基于LoRa技術(shù)的籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石丹丹 辛紅霖 郭笙城 曾孟佳

摘要：目前，很多高校存在多校區(qū)辦學(xué)情況，各校區(qū)籃球場分布相對(duì)分散，很大程度上方便了學(xué)生的就近活動(dòng)，但使得不同校區(qū)的學(xué)生無法及時(shí)得知其他校區(qū)籃球場的使用情況，導(dǎo)致學(xué)生在各校區(qū)間頻繁往來浪費(fèi)時(shí)間，而地域上分散的籃球場也使得管理部門的管理成本增加。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)，核心是基于LoRa的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。通過在籃球架上安裝震動(dòng)傳感器對(duì)籃球場的使用情況進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集，利用LoRa網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理分析后以可視化的形式傳給用戶。由此，學(xué)生可以隨時(shí)隨地了解各籃球場的使用情況，減少不必要的奔波，管理部門也能大大減少管理成本，提升管理和維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：籃球場；LoRa技術(shù)；震動(dòng)傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）21-60-5

0引言

籃球運(yùn)動(dòng)是當(dāng)代大學(xué)生最為喜歡的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，因此籃球場的使用頻率也是非常高的。為了滿足學(xué)生的使用需求，籃球場在數(shù)量上一般設(shè)置較多并且位置分散，對(duì)于一些校區(qū)規(guī)模較大的學(xué)校，地理位置的分散使得管理十分不便[1]?，F(xiàn)階段，大部分高校對(duì)于籃球場的管理往往采用人員定期維護(hù)的方式，但存在很多弊端，因此，能夠及時(shí)獲取和掌握籃球場的使用情況，從而不需要投入大量的資源就能完成相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和顯示，對(duì)于高校的基礎(chǔ)設(shè)施管理方來說具有重大意義[2]。

LoRa技術(shù)是由Semtech公司發(fā)布的一種新型的基于線性跳頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，不僅擁有像頻移鍵控（Frequency-shift Keying，F(xiàn)SK）調(diào)制相同的低功耗優(yōu)點(diǎn)，而且更大程度地增加了通信距離[3-4]。同時(shí)，LoRa也是一種遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)，相較于其他無線技術(shù)（如藍(lán)牙、WiFi），其高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗、支持大規(guī)模組網(wǎng)、測距和定位等方面有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)，高達(dá)157 dB的鏈路預(yù)算使其通信距離可以達(dá)到15 km以上，在空曠的地方甚至更遠(yuǎn)。LoRa技術(shù)推出后，因?yàn)樗叩撵`敏度（-148 dBm）、優(yōu)良的抗干擾能力以及不俗的系統(tǒng)容量表現(xiàn)，贏得了更大范圍的關(guān)注，給人們呈現(xiàn)了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、系統(tǒng)容量大、功耗和成本低的全新通信技術(shù)，徹底改變了無線通信領(lǐng)域的局面，使得該技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有著廣泛的前景[5]。

基于LoRa技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合籃球場管理中的痛點(diǎn)和問題，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)知曉籃球場使用情況數(shù)據(jù)，提升管理質(zhì)量的目的。首先，在各個(gè)籃球場的籃球架上部設(shè)震動(dòng)傳感器，通過傳感器震動(dòng)情況判斷籃球架是否是使用狀態(tài)，并將此數(shù)據(jù)通過LoRa節(jié)點(diǎn)通信模塊傳給LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并安全、可靠地傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理并分析后，將分析結(jié)果以可視化的形式發(fā)送給用戶。這樣，用戶能夠不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制隨時(shí)隨地及時(shí)了解各籃球場使用情況，籃球運(yùn)動(dòng)者可以不用奔波多個(gè)校區(qū)尋找空閑籃球場使用，而管理者也可以方便高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)多校區(qū)籃球場的管理[6]。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)

籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)主要分為4層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)各層功能如下：

①數(shù)據(jù)采集層：由多個(gè)監(jiān)測震動(dòng)的采集節(jié)點(diǎn)組成，安裝在籃板和籃球框上面，通過震動(dòng)得到數(shù)據(jù)。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了太陽能電板和鋰電池，加強(qiáng)了采集節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力；設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，用于采集震動(dòng)時(shí)間，方便統(tǒng)計(jì)籃球場的使用時(shí)間；設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，方便對(duì)震動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄。

②數(shù)據(jù)庫層：用來存儲(chǔ)采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)震動(dòng)信息，方便對(duì)震動(dòng)信息的查看和分析，節(jié)省人力、物力。

③數(shù)據(jù)處理層：包括對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，使用LoRa無線技術(shù)，利用其低耗能、傳播距離遠(yuǎn)、有效范圍的特性，傳到數(shù)據(jù)庫后經(jīng)單片機(jī)分析數(shù)據(jù)，最后將分析的數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa技術(shù)傳給用戶，增加了數(shù)據(jù)的直觀性。

④應(yīng)用層：用于顯示處理結(jié)果。通過手機(jī)App將數(shù)據(jù)展示給使用者看，節(jié)省了用戶觀看繁瑣的震動(dòng)信息，并從中提取有用的時(shí)間信息[7]。

1.2系統(tǒng)基本架構(gòu)

系統(tǒng)通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集籃球場的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa基站上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，最后通過算法將數(shù)據(jù)可視化并在應(yīng)用服務(wù)器上顯示出來。系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)基本架構(gòu)的各部分功能如下：

