（通信与信息系统专业论文）基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究.pdf

河海大学工学硕士论文 刑录 摘要 竞赛信息系统已经成为大型赛事系统的神经中枢，竞赛信息系统的准确可靠 关系到整个赛事的成败。根据体育综合赛事领域竞赛信息系统的现状，采用最新 的嵌入式理念，利用各种网络通信技术，实现竞赛信息采集的自动化、网络化， 完成竞赛信息快速采集、可靠传输，保证赛事的顺利进行，是竞赛信息系统研究 的关键问题。 本课题是结合国家体育总局体育信息中心委托的“第二届亚洲室内运动会 v r s 现场竞赛信息及计时记分系统的开发与实施”项目完成的。研究中提出一种 基于无线网络的竞赛信息数据采集系统设计方案，给出嵌入式无线前端数据采集 器设计，开发完成了数据采集系统的应用软件。完成在前端数据采集器中嵌入 u d p 通信程序，通过无线局域网与控制端以及数据服务器进行通信，利用浏览器 访问用于竞赛信息采集的w e b 页面，采集现场竞赛信息，经实时数据交换系统 r t d s 分发到现场成绩处理系统v r s ，将数据写入数据库服务器，并通过显示终端、 电视转播系统显示给观众，实现竞赛信息实时、可靠的采集与传输。该系统的设 计方案和数据采集系统的应用软件己实施应用于亚洲第二届室内运动会极限运 动项目现场竞赛信息系统。 该论文阐述了基于无线网络的竞赛信息系统的整体构建；介绍了基于嵌入式 技术的前端数据采集器设计，把嵌入式a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 应用于硬件设计中， 重点介绍中央管理模块和以v c m 3 2 3 6 a 为主体的无线网络模块；论述前端数据采集 器的软件设计，实现l i n u x 操作系统的嵌入和移植，完成了嵌入式图形用户界面 的移植；着重论述数据采集系统应用软件的开发，包括数据采集控制端软件、数 据采集客户端软件和w e b 服务器应用程序；最后分析和讨论了系统调试、实施过 程中遇到的问题，并提出进一步开发设想。 关键词：竞赛信息、无线网络、嵌入式、a 蹦、l i n u x 、h i c r o w i n d o w s 、w e b 服务 器 a b s t r a c t c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e mh a sb e c o m en e l - v o l 盥c e n t e ro fg a m e s ，i t s a c c u r a c ya n de v i d e n c ei sr e l a t e dt ot h es u c c e s so rf a i l u r eo fg a m e s a c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o na n dt r e n di nt h er e a l mo fs p o r t s ，a d o p t i n ge m b e d d e di d e aa n dn e wn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l i z i n ga u t o m a t i o n , i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k i n go ft h e c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g i nt h e c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e ma n d e n s u r i n gr a p i da n dd e p e n d a b l et r a n s m i s s i o no fc o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o nh a sb e e n b e c o m i n gt h em a i nt r e n do f c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n sad a t ac o l l e c t i o ns u b s y s t e mb a s e d0 nw i r e l e s sn e t w o r ka n d e m b e d d e dt e c h n o l o g yw h i c hu s e di nc o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m a tt h es a m e t i m e ，t h i sr e s o l u t i o ni sc o m b i n e dw i t ht h et h es t a t eg e n e r a ls p o r t sa d m i n i s t r a t i o n s n e wp r o j e c tw h i c hn a m e d 勰t h ec o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e mo ft h es e c o