入籃藤球競賽信息系統數據交換與組網設計?

馬 堃，牟 艷，金 超，陸 輝

（河海大學物聯網工程學院，常州213022）

·微機網絡與通信·

入籃藤球競賽信息系統數據交換與組網設計?

馬 堃，牟 艷，金 超，陸 輝

（河海大學物聯網工程學院，常州213022）

根據入籃藤球競賽信息系統業務需求，對數據交換機制和組網結構進行了研究，重點闡述了組網模式、通信協議、數據交換格式等設計方法。開發出的系統已成功實施于“第27屆緬甸東南亞運動會入籃藤球競賽項目”，完成了比賽中成績采集、處理和顯示工作。

競賽信息系統；入籃藤球；數據交換；組網

1 引 言

入籃藤球運動盛行于東南亞地區，比賽分多個場地同時進行，要求各參賽隊的每名運動員使用規定動作把球踢入藤籃，分別統計參賽隊總分。比賽中對競賽信息系統的要求是按照比賽規則，實現比賽成績的實時采集、處理和發布。先前使用的是一種基于單片機的簡單系統，只具備單一場地的成績采集和顯示功能，不具備成績存儲、處理和發布機制，并且存在網絡技術陳舊、布置不合理、現場各部分數據交換困難等問題，影響了競賽信息的實時采集、及時處理和高效顯示。針對這些問題，在開發“第27屆東南亞運動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統”的過程中，筆者重點對系統的數據交換機制和組網結構進行了研究，并應用在入籃藤球競賽信息系統的總體框架、網絡架構、網絡通信協議及通信方式等設計中，實現了入籃藤球競賽信息系統在一個穩定、高效、安全的網絡環境中工作，并在該次賽會中成功應用。

2 系統概述與數據需求

2.1 系統概述

入籃藤球競賽信息系統是直接服務于裁判和觀眾的一套計算機系統，賽時與裁判配合并按照競賽日程服務賽事的運行，直到賽事結束［1］。在賽事準備階段，競賽信息系統需要錄入參賽代表團和運動員信息，同時按照競賽日程編排比賽并打印賽事信息報表，并將由裁判長確認后的賽事信息發布給觀眾和媒體。在賽事運行時，系統需要分別采集每個場地運動員的每個動作的得分，同時通過場館內的場地記分牌、現場大屏幕、官方網站和電視字幕等展現給觀眾。每一階段的比賽結束后，系統需要根據各代表隊總分生成晉級名單和成績公告等賽事信息，并經裁判長確認后發布。在全部比賽結束后，系統應生成比賽的名次公告和獎牌榜，并經確認后發布供外界查看。

2.2 系統組成

入籃藤球競賽信息系統分為三個部分，如圖1所示。

圖1 入籃藤球競賽信息系統組成結構

（1）數據采集：完成比賽成績數據的采集，是整個競賽信息系統與入籃藤球比賽銜接最緊密的部分，是系統的數據源頭。入籃藤球比賽通常為多場地共同比賽，每個場地設有一個由裁判操控的打分端，全場設置一個統一的打分監控端。賽前打分監控端接收由成績處理系統發來的比賽信息數據（如比賽階段、代表團名稱、運動員名稱、場地號等），并按照場地號將比賽分配至各場地的打分端。賽時打分監控端監控各個打分端的工作狀態，接收由打分端發來的成績信息，并將其發送給成績處理系統進行處理。

（2）成績處理：是整個競賽信息系統的核心，負責系統的競賽基礎數據錄入、接收從數據采集系統發來的成績信息并進行處理，同時可發布給場館外部的外圍競賽信息系統，如負責監管全部競賽項目的中央成績處理系統、電視字幕系統等。

（3）現場顯示：由兩部分組成，分別是現場大屏幕和各場地的液晶顯示屏（Plasma Display Panel，PDP）。其中現場大屏幕顯示的內容為所有場地實時成績的綜合一覽，而PDP的顯示內容為其所在場地的實時比賽成績。現場大屏幕由播放控制終端控制播放終端來展示播放的內容。PDP由各場地的打分端直接控制其顯示。

2.3 數據交換要求

入籃藤球競賽信息系統的數據交換即場館內部的數據交換，此系統需要處理的數據來源有多種，根據不同的數據來源，其傳送的數據內容和其傳輸對網絡的要求也不同［2］，詳見表1。

