基于arduino开发的校园体育课智慧借体育设施系统开发与设计
作者：虞瑞恒 学校：复旦大学附属复兴中学
摘要：积极的体育运动对中小学生来说，越来越重要。其中，球类运动是青少年最喜爱的运动项目之一。球类运动可促进手眼协调，运球、踢球、接球、拍球，每一种玩法都让全身在运动，能锻炼全身，手眼协调、强身健体的同时也能促进大脑发育。但是，一直以来学校使用的传统的运动器材管理方式，通过登记、铁框上锁或存放器材室等管理方式，同学们借取球类的流程非常繁琐，且球类丢失问题也频繁发生。本文设计并开发了一种基于物联网技术和RFID技术的智能体育器材管理系统，旨在提高借还效率、减少器材丢失风险，并确保器材的卫生安全，具有重要的社会价值和现实意义。
关键词：体育器材管理；物联网；RFID技术；智能管理；校园体育
1.引言
在我和同学们的日常生活中，校园体育器材的借取过程常带来不小的困扰。每当我们想课余时间去操场锻炼，尤其是想借用篮球、足球等器材时，往往面临繁琐的借取流程和其他问题。虽然学校设有体育器材室，但器材的借用并不像想象中那么顺畅，借取球类成了一个耗时且令人烦恼的过程。
每次想借用球类，先要到体育器材室。这个地方距离操场有些远。到了那里，往往需要等待老师进行登记，在确认每个同学的信息后，再给我们分发器材。这个过程不仅耗时，还常因老师不在或忙于其他事情而不能及时借到所需器材。尤其是在课后或午休时间，大家都集中去借球，排队情况很常见，很多同学因此放弃了借球的想法。时间本来就紧张，等待时间也让大家失去了继续运动的动力，导致锻炼计划被耽误。
除了借取过程繁琐，另一个令我和同学们担忧的问题是球类器材的丢失。在传统的借还模式下，虽然老师会尽力进行记录和管理，但由于缺乏一个高效的系统，球类丢失情况仍时有发生。有时，我们在归还球类时，球已经有了磨损或出现了丢失，由于没有有效的追踪系统，责任往往无法追溯。这不仅导致器材浪费，也让借取器材的同学感到不安全，大家开始对借用器材产生了消极情绪。
此外，传统的借还方式也没有考虑器材的卫生问题。运动过程中，汗水和细菌易附着在球类上，在没有及时消毒的情况下，借用下一位同学可能会接触到不干净的器材，这对健康是一个潜在隐患。然而，现有的管理方式并没有针对这些卫生问题提供解决方案，大家在使用球类时不得不担心细菌交叉感染，这使我们借取器材时产生了更多的顾虑。
这些问题对学生的体育锻炼产生了显著影响。由于借取过程复杂，很多同学选择放弃借球，也不再积极参与体育活动。同时，器材的丢失和卫生问题让大家对借球类产生了不信任情绪，学校体育场地和器材也没有得到应有的利用。随着这些问题的积累，校园体育活动氛围逐渐冷淡，大家对运动的兴趣也受到影响。
因此，我认为校园体育器材的管理急需进行改革。现有的管理模式不仅无法满足学生对便捷高效的需求，还无法有效解决器材丢失和卫生问题。通过引入智能借还系统，能实现自动借还、器材消毒和归还记录追溯等功能，不仅能提高借还效率，还能保障器材的卫生和安全，为我们提供更便捷、健康的锻炼环境。这种智能化的管理方式不仅会提升同学们对体育锻炼的兴趣，也能让校园体育活动焕发新的活力。
2.研究现状
2.1 需求调研
我通过“星问卷”网络平台，制作了一份完整的调查问卷，并对各中小学进行了大量充分的问卷调研，探究这个设计方案的可能性。同时我制作了调查问卷，想了解学生对当前学校运动器材借还状态对体育锻炼的影响及对校园智能借还球装置的意见和建议。
2.1.1 数据分析
（1）受访学生年龄
数据分析图（1）
在所有填写人员中，随机调研了252名7~18岁的学生。其中，高中年龄段（16~18岁）的比例最高，占了44.84%。初中年龄段（12~15岁）的比例也较高，占了36.11%。相对而言，小学年龄段（7~11岁）的比例较低，为19.05%。男女比例相差不大。
（2）校内最喜欢的体育运动
数据分析图（2）
从252人的调研中能看到，篮球、足球、羽毛球是学生们最喜欢的体育运动，再从130个男生和122个女生的分类调研中能看到，篮球和足球都是男生喜欢的运动项目，女生也会参与。
（3）是否在午休和放学后在学校进行体育运动（如足球篮球等）？