n da s i a n i n d o o rg a m e s t h i sp a p e rd e s i g n st h ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a la n dt h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r e ，a n de m b e d d e da nu d pc o m m u n i c a t i o np r o g r a mi n t ot h ed a t ac o l l e c t i o n t e r m i n a l t h e nc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o n t r o ls i d ea n dd a t as a v e rb yw l a n a n d v i s i tt h ew e bp a g eb yt h eb r o w s e r n e x ts a v et h ei n f o r m a t i o nt od a t as e r v e ra n ds h o w t h er e s u l tt op e o p l eb yl e da n dt v qi tc a nr e a l i z ed a mc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n r a p i d l ya n dd e p e n d a b l y t h i ss o l u t i o nh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di ne x t r e m es p o r t so f t h es e c o n da s i a ni n d o o rg a m e si nm a c a u t h ep a p e re l a b o r a t e st h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dc o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o n s y s t e mb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k i t t a k e st h ed a t ac o l l e c t i n gt e r m i n a la st h er e s e a r c h o b j e c ta n da p p l i e sa r mp r o c e s s o rt ot h eh a r d w a r ed e s i g n d e s i g n i n gt h er e a l i z a t i o n o fc e n t r a lm a n a g e m e n ta n dn e t w o r ki n t e r f a c em o d u l e ，c o m p o s i n gw l a nm o d u l e w i t i lw m 3 2 3 6 aw i r e l e s sm o d u l e ；i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ed a t a c o l l e c t i n gt e r m i n a l ，t r a n s p l a n t i n gl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt oa r mp r o c e s s o r , f i n i s h t r a n s p l a n t i n gt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c et ol i n u x d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo f t h ed a t ac o l l e c t i n gt e r m i n a la n dw e ba p p l i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h ep a p e r d i s c u s s e st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s so fs y s t e md e b u g g i n g ，a n dp r o p o s e s t h ep l a no f f u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：c o m p e t i t i v e i n f o r m a t i o n ,w l a n ， e m b e d d e d ,a r v l ，l i n u x , m i c r o w i n d o w s ，w e bs e r v e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 虹 矿肛夕月拥 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者c 签名，：虹y 哆年，月矛日 河海大学工学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着2 0 0 8 北京奥运会的临近，体育运动也越来越吸引国人的目光。