于某一体育场地。从时间上说，前期的布点和器材的准备，课后器材的归整和成绩的统计等，工作量繁冗。体育教师和管理人员组织和管理的难度非常大：1)场地相对复杂和广阔，场上人员无规则分散在各处；2)器材设备本身价格昂贵，而且分布范围很广、很散。其管理的难度相比较于传统的课堂教学和普通校园体育比赛不可同日而语。因此，要拓展定向运动，如何有效实现定向运动教学、竞训工作的科学化和高效化的问题亟待解决。伴随着物联网时代的到来及其技术的日臻完善，它的高科技化组织管理模式将帮助找到理想的突破口。

物联网是当代世界信息技术革命前沿的一种技术模式，它是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。在大学体育教育网络化、信息化发展的今天，，利用物联网技术构建一个开放、高效以及适应定向运动教学和竞训特点的运行体系将具有广泛的应用前景。

1 设计思想

1.1 RFID技术介绍

射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification Technology)是一种通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据非接触式的最新自动识别技术。一个最基本的RFID系统一般包括以下3个部份：1)标签(Tag)，即每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。2)阅读器(Reader)，即读取标签信息的设备。3)天线(Antenna)，即在标签和读取器间传递射频信号[2]。

这套系统的电子标签中保存有约定格式的电子数据如选手姓名、号码等信息。读写器可无接触地(识别距离根据需要调整射频信号)识读该选手事先录入的数据，可以精确地识别目标对象的适时状态，如图1所示。

图1 RFID系统原理图

1.2 工作原理

该系统主要是利用RFID无线通信技术将信息传输到采集服务器，并实现上层的各种应用，从而实现对选手或器材的身份识别、定位跟踪和轨迹查询等功能。系统终端主要包括低频定位器、RFID基站、RFID标识卡、采集系统。其中，读写器(定位器)采用主动式发送器，当标识卡进入此范围以后，能够接收到定位器连续发送的信号并识别。

1.3 系统架构

系统总体结构包涵以下4部分：Web上层应用系统、数据处理服务系统、前端数据采集系统、数据传输系统，如图2所示。Web上层应用系统通过软件平台采集数据，给教师和管理方以直观的效果显示，并实现各种数据如成绩报表统计管理。前端数据采集系统为RFID无线传输系统，主要由无线射频腕带标识卡、读写器、RFID基站、现场总线/局域网组成。其主要作用是以无线方式采集标识卡发送的目标位置数据和其他数据。数据传输系统主要由数据采集计算机、数据服务器和上传专线组成，主要作用是将采集的数据上传到数据中心进行存储处理。数据处理服务系统主要包括GIS系统、应用服务器、系统管理工作站等。其主要作用是对数据进行分析处理，并向上层应用系统提供各种数据服务。

图2 物联网定向运动系统架构图

1.4 系统设计方案

该系统通过在校园里教学楼、路口、或按校园定向图适合布点的位置根据实际需求布置定位器，实现人员定位，布设基站实现信号覆盖，课堂教学或给竞训时给选手配发电子标签，按自己实际需要实现对教学和竞训工作的科学化管理，如图3 所示。

图3 物联网系统校园定向运动设计方案图

2 系统评价

运用RFID技术，在竞训过程中，既可以对全场进行实时扫描和监控，随时可以精确定位选手的位置，一旦出现争议，也可以调取选手在既定时间内的行动轨迹，既能达到确保定向比赛的公正和公平，教练员也能观察到比赛过程中运动员的适时状态和比赛能力，同时也可以保存比赛的数据，如实际路线的选择，为将来的训练提供有力的训练依据。同样也大大提高了教师课堂教学的效率，同时也是教学评价的有力依据。