表1 入籃藤球競賽信息系統數據需求表

3 系統組網設計

3.1 組網模式

數據的網絡傳輸與交換是競賽信息系統能成功運行的基礎保障，而要保證信息在各方之間能夠穩定可靠的傳輸，就必須設計合理的網絡架構，以實現信息在一個安全可靠的網絡中進行傳輸和交換。這里考慮了兩種設計，一是基于有線網的方案，如圖2所示，系統使用傳統以太網設計網絡，分配至各個場地的數據采集系統中的打分端將采集到的成績數據發送給數據采集系統的打分監控端，并存入本地數據庫服務器，同時將成績通過VGA連接線直接連接至場地內的PDP完成此場的成績顯示。播放控制終端通過現場以太網控制播放終端將成績顯示在現場大屏幕上。成績處理系統讀取本地數據庫服務器的成績數據進行處理后，通過賽會競賽專網上傳至場外的負責存儲所有比賽信息的數據中心，外圍其他系統如官方網站等可通過此競賽專網讀取本項目的競賽數據。

另一種設計基于無線網方案。當場館面積較大、場地使用相對較多時，系統所需的大量網線會破壞競賽場地的整體布局，使用的網槽也會給場地工作人員的行走帶來麻煩，同時網絡布線工作量很大。針對這種情況，系統可使用有線以太網加無線接入點（Access Point，AP）來布置入籃藤球競賽信息系統的網絡，如圖3所示。系統中的設備通過無線AP接入現場以太網，數據采集系統的打分端使用基于Android系統的平板電腦，PDP控制終端硬件方面采用與打分端一樣的硬件平臺，不同的是PDP控制端舍棄了平板電腦的觸摸屏，通過HDMI高清接口與PDP相接。打分端每次向本地數據庫服務器和打分監控端提交成績消息時會向PDP控制終端發送消息通知，PDP控制終端接收到消息后，對消息進行解析，得到消息類型及其內容，再調用相應（事先編寫好）的模板顯示到PDP上，系統其他部分的工作模式與有線網相同，在此不再贅述。

圖2 有線以太網網絡結構圖

圖3 無線網網絡結構圖

綜上所述，使用基于有線網的方式安全可靠，傳輸效率較高，網線數量使用多，成本相比無線網較高，適用于場地數較少的情況。基于無線網的方案具有設備可移動性強、網絡易部署等特點，但存在信號易受干擾等問題，所以要想獲得好的通信效果，就需要設計合理的通信方案保障其通信性能。兩種方案各有優劣，應根據場地實際情況選擇相對較優的方案。

3.2 通信協議

在競賽信息系統中通常使用的通信協議有TCP協議、UDP協議、HTTP協議等，根據系統數據交換要求（見表1），入籃藤球競賽信息系統的通信協議選用方案如圖4所示。

入籃藤球競賽信息系統內部的數據交換對實時性要求較高，并且根據此項目的特點，需多場地同時發送數據信息量較小的數據，即需要使用傳輸效率高并且資源占有率小的通信協議，綜合TCP協議與UDP協議的特點，采用UDP協議較合適［3］。

在現場顯示系統里，現場大屏幕部分在應用程序方面采用B／S（Browser／Server，瀏覽器／服務器）架構，即播放控制終端將需要顯示的內容及其格式使用UDP協議發送給播放終端，播放終端將數據解析并生成既定格式的HTTP請求，使用HTTP協議向本地數據庫服務器請求播放內容，服務器將請求的內容通過網頁形式反饋給播放終端，播放終端再將此內容通過VGA連接線顯示在現場大屏幕上。在PDP顯示上，在使用有線網組網時，由于各場地的PDP是由數據采集系統中的打分端使用VGA連接線與其相連控制其顯示，在協議的使用方面只需考慮使用無線網的情況。打分端與打分監控端和PDP控制終端之間、本地數據庫服務器與成績處理系統和打分監控端之間均使用UDP協議通信。

圖4 入籃藤球競賽信息系統通信協議選用方案

由上述可知，系統中多數使用UDP協議來進行數據傳輸，針對UDP協議自身的不可靠性，本課題結合UDP協議通信的實現原理，設計了多線程通信保障機制來降低通信過程中的風險［4］。系統需要進行通信時，先在發送端建立一個消息隊列，該消息隊列遵循先進先出的原則，存放的內容是能夠唯一識別每條消息的標識符MSGGUID。系統通信將由三條線程來完成：線程1即發送線程，該線程負責由發送端發送消息給接收端并在本地存儲該條消息，之后將該消息的MSGGUID號從消息隊列的尾部加入隊列，當接收端接收到發送端的消息后將該條消息的MSGGUID號反饋給發送端；線程2即接收線程，該線程負責接收由接收端反饋的UDP消息（MSGGUID號），如果此消息中的MSGGUID號在消息隊列中存在則刪除該MSGGUID號，表示此MSGGUID號代表的消息已成功發送給接收端；線程3即重發線程，該線程負責在既定的時間片內（入籃藤球項目一般為3秒）檢查消息隊列，并再次發送隊列頭部的MSGGUID號代表的那條消息，同時記錄其重發次數（根據實際需要調整），當重發次數超過設定次數時就認為物理網絡已經斷開，此時也刪除隊列中的MSGGUID號。