要办好一项大型 体育赛事，其核心是就是信息系统的构建。现场监控、图像传播整理、运动员注册、比赛 计分、现场成绩处理和综合成绩处理等都要依靠竞赛信息系统的运行。现在的大型运动会 不仅给运动员提供一个平台，让他们最大限度发挥自己的体能，而且还承载着很多功能， 包括政治功能、经济功能、社会功能和文化功能。一个综合性体育运动会主要呈现出规模 大、动员政府和全社会力量做事、筹备工作耗时长和影响大等特点，这需要建立一个庞大 的系统工程，竞赛信息系统要与每个部门、每位工作人员和运动员联系，为他们提供竞赛 服务、新闻媒体服务、组织指挥服务和观众公众服务，因此竞赛信息系统的科学含量和技 术含量关系到整个赛事的成败。 1 9 8 4 年洛杉矶奥运会，首次采用竞赛信息系统，完成对赛事的组织编排、数据处理、 资料存储、报表打印等工作，开创了电子信息技术服务应用于奥运会的先河。此后，信息 系统和通信系统的应用成为国际奥委会对奥运会举办国的规定要求，计算机信息系统成为 奥运会这一庞然大物的强壮神经中枢【l 】。 随着计算机技术、通信技术以及嵌入式技术的发展，人们对竞赛信息系统的及时性、 准确性、稳定性等要求也越来越高。研制开发一套系统，能够充分利用计算机网络的高速、 准确的特点，对大型综合性运动会竞赛信息进行处理，向现场观众提高及时的成绩信息， 对外提供查询等，能够提高大型综合运动会竞赛信息的透明度和社会影响力，大幅度提高 运动会的管理服务效率，避免人为因素造成的竞赛信息的失误，提高赛事的观赏性，同时， 通过它的应用，还可以建立赛会运动员人才档案、运动会数据库等，对于体育事业的发展 具有重要价值。 目前，大型运动会竞赛信息系统中，竞赛信息的采集依然以手工记录为主，这种情况 在评分类项目中尤为突出，技术人员需要把手工评分记录的数据输入计算机后进行处理， 这样不仅增加了技术人员的额外工作量，延缓了比赛结果统计显示的时间，同时由于大量 数据的录入，导致手工操作失误率很大。而成绩数据采集是整个竞赛信息系统的重要数据 来源之一，因此，应用计算机及网络技术开发前端数据采集器，可以解决由于手工操作带 来的误差和避免重复工作，减少技术人员的工作量，提高竞赛信息测报水平，为比赛信息 l 河海大学工学硕士论文 基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究 提供及时而准确的数据，实现竞赛信息系统的自动化、智能化 2 1 。可以说，本课题具有重 要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 随着社会的进步与发展，观众对体育比赛的观赏性的要求也越来越高，高科技已经越 来越融入体育运动中。目前，世界上各个单独的竞赛项目，大多都有比较完善的竞赛信息 系统，可以在本项目比赛时提供很好的竞赛管理和竞赛信息技术服务，满足各方面受众的 需求。但作为综合性的运动会，却仍然没有一个很好的竞赛信息系统，可以同时为所有竞 赛项目提供完善的竞赛管理和信息技术服务。 国外，在1 9 9 6 年前的国际奥委会，就一直没有自己的系统，每次都是依靠承办国研 制的系统提供服务。因此，每次拿出来的都是一个全新的系统，这样的系统非但不能很好 地继承上一届系统的经验和优点，反而经常是错误不断，有时还危及运动会的正常进行。 直到1 9 9 6 年美国亚特兰大奥运会，由i b m 公司研制的大会竞赛信息系统在开幕当天网站 却崩溃了，在经历了这次的教训后，国际奥委会与源讯公司合作开发了一套新的竞赛信息 系统，并在2 0 0 0 年悉尼奥运会上首次使用，基本完成了任务 3 1 。目前，这套系统已经经 历了多次夏季以及冬季奥运会的测试，效果不错。 目前，国内的大型运动会的竞赛信息系统主要由国家体育总局体育信息中心承担。所 属的北京奥实体育计时服务有限公司长期以来致力于体育比赛计时记分服务、体育领域计 算机应用和大型综合性运动会电子信息系统集成等方面的工作，拥有比较丰富的经验，开 发的竞赛信息系统已经服务多项全国及亚洲各大型赛事。 1 3 课题来源及主要内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家体育总局体育信息中心委托的“第二届亚洲室内运动会v r s 现场竞 赛信息及计时记分系统开发与实施”项目，该项目是为2 0 0 7 年1 0 月在澳门举行的第二届 亚洲室内运动会提供赛事管理和信息技术服务的。 1 3 2 主要研究内容 竞赛信息系统根据各个项目的不同，其组成也稍有差别，本课题将以极限运动项目竞 赛信息系统为例，本项目竞赛信息系统可以划分为以下几个子系统： 1 现场成绩处理系统( v r s ) 现场成绩处理系统与竞赛全过程同步，首先对抽签、编排的结果进行处理，生成总秩序 2 河海大学工学硕士论文第一章绪论 册。运动员上场前，打印出秩序单，然后录入成绩，打印出成绩单，统计名次，进行自动晋级， 编出下一轮的比赛秩序单，并在各种表单生成后的几秒钟内向数据中心上传各种表单，数 据中心确认后向官方网站等发布信息。 