基于 RFID 及智能终端的户外团队运动系统

本系统是一种户外运动管理系统，计划布设在固定地形，如场馆和步道。布设时根据地形及原有场景布置固定终端，可供参与者交互，且参与者以移动终端相连接，能捕捉并共享位置、运动轨迹、生理参数等信息。

场地在系统内预置一系列可供团队选择的背景信息，包含推荐线路、各异的任务地点、活动时间等。系统根据参与者的位置与行为，场景化触发并推送有关信息并调度参与者。参与者在不同位置通过系统查看整体状态并接受调度，在团队协作同时行动也更加自由，从而达到场景化活动与户外运动的结合。系统预计推送信息近似准确，性能大致允许数十人在同一空间活动不相干扰。推荐过程可以结合人工智能适譍参与者的不同习惯。

项目背景

中办、国办印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》指出「修复江河、湖泊、湿地，加强城市公园和绿地建设，推进立体绿化，构建连续完整的生态基础设施体系」及「增加公共活动空间，建设体育公园，完善文化和旅游消费场所设施，推动发展城市新业态、新功能」。本设计面向的公共活动空间，是范围稍大、维护周期长、基本无人值守的一般室外空间，可能间有一些场馆，如公园、休闲广场、步道等。此类空间建设往往大而化之，缺乏特点，难以反映时间、地点、各类条件变化，不能精准满足需求，活动方式也较为单一。例如对常住者只能满足步行的功能，常住者可能认为几乎与外界无异。

现有一般场地实施团队活动则另有障碍。团队一同行止效率较低，若无专人组织基本只能自由活动，不仅失去团队的意义，调度难度及走失风险较高，需要大量精力保持联络，而一般团队活动很难有专人组织。有明确目的的爱好者群体或家庭目标明确，往往有以妥善调度，而较为随意的团队户外活动若有物联网系统参与将大有所益。此外，借助大数据及人工智能手段，在较单一的固定场所能承载并推荐异质化信息给所有参与者，实现「熟悉的地方亦有风景」，使不同团队及每次活动具有层次化差异化的体验。这样或能拓展户外场地的利用价值，提高户外活动及社交参与度。

目前诸多 app 如 Keep 已上线场景化提示功能。由于此类功能需要实现地点无关，承载信息较为单一，难以适譍用户的个性化要求。本系统结合固定终端与移动设备之优势，提升用户运动体验，打造基于环境的运动生态。

系统方案分析

本系统中用户定位是首要需求。现阶段，有多种位置感知系统可供选择。其中，iBeacon、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID 等最为流行。iBeacon 具有小尺寸、低功耗、短距离通信等特点，适用于室内定位，但定位精度可能会受到干扰。Wi-Fi 则具有较高的定位精度，但价格相对较高，每个 AP 价格在 2～6 千元不等，100 米² 需要一个，总体价格可能达数十万，与预期功能不符。蓝牙和 ZigBee 具有低功耗和小尺寸等优点，但其适用范围较小。针对本系统对精度要求较低的情况，可以采用以手机 app 回传为主的方式，辅以无源 RFID 在固定终端及用户感兴趣的特殊地形进行定位。这种方案不仅成本相对较低，而且可以满足本系统的需求。

因而，手机 app 为大终端的角色，蓝牙便携设备则是小终端。

功能组成

本系统由蓝牙个域网设备、固定终端、手机 app 组成。

蓝牙个域网设备可实现检测简易生理参数，由蓝牙连接至手机 app 作为数据补充。手机 app 自手机获取速度、方向、步数等数据，因此设备不再实装加速度计。终端以蓝牙连入手机 app，采集心率等参数指标，并可接管手机音频，提高手机 app 推送可达性。采集时采样率约 500 Hz，在手机 app 设置滑动窗口，将数据基于标定分类，实时调整采样周期在 15 秒至 3 分钟不等，数据发至手机 app 后再行压缩回传。含简易扬声器，推送音频由手机 app 合成。

固定终端是固定于地面的大屏设备，可在场馆中选择较为稳固，不易受天气影响的位置安装。终端产生数据较少，可由安卓系统或 GNOME 桌面环境二次开发实现。终端使用 RFID 超高频读写器，读取范围 6 米，软件方式可准确判断是否在固定终端近旁，避免定位延迟。采用室外有线连接降低成本。

手机 app 在活动中接收用户位置及状态，经压缩后实时上传，用语音播报及文字提示用户下一步行动。活动之外，可以查看简介，组织预约团队活动，并提供社交与譍急预案等功能，UI 设计见下图。可以考虑使用人工智能语言模型，将地点推荐语个性化，符合每位用户偏好的身份特点，甚至承载一定的人与地点交互功能。但这种尝试局限性较大，户外尤其本系统的目标场所无人值守，推荐语承载的信息相对简单，使用人工智能交互所能达到的个性化程度有限。

模块详情

选型

对于便携终端，CC2564C 是一个支持蓝牙 5.0 且处于可接受频段的选择。在温度传感器的选择方面，DS18B20 是一个低成本的数字单总线输出选项，并且只需要将引脚 2 连接到单片机的 P0_7 引脚即可传回数据。DS18B20 可以独立工作，且相比其他温度传感器，其稳定时间仅 3 秒，而其他温度传感器通常需要 3 分钟。因此，DS18B20 特别适合于本系统需要间歇工作的应用，并且体积小，可以方便地安装在便携终端中。在心率传感器的选择方面，光学传感器是一种可行的选择，因为其体积和接口等特征仍然很适用于上述应用中。另外，红外传感器会受到环境的影响而产生抖动。最终，我们选择了适合人体的、具有恰当检测范围的 BISS0001 SOP-16。在 RFID 的选择方面，我们选择了无源超高频 RFID，其距离范围约为 6 米。由于固定设备的周围通常还会有其他设施，所以这个距离具有足够的冗余。虽然超高频 RFID 读写器的成本稍高，但最终我们选择了容易与终端配合的 UHF-9601。

驱动程序及平台

驱动程序的实现需要依赖上述硬件，包括时钟模块、测量模块、音频模块、交互模块以及数据模块等。便携终端在上电复位后首先进行系统初始化，然后接收蓝牙请求，建立连接后时钟模块不断调整电源并读取数据。虽然该平台与一般的管理平台类似，但在编排场景方面需要更加详细的数据。在安装时，需要加强标注场地内部的位置，并在固定终端附近标注 RFID 距离，以备平台规划模块使用。可以设计简单的程序以使得所设计场景可以在安装在不同场所的系统之间进行迁移。

市场推广

由于系统较为复杂，须作为永备设施铺设及维护，可考虑在预计人员密集的城市公园及休闲广场建设或维护时引入。

成本分析

以 B 市某场地为例估计成本，作参考，事实上本系统成本主要在维护，包括修复设备及增补系统内容。数字已设置冗馀。

优势

• 整合地图、定位、天气等信息，实时记录并分析数据。
• 场景化推荐，契合时空特点及用户兴趣。
• 强化交流和社交，增强团队合作和凝聚力。

劣势

• 较难维护。
• 若不熟悉智能设备，学习及操作成本稍高。
• 依赖电子设备，故障率稍高，紧急情况或无法联网时或无法工作或造成负面影响。

跋