据调研情况看，只有65人（25.79%）经常进行体育运动，其余187人（74.21%）只偶尔甚至从不参加体育运动。很明显，18.65%的人从不在学校进行体育运动。这可能是因为个人偏好、时间安排或其他原因所致。繁琐的借取流程浪费了很多宝贵的运动时间。
（4）如果在学校操场边，有一个免费的智能球类借还机器，能随时拿到运动器材。你愿意学校放置一个此类装置吗？
数据分析图（4）
从这个问题的结果看，有211人表示愿意学校放置一个智能球类借还机器，占有效填写人次的83.17%；另外41人表示不愿意，占16.30%。可以看出，多数人对这种智能球类借还机器持积极态度，极少部分人还不接受。
（5）如果有一个智能球类借还机器，你最希望它有哪些功能？
数据分析图（5）
从统计结果中不难看出，针对智能球类借还机器，最受用户欢迎的功能包括无线充电、自动消毒/自动充气、运动时间记录、绑定校园卡等，语音控制、漂亮的外观和人脸识别排名比较靠后，不是学生最希望的。
（6）能否通过体育运动找到自己的同好，并结交朋友得到满足感？
数据分析图（6）
很明显，运动的好处不仅可以锻炼身体，还能结交朋友得到满足感。
2.2 产品分析
2.3 小结
通过上述调研，我们发现目前存在的问题主要如下：
1）借还效率低：传统人工登记方式效率较低，浪费学生时间，无法实现快速借还。
2）器材丢失和损坏问题：现有系统缺乏有效的实时追踪机制，易导致器材丢失或损坏，管理不够精准。
3）卫生问题：缺少消毒和保养功能，器材使用后难以确保卫生，可能带来健康风险。
基于此，拟设计一个智能体育器材借还管理装置，核心功能如下：
1）自动借还系统：通过RFID或二维码技术实现智能化借还，提高效率，减少人工干预。
2）实时监控与追踪：通过物联网技术实时监控器材的借还状态，减少器材丢失和损坏。
3）自动消毒和保养功能：集成消毒和自动充气等功能，确保器材的卫生与完好，提升用户体验。
3.原型设计
3.1 灵感来源
我的灵感源自智能自动售货机系统，因该系统通过高度自动化和智能化的设计，实现了无接触式购买和管理，极大提高了效率和便捷性。智能售货机采用RFID、触摸屏、移动支付等技术，使消费者可快速购买所需商品，无需人工干预，这种便捷高效的操作方式给我带来了启发。 它的优点包括：
1）高效性：智能售货机可24小时自动运营，消费者无需等待人工服务，节省了时间。
2）智能化管理：系统能实时监控商品库存，并自动更新信息，避免了人工记录错误或漏记的情况。
3）无接触操作：采用触摸屏和移动支付等方式，无需与工作人员接触，提高了安全性。
受此启发，我设计了智能体育器材借还管理系统，通过RFID或二维码识别、自动化消毒与充气等功能，结合物联网技术，提供更智能和高效的借还体验。此系统不仅能提升借还效率，还能确保器材的卫生与完好，解决当前借还管理方式中的多重问题。
3.2 所用原件清单
3.3 硬件框图
该系统由5部分组成：
1）传感器：IC感应模块用于读取器材的RFID标签或二维码，识别借还情况。
2）执行器：电机控制器驱动电机执行任务，如自动充气等。充气系统根据需要自动充气，当充气到达规定时间时，停止充气，确保器材在借还过程中符合使用标准。
3）控制器：Arduino主板作为系统的核心控制单元，负责处理传感器数据并控制执行器的动作。
4）电源系统：太阳能板收集太阳能，为系统提供能源，减少对外部电源的依赖。蓄电池储存太阳能转换的电能，确保系统在没有阳光时仍能正常工作。
5）通讯系统：充电器主板为整个系统提供稳定的电力供应，保证系统运行时通讯和控制功能的稳定性。
4.原型开发
4.1 软件开发
开发环境
我所使用的软件是Arduino IDE，它为开发Arduino项目提供了一个简洁高效的环境。在编程过程中，我首先安装并配置了Arduino IDE，选择合适的开发板并连接硬件组件（如RFID读卡器和传感器）。随后编写了控制程序，利用Arduino语言编写代码，实现对传感器数据的读取、处理及对执行器（如电机、消毒系统）的控制，确保系统能高效运行并完成自动化任务。
4.2 系统结构设计