2 实时数据交换系统( r t d s ) 实时数据交换系统是比赛现场的核心系统之一，比赛开始前，r t d s 需要将现场成绩 处理系统生成的竞赛日程、秩序单等分发到各子系统，比赛进行中，r t d s 不断监控成绩 信息采集系统发送来的成绩信息，当接收到成绩数据后，传送到现场成绩处理系统进行成 绩统计。 3 数据采集系统 数据采集系统是竞赛信息系统中成绩数据的来源，是现代运动会竞赛信息系统的核 心，需要实时、准确地采集比赛的成绩。由于体育比赛的特殊性，不可能因为数据没采集 到而让运动员重新比赛，因此，数据采集系统必须具有高可靠性和高稳定性。 4 现场显示系统 现场显示系统根据各项目的特点，有些场馆有l e d 大屏，有些项目采用等离子显示屏， 现场显示系统与数据采集系统、成绩处理系统等有机结合，实时地将运动员出场信息、成 绩信息等及时的公布出来，有利于调动现场观众的热情，提高比赛的观赏性，同时也增加 了比赛的透明度。 5 电视转播系统 一项大型的运动会，能到现场观看比赛的观众毕竟是少数，大多数观众还是通过电视 这一媒体来瞩目、欣赏体育盛会，因此，电视转播的好坏也体现了竞赛信息系统的成败， 电视转播系统由现场的摄像机和场馆外的电视转播车组成，实时数据交换系统在比赛的各 个阶段向电视转播系统提供实时数据。 本课题将着重对数据采集系统展开研究。 数据采集系统包括嵌入式无线数据采集器和数据采集控制端。嵌入式数据采集器主要 由键盘输入模块、中央管理控制模块、无线网络接入模块、l c d 显示模块等组成。系统采 用a r m 微处理器和嵌入式操作系统l i n u x ，通过无线局域网实现成绩数据的无线传输。 本课题的研究内容主要包括： ( 1 ) 竞赛信息的采集 介绍运动项目的分类、竞赛信息采集的方式、各种信息采集的方式可能引起的误差以 及误差的解决方法。 3 河海大学工学硕士论文 基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究 ( 2 ) 竞赛信息系统的网络结构 竞赛信息系统的高可靠性对竞赛信息系统的网络结构提出了商的要求，系统网络结构 分为基础骨干网、城域网、场馆网络三大部分，基础骨干网以专用宽带虚拟网( 肝l s v p n 网络) 、2 m 数字电路网( s d h 网络) 和公共宽带网( i n t e r n e t 网络) 为核心，以数据中心 为核心向其他场馆辐射，组成运动会整个基础骨干网络系统。 ( 3 ) 竞赛信息系统中嵌入式技术的应用 嵌入式技术的应用越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 在嵌入式技术的应用开发中，嵌入式实时操作系统能够支持多任务，使得程序开发更加容 易，维护更加方便，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。这己逐渐成为嵌入式技术开发 的一个发展方向。 ( 4 ) 嵌入式前端数据采集器的设计 了解系统需求和嵌入式系统的发展与现状，选择了合适的硬件和软件平台，设计制作 硬件系统，包括c p u 的选择及外围模块的设计，并编写了嵌入式数据采集器的软件。 ( 5 ) 移植l i n u x 和m i c r o w i n d o w s 到系统 因开放源代码，运行l i n u x 和m i c r o w i n d o w s 操作系统没有技术支持，需要一个移植 的过程。在移植l i n u x 到系统的过程中。各种设备的驱动程序设计是一个最关键的过程。 m i c r o i n d o 霄s 可移植性强，完全支持l i n u x 。 ( 6 ) 应用程序设计 设计应用程序总体框架，选取了合适的通信协议，分析了应用软件的结构，设计了数 据采集系统客户端和控制端应用软件的具体模块，完成w e b 应用程序的设计，并对软件可 靠性进行了分析。 4 河海大学工学硕士论文第二章基于无线网络的竞赛信息系统设计 第二章基于无线网络的竞赛信息系统总体设计 2 1 竞赛信息系统设计原则 在设计竞赛信息系统时，为了保证整个系统的响应速度，达到最佳的设计效果，保证 各子系统间的配合，应遵循以下原则进行设计： 1 统一平台 网络的互联及互通关键是对相同标准的遵循，要实现网络业务能融合到一个平台，实 现数据、语音、视频业务的融合，就必须统一标准。从开放性、发展性、成熟性等方面来 看，只有i p 技术才能成为统一平台网络构建的标1 佳e 4 3 。在具体实施中，必须统一规划i p 地址及各种应用，采用开放的技术及国际标准，如路由协议、安全标准、接入标准和网络 管理平台等，才能保证实现网络的统一，并确保网络的可扩展性。 2 高可靠性 系统整体设计必须考虑到高度的安全可靠性，尤其是对于体育竞赛的计时记分、成绩 处理、信息发布等系统必须做到万无一失；通讯线路、关键设备必须具有备份措施。在网 络设计中选用高可靠性网络产品，设备充分考虑冗余和容错能力，同时合理设计网络架构， 制订可靠的网络备份策略，保证网络具有故障自愈的能力。 3 先进性 竞赛信息系统的建设要具有国际先进水平，采用世界上最先进的信息网络技术、应用 开发技术( 如多媒体应用技术) ，采用符合国际标准的网络建设方案。 4 实用性 竞赛信息系统的建设能够真正为运动会的运作和顺利进行提供可靠、高效的服务的同 时，设备的选型以。满足最低要求”为原则，为系统提供最佳的性价比。 5 高性能 竞赛信息系统中骨干网络性能是整个网络良好运行的基础，设计中必须保障网络及设 备的高吞吐能力，保证信息( 数据、语音、图像) 的高质量传输。 