2.1 实时定位

相对于其他运动来说，定向运动的场地复杂和特殊，场上人员较为分散，管理和协调及其困难。一定程度上有发生意外的可能性，如摔倒无法行走。在野外比赛时还会发生迷路走失等未知因素。传统管理模式下，教师和管理人员只能被动地原地等待或是凭借经验和按照地图寻找。本系统可在电子地图上实时动态显示选手的位置，管理人员可动态掌握场上人员的数量和分布情况，随时可查看既定人员详细信息如年龄、编号、出发时间、实时位置等。如要在寻找某个选手的位置时，录入该选手的编号便可定位其所在的区域和活动状态、当前速度等。甚至可以根据需要开发增加实时心率、血压的感应模块。为竞训人员提供安全保障，为教师和工作人员的管理提供强有力的支撑。

2.2 轨迹查询

这套系统不仅可以记录所有选手到达检查点的精确时间，而且可以记录该选手的运动轨迹，到达每个检查点之间的间隔时间，并可按要求进行轨迹回放。定向运动是一项个人体验为主的运动，很大程度上限制了定向运动传播与推广。因为观众无法直观地看到选手的路线选择和比赛状态。但是，现代的物联网技术可以实现跟踪实时运动轨迹并将选手轨迹记录通过GPRS后发射到服务器，进而对比赛进行电视及互联网的同步播放。丹麦的TracT-rac公司已经多次为世界定向锦标赛(WOC)，Jukola，Tiomila，PWT等重大赛事提供赛事过程实时追踪服务。使得观众及定向爱好者可以有机会仔细学习优秀选手的定向技术和定向理念[3]。

完整的备案和记录运动员在比赛过程中的运动轨迹提高了比赛现场监督的科学性，同时也是裁判员执法的有力依据。此外，通过轨迹查询可进行更加科学直观的训练分析，有助于教练员和运动员对其技术的深度分析，可以有效地提高自身的技战术水平。定向运动路线的选择是十分复杂的过程，相同任务的地图路线，不同选手实际选择的路线可能会有所不同，即使是同一名选手在不同时期所选择的路线也可能会截然不同，这也使得教练员的赛后分析变得十分复杂。过去凭借记忆对照地图的训练方式已经跟不上时代的发展，尤其在一些地形相对复杂的场地问题显得尤为突出。

现代的物联网技术提供了一种全新思路，运用运动员实际选择的路线轨迹，通过软件进行分析处理，可以分析比赛中出现的不足。此外，对于定向教学也是一个良好的辅助，教师可以更加直观地了解学生的路线选择能力， 学生也可以通过运动轨迹地和地图上的路线进行比对并找出差距。因此，通过物联网技术不仅能使教学更为生动直观，还能大大提高教学效果。如图4所示，图中显示出场上每个选手的具体位置信息，深色路线为根据需要查询的277号选手的运动轨迹，方框内为此选手的具体信息。

图4 金陵科技学院校园定位轨迹查询图(截图)

2.3 定向教学与竞训器材管理

定向电子器材较昂贵，同时又散布在各个区域，管理起来较为困难。 因此，通过在器材嵌入射频标签，通过射频识别，可以实时跟踪和管理定向器材；管控其发放、使用和回收以及存贮等整个过程，对每件器材嵌入唯一的射频标签进行标识。另外，对读写器、热敏打印机、终端等相对昂贵的器材装上定位标签，并根据实际要求对其进行特殊区域设置，如果该器材被带出限制区域，系统即报警，管理者可根据实时定位，及时找回器材[4]。

此外，在实际的教学与训练工作中，提前布点和收点的过程也是一项繁冗的任务，一方面要耗费教师和教练员大量的时间来准备这项工作；另一方面，人工布点的误差也会给教学训练工作带来不便，还会经常造成器材的丢失。运用这套系统，日常的教学工作和训练将无需提前布点和悬挂点标旗，只需要在地图上标出既定的点就可以达到教学训练的目的，大大地提高了的工作效率。

2.4 场地调剂与管理

定向运动场地错综复杂，线路变化多端，在比赛和训练中，合理安排定向运动队伍的竞训时间和场地的管理是一个难题。但是通过物联网技术，这些原来的问题都将得到有效解决。管理人员在监控信息中可以观察到场地内所有竞训人员以及场地器材的使用情况，实时发布场地、器材以及场上人员的分布情况，管理人员、教练员和教师可根据场地的安排和使用情况及时做出调整。