3.3 數據交換格式

數據交換方式是通過“請求-響應”機制實現的，數據提供方只需要提供數據，而不需要其他操作，數據接收方在數據有更新時讀取數據。通常情況下，可使用的數據格式有XML（Extensible Markup Language）、CSV（Comma Separated Values）、TXT（Text File）和二進制文件。其中CSV、TXT和二進制文件生成容易但解析難，通常在競賽信息系統中通常使用XML來描述消息。XML使用自定義的元素和屬性來描述數據，在數據傳送過程中，XML始終保留了諸如父／子關系這樣的數據結構，使得消息體取得規范一致，這樣其數據可以被運行于不同平臺上的各類應用程序直接使用，達到實時處理數據的要求［5］。

如圖5所示的文件是數據采集系統發送給成績處理系統的XML格式的成績消息，Match節點表示此XML描述的是在場地1進行的比賽號為“STM005101”的泰國隊男子入籃藤球比賽成績，節點Athlete1～6表示6名運動員的注冊號、球衣號碼以及入籃藤球項目8種規定動作的成績。

3.4 網絡安全管理

體育比賽競賽信息系統現場以太網的建設是依托整個大會競賽專網進行建設的，是專網的完善和補充。大會競賽專網作為與外部完全獨立的網絡，具備了完善的安全措施和解決方案，可以認為不存在通過競賽專網對競賽信息系統的現場以太網的安全威脅。主要面臨的安全隱患及防范措施如下所述：

（1）非授權訪問：指比賽場地中非競賽信息系統人員使用未授權的設備（如筆記本等）訪問此網絡。由于這些用戶普遍使用的是通用化民用設備，訪問并非惡意，采用一般性身份驗證即可防范。

（2）交換機損壞：現場以太網的設備都是臨時布置，人為損壞和自然損壞都在所難免，在網絡的設計和建設過程中，需要充分做好設備和網絡的備份，重要節點和網絡必須雙路備份。

圖5 XML格式的比賽成績

（3）斷電：電是保證網絡正常工作的基本條件之一，為保證網絡工作正常，一方面應采用POE供電模式，將供電管理統一集中到供電可靠的網絡交換設備上，另一方面重要設備應配備外接供電設備（如UPS等），以保證設備正常用電。

4 系統運行實施

在2013年12月11日舉行的第27屆東南亞運動會（緬甸）中，入籃藤球項目使用兩片場地同時進行比賽，入籃藤球競賽信息系統采用有線以太網的方式布置網絡，完成了比賽賽前的集成測試，并在正式比賽中成功應用，實現了現場成績準確采集和傳輸、成績處理及實時顯示的功能，滿足了入籃藤球項目的賽事需求，系統運行穩定，網絡布置合理，保證了比賽信息的實時性和準確性。比賽場館現場實施情況如圖6所示。

圖6 東南亞運動會場館現場實施圖

5 結束語

針對入籃藤球競賽信息系統數據交換的特點，提出并比較了有線網和無線網兩種組網模式，并選取了各部分間最優的通信協議來保證系統的通信服務質量，以實現競賽信息的準確采集、可靠傳輸和顯示，保障比賽順利進行。通過在第27屆東南亞運動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統中的成功應用表明，設計的數據交換方式和組網模式是合理、有效的。

［1］歐陽波.中國體育科學學會計算機應用分會論文集（2005-2009）：科技奧運之運動信息系統［C］.北京：中國體育科學學會體育應用分會，2009.

［2］邱均平，黃曉斌，段宇鋒，等.網絡數據分析［M］.北京：北京大學出版社，2004：15-60.

［3］胡道元.計算機局域網（第四版）［M］.北京：清華大學出版社，2010：203-206.

［4］屠曉蕓.基于Web Service數據交換的研究與實現［D］.北京：北京化工大學，2007.

［5］郭荷清，王增勛.XML數據綁定及對象序列化的應用研究［J］.計算機應用與軟件，2006，23（5）：65-66.

Design of Data Exchange and Network of Hooptakraw Com petition Information System

MA Kun，MU Yan，JIN Chao，LU Hui
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

According to business requirements of the Hooptakraw competition information system，the paper studies the data exchangemechanism and network structure，and describes the designmethod of networking mode，communication protocol and data exchange format.The system has successfully performed in the 27th Myanmar SEA Games Hooptakraw competition，and completed the result acquisition，processing and display in the competition.

CIS；Hooptakraw；Data exchange；Network

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.007

TP319

：A

：1002-2279（2014）05-0018-05

國家體育總局體育信息中心委托項目—第27屆東南亞運動會（緬甸）入籃藤球競賽信息系統

馬堃（1990-）女，山東省莒縣人，碩士研究生，主研方向：智能信息處理理論與技術。

2014-02-18