6 可管理性 对网络实行集中监测、分权管理，并统一分配带宽资源。选用先进的网络管理平台， 具有对设备、端口等的管理、流量统计分析及可提供故障自动报警。 河海大学工学硕士论文基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究 7 可扩展性 这是针对竞赛信息系统的网络技术发展特点提出的，即如何在信息网络技术更新换代 周期很短的情况下，信息网络的基本设备能较容易地升级、扩展。 8 安全性 必须制订统一的网络安全策略，整体考虑网络平台的安全性。 2 2 竞赛信息系统结构设计 本课题以第二届亚洲室内运动会的极限运动项目为例，本项目竞赛信息系统的结构如 图2 1 所示，极限运动是一项评分项目，每个裁判员通过对场上运动员的表现进行评判， 并给出一个分数，成绩处理系统在接收到所有裁判的评分后，去掉所有分数中的最高分和 最低分，取平均作为运动员的最终成绩。因此，在极限运动项目中需要采集的信息就是每 个裁判的评分。 图2 1 竞赛信息系统总体结构设计图 比赛开始前，数据中心将报名报项等基础数据按照项目分别建立网络数据库，各项目 工作人员通过竞赛专网从数据中心下载数据到场馆数据库服务器，v r s ( 现场成绩处理系 统) 从数据库服务器读写基础数据，进行赛事编排，并将编排好的数据存储在数据库服务 器中，r t d s ( 实时数据交换系统) 按照各系统接口协议生成编捧文件通过网络磁盘文件共 享的形式进行分发，数据采集控制端接收到编排文件后，将数据存储到本地a c c e s s 数据 6 河海大学工学硕士论文 第二章基于无线同络的竞妻信息系统设计 库，比赛中按照编排好的顺序向数据采集器发送场上运动员基础信息；现场显示系统接收 到编排文件后，在现场显示终端显示出场运动员的信息；电视转播系统接收到编排文件后， 生成电视转播字幕。每个运动员表演结束后，裁判员通过数据采集器提交成绩信息给数据 采集控制端，成绩信息经过主裁判确认后经r t d s 分发到各系统，v r s 在接收到成绩信息 后，将数据写入数据库服务器，现场显示系统接收到信息后，通过显示终端显示给现场观 众，电视转播系统接收后用于电视转播。比赛结束后，v r s 对成绩进行处理，生成成绩公 告、名次公告等，再通过r t d s 分发给各子系统。 图中虚线部分为本课题主要研究内容。其中前端数据采集器为主要研究对象。前端数 据采集器是一个竞赛现场信息采集设备，通过一个u d p 无线网络通信程序与数据采集控制 端进行通信，数据采集控制端同时还是一个w e b 服务器，信息的交互通过w e b 应用程序实 现。数据采集器主控c p u 采用基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，运行l i n u x 操作系统， 采用m i c r o w i n d o w s 图形用户界面，并进行与w i n 3 2a p i 类似的m i c r o w i n d o w sa p i 编程， 同时利用w i _ 1 3 2 3 6 a 无线网络模块，通过无线局域网实现无线网络数据的传输。 2 3 竞赛信息的采集 2 3 1 竞赛信息采集的方式 竞赛信息采集方式根据项目种类的不同分为计时、评分以及对抗等。 计时类项目如游泳、田径的径赛等，计时类项目是所有运动员完成同一任务，时间越 少的成绩越好，成绩采集是通过专用的计时计分设备完成的，目前奥运会上都是采用欧米 茄公司的设备，可以精确到千分之一。 评分类项目如体操、健美操、体育舞蹈、极限运动等，这类项目通过裁判员评分，裁 判员在评分表上评分，最后经人工统计，计算出运动员的最终成绩和名次，近年来针对某 些项目也推出了专用的评分器采集成绩信息。 对抗类项目如球类、棋类等，这类项目的成绩一般都是比分形式，参赛者为两方，采 取交锋的形式，以身相交或以物相交f 5 j ，比赛成绩或胜或负，有的还有平局。 2 3 2 竞赛信息采集的误差 计时类项目由于采用专用的计时计分设备采集成绩信息，因此计时类项目的误差主要 来自计时计分设备的精确度，如游泳设备的传感器精度、径赛终点摄像判读系统的精度等。 目前国内大型赛事及国际性赛事使用的设备的精度已经能精确到千分之一的精度。 7 河海大学工学硕士论文 基于无线罔络的嵌入式竞赛信息系统研究 评分类项目的成绩由裁判员根据运动员的表现做出评判，虽然在比赛中原则上要求裁 判员按照竞赛规则的尺度，对同一个运动员的评分应该是一致的，但由于裁判员在评分过 程中受到许多主客观因素的影响，其评分结果会出现不同程度的差异，但即使是微小的差 异也会影响到运动员的最后成绩。主观因素主要包括：裁判员的心理形式、裁判员的心理 定势、裁判员的性格类型、裁判员当时的情绪状态以及裁判员的动机需要等。客观因素主 要包括：运动员的动作技术完成情况、动作的编排、音乐的选择、运动员的整体形象和精 神面貌、现场观众及赛场的气氛、裁判员之间的从众行为、裁判员是否受权威人士的暗示 以及运动员的出场顺序等【6 】。另外评分类项目采用人工计分、人工计算的方式也难免会导 致计算失误，使信息采集出现较大误差。 对抗类项目的成绩只有三种情况，胜、负、平局，一般结果比较明显，误差主要来自 裁判员的有意识的偏袒或者失误等。 2 3 2 信息采集误差的解决方法 计时类项目的误差主要是通过不断提高计时计分设备的精度来减小，在专用计时计分 设备出现前，一般是通过手动掐表方式来计时的，这种方式在两人几乎同时到达终点的情 况下就无法做出准确的判断，采用计时计分设备后，计时精度能达到干分之一，经过多次 实践，已经不会出现由于误差而导致误判的情况。 