相对于其他项目，定向比赛的时间耗时长，工作量庞大，如因为考虑到安全因素，现在的定向比赛规则是必须等到最后一名运动员到达终点时比赛才能结束。假设最后一名选手在中途迷路或已经错点、漏点的情况下，即使是无效成绩，所有工作人员都不得不等待其到达终点时才能终止比赛。这也造成定向比赛的效率低下和场地管理工作繁琐。通过动态追踪系统和实时监控定位就可以判断出场地内每名运动员的情况，管理人员能更加科学地控制比赛进程，大大地提高比赛效率和降低工作强度。同时也可以在第一时间处置突发性运动损伤和运动伤害事故。

表1分别为机械打孔式、电子计时式和物联网系统模式运用于定向运动中的主要功能对比，可以看出物联网管理模式巨大的优势。

表1 3种模式主要功能对比

主要功能机械打卡式电子计时式物联网模式计时成绩手动自动自动成绩有效性判定无法判断可判断可判断赛事组织管理手动录入信息化管理信息化管理实时定位不能不能可定位轨迹查询不能不能可查询布点过程提前布点提前布点无需布点打点过程卡钳打孔接触式感应射频识别

3 结论

物联网代表了当今信息技术革命的最前沿，也将全面渗透到体育领域，本文以物联网技术在定向运动中的应用为研究背景，讨论了物联网在定向运动中的系统体系结构，设计了应用于定向运动的物联网系统。有助于提高教练员、教师对于运动员或学生在训练和教学过程中的整体情况有较准确的掌握，能够对技术数据进行系统的统计和分析。不仅使赛后技术分析更具有科学性，训练计划的调整更具有客观性。而且也可以让教师在制定教学计划和教学方法的针对性方面有了系统性依据。

[1] 邵顺增.物联网应用及发展[J].硅谷，2010(4)：71-72.

[2] 于君，张雪英.物联网技术在现代军事中的应用与实践[J].电视技术，2011，35(23)：161-164.

[3] 程立.高校GPS定向运动的开展研究[J].成都体育学院学报，2013(8)：86-89.

[4] 韩佳岐，浅谈物联网时代下冬季运动项目的赛事管理[J].计算机光盘软件与应用，2013(10)：41-43.

[5] 谢浩.GPS技术在定向运动中运用的研究[J].浙江体育科学，2009(1)：61-63.

[6] 乔克满，王归然，孙卫.感知体育：物联网技术在体育领域的应用体系架构[J].武汉体育学院学报，2012，46(1)：72-75.

[7] 尚晓军.基于网格技术的CAVE定向运动训练系统的设计[J].实验室研究与探索，2008(5)：56-58.

[8] 王雅丽，侍崇艳.物联网时代的学校体育发展探论[J].南京体育学院学报：自然科学版，2010(2)：128-130.

责任编辑：时 雯

Research on Teaching and Training of Orienteering Based on Internet of Things

ZHANG Donghui，QIU Feiyun，ZHOU Hongmin

(JinlingInstituteofTechnology，Nanjing211169，China)

In this paper the orienteering teaching and training，contest management as the research object，to build training platform based on Internet of things.by the RFID technology， the locator， identification card and read-write terminal devices such as composition， distribution and movement by means of the dynamic positioning system can field personnel and equipment.Reasonable matching to achieve a variety of Orienteering Training elements，has a positive role in promoting the campus oriented scientific， transport the game teaching and training monitoring and management.

Internet of things；RFID；orienteering；positioning；trajectory

G807.4

A

10.16280/j.videoe.2015.18.004

2015-03-17

【本文献信息】张东徽，仇飞云，周洪敏.基于物联网技术的定向运动教学与训练研究[J].电视技术,2015，39(18).