自动借/还球装置的模型采用立方体结构，设计总长度为400mm、宽度为300mm、高为200mm的模型。装置的结构包括木制框架、太阳能顶板、自动充气装置、制动消毒装置等，还设置了不同的功能区，借球区、还球区和过道等。之后在装置外框的中间安装了Arduino nano主板，尺寸57.8*53.5mm，左右分别设置了4个舵机，舵机尺寸22.8*12.2*28.5mm，选择了180°控制旋转的配置。
在装置的正面中间安装了一块28*35.3*4mm的RFID IC感应模块，通过模块和校园卡对接，识别使用装置的学生信息。在装置右侧安装了一个自动充气泵，通过控制板的连接，由红色按钮控制开关，自动充气，更智能便捷。
系统结构
4.3 电路连接过程
在电路连接中，先将Arduino主板与电脑连接，并确保能正常通讯。接着，将RFID读卡器、重量传感器等传感器模块通过相应的引脚与Arduino连接，确保能正确读取数据。同时，将电机驱动模块和充气系统连接到Arduino，通过PWM引脚控制电机和气泵的工作。最后，确认所有模块的电源连接稳定后进行调试，确保系统正常运行。
电路连接图
4.4 程序设计
程序设计图
在程序设计过程中，使用Arduino IDE编写控制系统的主要代码。首先，定义各个硬件组件的引脚并初始化传感器和执行器模块。对于RFID读卡器，编写了读取标签信息的代码，确保系统能正确识别借还的体育器材。接着，控制器根据传感器的输入数据判断器材的状态，并驱动电机和充气系统执行相应操作，如自动充气或消毒。我还利用Wi-Fi或蓝牙模块实现数据传输，将器材借还信息实时同步到管理平台。程序中还包括错误处理和调试功能，确保系统在实际应用中稳定运行。
4.5 工作流程图
装置具体的工作流程如下：
当学生借用体育器材时，先通过RFID标签或二维码扫描器扫描器材上的标签，系统识别器材并记录借出信息。接着，系统会检查器材的可用性，如设备是否需充气或消毒，若需要，执行器自动启动相应功能进行处理。此时，充气系统会确保器材充足气，消毒系统会自动进行紫外线消毒，确保器材在借用前是卫生安全的。完成这些步骤后，系统会更新借用记录，并通过通讯系统将信息同步到管理平台。器材借出后，系统会持续监控器材使用状态，确保设备在使用过程中完好无损。
当器材归还时，学生通过扫描器还回器材，系统自动检测器材状态，确认归还并进行相应后处理（如再次消毒或充气）。所有数据实时传输并更新到管理系统中，确保每项操作都记录清楚，避免器材丢失或损坏。
5.总结
本课题的创新点:
1）智能化管理系统：通过RFID技术和物联网实现体育器材的自动借还和状态监控，避免传统人工管理中的效率低下和错误。
2）自动消毒与充气功能：结合自动消毒和充气功能，确保器材在借还过程中的卫生和完好，提升使用体验与健康保障。
完成的主要工作包括以下几方面：
1）提出并设计基于物联网的智能体育器材管理系统，明确系统的功能模块和工作流程。
2）完成RFID传感器、执行器、控制器和通讯模块的选型与电路连接，确保硬件的稳定性和可靠性。
3）使用Arduino IDE进行系统程序设计，确保传感器数据采集、执行器控制和数据传输的稳定运行。
4）进行多轮系统测试，确保系统各项功能（如自动借还、消毒、充气等）能高效、稳定运行，完成最终的系统优化。
虽然本方案在智能化体育器材管理方面取得了一定进展，但仍有不足之处。例如，系统的硬件成本较高，且设备的适用性有限，无法全面支持所有类型的体育器材。针对这些缺点，可考虑使用更低成本的模块，提升系统的兼容性，并增加更多设备支持。此外，未来如果有机会改进，将加强系统的稳定性和无线通讯的可靠性，优化用户界面和借还流程，使其更便捷。如果该方案商业化推广，将有助于提高校园或社区体育设施的管理效率，减少器材丢失，提高卫生保障，促进健康生活方式。此外，物联网技术和自动化管理在其他领域（如智能物流、公共设备管理等）也具有广泛的应用前景。
参考文献：
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责任编辑：李银慧
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