在上一节中提到，评分类项目的误差产生原因有主客观因素以及人工失误等。对于人 工失误导致的误差，可以采用利用计算机技术开发现代化的竞赛信息系统，实现竞赛信息 采集的自动化，减少人工接触数据的机会等来实现。对于客观因素造成的误差，运动员要 制造一个良好的现场气氛，同时应用竞赛信息系统进行合理编捧，减少人工编排的影响， 实现一个公平公正的竞赛环境。对于主观因素造成的误差主要是裁判员的印象分等，在运 动员水平相近、竞争激烈的情况下，某些裁判员的0 。1 0 甚至0 0 5 分的评分之差，就会出 现金牌得与失两种迥然不同的结果，产生。分配成功”而不是。竞赛成功”的现象【刀。为 了确保评定结果的客观性和公正性，各国际单项联合会都采取了相应的措施，如不断完善 评分方法，设立裁判员监控组，对裁判进行奖惩制度等方式来监测裁判员评分，开发计算 机应用软件来对裁判员的评分进行实时监控。这些手段从评定结果上解决了主观评定的问 题。 本课题所研究的极限运动项目的评分通过计算机软件监控裁判员评分和采用完善的 评分方法来保证评分的公正性。具体的评分方法为：从5 个裁判员中去掉最高分和最低分， 计算中间3 个裁判的平均分，并将5 个裁判员的评分与平均分比较，其差值都不能超过5 g 河海大学工学硕士论文 第二章基于无线网络的竞赛信息系统设计 分，主裁判通过评分控制系统监控裁判的评分结果，如果超过这个差值，则需要重新评分。 即每个运动员的最终得分满足： ， 咒一m i n x i m a x x f s = 旦- l ( 1 ) j l j f 。一s i 5 ( 2 ) 采用这种评分方法的数学依据是满足正态分布中的去尾平均数和离差的概念。正态分 布，即高斯分布。对于随机变量x ，其概率密度函数如图2 2 所示。称箕分布为高斯分布 或正态分布，记为n ( i l ，盯2 ) ，其中为分布的参数，分别为高斯分布的期望和方差。当 有确定值时，p ( x ) 也就确定了，特别当l i ：o ，仃2 = 1 时，x 的分布为标准正态分布 8 1 。正 态分布最早由棣莫佛于1 7 3 0 年在求二项分布的渐近公式时得到；后拉普拉斯于1 8 1 2 年研 究极限定理时也被引入；高斯 ( g a u s s ) 则于1 8 0 9 年在研究 误差理论时也导出了它。高斯 分布的函数图象是一条位于x 轴上方呈钟形的曲线，称为高 斯曲线。去尾平均数和离差分 别借鉴了正态分布中期望和方 差的性质。去尾平均数计算出 的是一组数的期望值，离差平 方的平均值即为方差。 离冀捌r 前蛹奠霉【碍豫圈 ，( 。) 。1 三一，与笋留 ，“) 4 高。( 4 离l 街q 陷式 图2 2 正态分布频率示意图 去尾平均数的优点是保留了平均数与一组数据中的每个数据均有关系，任何数据的变 动都会相应引起平均数变动的集中趋势代表性显著的特色，同时吸取了中位数、众数能够 排除个别异常数据变动较大所带来的影响的处理极端数据的思想，防止个别思想品质不高 的裁判给人情分、金钱分。使绝大多数的评判成绩更加真实可靠。 数值型数据围绕其平均值分布的分数与集中程度，称为数据的离差或者变差。本次比 赛规定离差x 一工5 ，通过观察离差的大小，可以判定裁判评判成绩是否合理，进而采取 相应的措施，使运动员的得分更加合理。 河海大学工学硕士论文基于无线罔络的嵌入式竞赛信息系统研究 2 4 竞赛信息系统的网络结构 2 4 1 无线网络技术 无线网络的起源可以追溯到第二次世界大战，当时美军陆军使用无线信号来传送资 科，而这种无线信号的传递是通过可靠性非常高的加密技术而实现的。1 9 7 1 年，夏威夷大 学开发了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络a l o h n e t ，这就是最早的无线局域网络 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，i l a n ) 。经过二十多年的发展，现代的w l a n 已经相当普 及。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网是利用射频 ( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术，利用电磁波在空气中发送和接受数据，在不采用传统电 缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设旌不需要再埋在地下或 隐藏在墙里，网络却能够随着实际需要移动或变化。之所以还称其是局域网，是因为会受 到无线连接设备与电脑之间距离的远近限制而影响传输范围，所以必须要在区域范围之内 才可以连上网路。w l a n 的数据传输速率现在已经能够达n 1 1 m b p s ( 8 0 2 1 l b ) ，最高速率可 达5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a ) ，传输距离可远至2 0 k r o n a 上n 。 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是对有线局域网的补充和扩展，使网上的 计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。它是在 有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线 通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介质。只是无线局域网采用 的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线电波，且以后者使用居多。 与有线网络相比，w l a n 具有以下优点【嘲： ( 1 ) 安装便捷：一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是 网络布线的施工了。在旆工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优势就 是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要安放一个或多个接入点 ( a c c e s sp o i n t ) 设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 ( 2 ) 使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而 一旦w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通讯。 ( 3 ) 经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能地考虑 未来的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展 超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造w l n 则可以避免或减少以上 1 0 河海大学工学硕士论文第二章基于无线网络的竞赛信息系统设计 情况的发生。 ( 4 ) 易于扩展：l l a n 有多种配置方式，能够根据实际需要灵活选择。这样，w l a n 能 够胜任只有几个用户的小型局域网，也能用于上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫 游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 由于w l a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，无线局域网技术已迅 速发展成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在飞速扩大。随着 i e e e 8 0 2 i i 无线局域网标准的制定成功，无线技术已摆脱了过去那种互不兼容的状态，无 线局域网解决方案已经开始成为商务客户宽带网络连接的一种解决方案。 1 无线局域网的网络拓扑和组成 ( 1 ) 无线局域网的网络拓扑 无线局域网的拓扑结构【1 1 】可归结为两类：a d - h o c ( 点对点) 模式和i n f r a s t r u c t u r e ( 基 础结构) 模式。在a d - h o c 模式中，各无线站点之间可以直接通信而不需要使用接入点 ( a c c e s sp o i n t ，a p ) ，如图2 3 所示。在i n f r a s t r u c t u r e 模式中，各无线站点之间要通过 一个或多个接入点a p 来实现通信，如图2 4 所示，其中接入点a p 可以扮演中继器的角色扩 展无线局域网的工作范围。 图2 3a d - h o c 模式w l a n图2 4i n f r a s t r u c t u r e 模式w l a n ( 2 ) 无线局域网的组成【1 1 j 无线局域网与传统有线网络一样，都是由硬件和软件组成。 无线局域网的硬件组成主要包括路由器、无线接入点( a p ) 、无线工作站( s t a ) 、无 线网卡( w i r e l e s sl a nc a r d ) 、天线( a n t e n n a ) 以及无线网桥等共同组成，覆盖的区域 分基本服务集( b s s ) 和扩展服务集( e s s ) 。 路由器是一种用于网络互连的专用计算机设备，工作在o s i 协议的第三层( 网络层) ， 其主要作用是为收到的报文寻找正确的路径并把报文转发出去路由器提供连接网际或网 1 l 河海大学工学硕士论文基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究 络内的i s d n 、专用电话线及帧中继( f r a m er e l a y ) ，可以由单一中心支持数百个远端网络 无线接入。无线接入点( a p ) 是有线局域网络与无线局域网络之间的挢梁，它的主要作用 相当于将无线设备的用户连接到有线局域网络的通信集线器上，除此之外，a p 本身又兼具 网管之功能，可针对接有无线网卡的设备进行必要的管理。无线工作站就是我们常说的终 端设备，这里所说的终端设备所指的是用户终端，可以是笔记本电脑、台式机，也可以是 各种电子终端设备，根据不同的等级和需要来进行配置。无线网卡是无线局域网的基本部 件，无线接入终端用无线网卡经由无线a p ，再进入以太网或无线路由器，从而进行相互通 信。无线局域网中的天线根据安装位置不同可分为内置天线和外置天线。内置天线体积小， 天线增益低，作用范围较小，从几米到上百米；外置天线体积较大，天线增益较大，作用 范围较大，从几百米到几千米不等。外置天线一般用于无线a p 或无线路由器上。无线网桥 主要被用于网络之间的互连。当两个局域网无法实现有线连接或使用有线连接存在困难 时，可以用无线网桥实现点对点的连接。无线网桥在对网络进行互联的过程中起到网络路 由器和协议转换的作用。 与各种设备一样，在无线局域网中对各种设备的管理都离不开软件。同时，各种硬件 设备的安装也都离不开相应的驱动程序。在组建无线局域网的时候，应根据不同的需要来 设置不同的软件程序以实现所需要的功能和网络必备的管理。 2 无线局域网网络安全 在无线网络中，数据传输是通过无线电波在空中传播的，因此在发射机覆盖范围内数 据可以被任何无线网络终端接受。安装一套无线局域网就好像在任何地方都放置了以太接 口。因此，使用无线网络使数据的保密性成为用户真正关心的问题。 无线网络的另一个安全问题是电磁破坏【1 2 】，如果有人故意用较强的电磁波来阻塞某个 无线网络，可能会使整个网络无法使用。大多数无线局域网采用载波侦听协议来共享无线 传输介质，在这种工作模式下，当一个工作站发送信息时，别的工作站必须等待。如果有 人利用相同的无线产品组装一个工作站，并且从工作站反复不停地发送信息包，那么与发 送工作站处于同一区域的工作站都会陷入瘫痪。 网络安全涉及信息资源的保护、防止被丢失、破坏和盗用。无线网络提供位流的传输， 包括介质、同步和错误控制，保证数据位流点到点的传输。它只对应于网络结构的最底层 而不具备其他高层的功能，如端对端的连接建立和登录服务等。因此，无线网络的安全解 决方案是对网络底层结构的处理，如数据加密等。 i e e e 8 0 2 1 l b 标准定义了两种方法实现无线局域网的接入控制和加密【1 3 l ：系统i d ( s s i d ) 河海大学工学硕士论文 第二章基于无线网络的竞赛信息系统设计 和有线对等加密( w e p ) 。 ( i ) s s i d s s i d 是在无线局域网中使用的标识码，它提供一个最底层的接入控制。一个s s i d 是一 个无线局域网子系统内通用的网络名称，它服务于该子系统内的逻辑段。因为s s i d 本身没 有安全性，所以用s s i d 作为接入控制是危险的。接入点作为无线局域网用户的连接设备， 通常广播s s i i ) 。 ( 2 ) w e p i e e e 8 0 2 1 i b 规定了一个可选择的加密称为有线对等加密，即w e p 。w e p 提供一种无线 局域网数据流的安全方法。w e p 是一种对称加密，加密和解密的密钥及算法相同。w e p 的目 标是：接入控制：防止未授权用户接入网络，他们没有正确的w e p 密钥。加密：通过 加密只允许有正确w e p 密钥的用户解密来保护数据流。 i e e e 8 0 2 1 i b 标准提供了两种用于无线局域网的w e p 加密方案。第一种方案可提供四个 缺省密钥以供所有的终端共享，包括一个子系统内的所有接入点和客户适配器。当用户得 到缺省密钥以后，就可以与子系统内所有用户安全地通信。缺省密钥存在的问题是当它被 广泛分配时可能会危及安全。第二种方案是在每一个客户适配器建立一个与其他用户联系 的密钥表。该方案比第一种方案更加安全，但随着终端数量的增加给每一个终端分配密钥 很困难。 另外，还在接入点中规定了访问控制列表来限制能够访问接入点的客户，只有具有列 在访问控制列表中的m a c 地址的客户端才可以访问接入点。除了第二层外，i e e e 8 0 2 1 i b 无 线网络还可以支持其他8 0 2 局域网的安全访问控制标准( 如网络操作系统的注册行为) 或 加密方式。这些高层的加密技术可以实现包含无线网络和有线网络的端对端安全网络。 i e e e 8 0 2 1 l b 标准定义了两种认证方法【1 4 1 1 1 习：开放式和共享密钥。每个用户必须设 置认证方法，而且必须与想要连接的接入点相匹配。 开放式认证的整个认证处理是纯文本方式，甚至没有提供w e p 密钥用户也可以与接入 点连接。共享密钥认证时，接入点发送给用户一个询问文本包，用户必须用正确的w e p 密 钥加密并发回到接入点。如果用户密钥错误或没有密钥，它就不能通过认证，也就不能接 入到接入点。 无线局域网还支持基于物理地址或媒体接入控制( m a c ) 地址的认证。仅当用户端的 m a c 地址与接入点访问控制列表中的地址匹配时，接入点才允许与客户端连接。 河海大学工学硕士论文基于无线网络的嵌入式竞赛信息系统研究 2 4 2 竞赛信息系统中无线网络的组网方式 w l a n 在大型运动会中的应用是一个崭新的课题。在2 0 0 2 年韩日世界杯上w l a n 有了 一定规模的应用；而在国内的大型运动会上w l a n 的应用则始于2 0 0 1 年世界大学生运动会 和第九届全运会【1 6 1 。 由于大型运动会的临时性、运动性、长距离性，要求与之配合的网络系统具备可移动、 无线长距离连接、可迁移等特点；但传统有线网络的局限，造成运动会信息系统无法充分 的运用于大型运动会的比赛、成绩处理、信息采集等各个环节。根据以往大型运动会的应 用实践，w l n q 的应用范围主要集中在以下几个方面：扩充有线网络空间、作为有线网络 的备份线路，搭建临时网络。 扩充有线网络空间多用于新闻中心等场所，1 r l a n 提供了一个扩展的、更大规模的网 络环境，方便记者进行信息查询、资料采集、写稿，发稿等工作。作为有线网络的备份主 要是基于安全考虑，一旦有线网络发生故障，就