①監(jiān)測節(jié)點(diǎn)：通過震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)采集籃球場的震動(dòng)情況，從而判斷籃球場是否在使用，并使用LoRa線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，遵守LoRaWAN協(xié)議規(guī)范，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸。

②LoRa基站：負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的上行鏈路數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)聚集到一個(gè)各自單獨(dú)的回程連接，解決多路數(shù)據(jù)并發(fā)問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)。

③網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：負(fù)責(zé)進(jìn)行MAC層處理，包括消除重復(fù)的數(shù)據(jù)包、自適應(yīng)速率選擇、網(wǎng)關(guān)管理和選擇、進(jìn)程確認(rèn)及安全管理等。

④應(yīng)用服務(wù)器：從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取應(yīng)用數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)負(fù)載的安全性，分析并利用傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)用狀態(tài)展示等。

2硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 LoRa基站設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過以太網(wǎng)回傳、無線通信技術(shù)（如2G，3G，4G）或串口通信建立通信鏈路，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，通過LoRa節(jié)點(diǎn)到LoRa網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)形式對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[8]。LoRa基站的基本架構(gòu)如圖3所示。

2.2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的硬件平臺(tái)主要由控制模塊、LoRa通信模塊以及相關(guān)外部接口構(gòu)成。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)各模塊功能和設(shè)計(jì)如下：

①控制模塊：由單片機(jī)構(gòu)成微控制電路核心，主要用于接收LoRa模塊采集的震動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。單片機(jī)選擇ST公司的STM32L053R8T6，該型號(hào)單片機(jī)具有超低功耗的特點(diǎn)，時(shí)鐘頻率為12 MHz，復(fù)位電路為提高系統(tǒng)可靠性采用容阻復(fù)位方式[9]。

②LoRa模塊：采用基于Semtech公司SX1278芯片研發(fā)的無線數(shù)傳模塊，具有高效的接收靈敏度和強(qiáng)抗干擾性能，靈敏度可以達(dá)到-148 dBm，鏈路預(yù)算最大達(dá)168 dB，最遠(yuǎn)傳輸距離超過15 km；改變M0和M1數(shù)值可以進(jìn)行模式設(shè)置，分別為一般模式、省電模式、喚醒模式和休眠模式，引腳AUX用作指示狀態(tài)切換和數(shù)據(jù)傳輸接收提醒。

③UART接口：UART是一種通用的串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收，在本系統(tǒng)中UART接口主要用于控制模塊和LoRa模塊的連接，通過TXD、RXD引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞[10]。

④振動(dòng)傳感器模塊：振動(dòng)傳感器分為壓電式、磁電式和微型振動(dòng)傳感器3種。在系統(tǒng)中采用的是壓電片諧振式，使用壓電片接收籃球框下的振動(dòng)信號(hào)，由于壓電片的諧振頻率較高，為了有效降低諧振的頻率，在系統(tǒng)中使用加大壓電片振動(dòng)體的質(zhì)量的方法來實(shí)現(xiàn)，并在其中運(yùn)用彈簧球代替附加物，降低了諧振頻率，增強(qiáng)了振動(dòng)效果。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，結(jié)構(gòu)簡單。

⑤電源模塊：系統(tǒng)采用溫度PH變送器BPHT-RS485，用電壓為12 V的電池對(duì)系統(tǒng)供電，并通過穩(wěn)壓器模塊LM7805和LM317將其降壓至3.3 V，用以提供STM32處理器和其他模塊及外圍電路的供電。

⑥JTAG接口：將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中。JTAG編程方式是在線編程，與傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程然后再裝到板上不同，JTAG編程可以將流程簡化為先固定器件到電路板上，然后在進(jìn)行編程，可以在后期根據(jù)需要對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn)，大大加快工程進(jìn)度[11]。

⑦LoRa通信節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)：本項(xiàng)目的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)由LoRa基站與LoRa節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中LoRa節(jié)點(diǎn)中SX1278芯片與單片機(jī)連接，經(jīng)發(fā)射電路和接收電路與射頻開關(guān)聯(lián)系，最終將信號(hào)通過SMA天線傳輸[12]。LoRa模塊架構(gòu)如圖5所示。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1后端程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的后端程序主要包括交互程序、震動(dòng)采集點(diǎn)程序以及網(wǎng)關(guān)程序等。交互程序主要是采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的信息傳輸；震動(dòng)采集點(diǎn)程序主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集信息的傳輸以及定位信息的傳輸；網(wǎng)關(guān)程序主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)庫的交互。

3.1.1交互程序設(shè)計(jì)

震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間采用半互鎖異步通信模式。采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送建立連接的請(qǐng)求之后等待網(wǎng)關(guān)的回復(fù)[13]。采集節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)后，二者建立連接發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后則不需要再次等待網(wǎng)關(guān)的回復(fù)。交互流程如圖6所示。

3.1.2震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)初次上電后，會(huì)進(jìn)行一次定位來確定籃球場的位置，之后則不再定位，可節(jié)省時(shí)間、降低功耗[14]。采集數(shù)據(jù)后節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送請(qǐng)求，收到回復(fù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，完成后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次喚醒，如沒有收到回復(fù)，則刪除數(shù)據(jù)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。每次有震動(dòng)信息節(jié)點(diǎn)都會(huì)上傳數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)流程圖如圖7所示。

3.1.3網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)常開，以便隨時(shí)響應(yīng)震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)后，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給LoRa基站；基站再將數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中[15]。網(wǎng)關(guān)流程如圖8所示。

3.2前端頁面設(shè)計(jì)

本軟件主要是為了方便管理部門和學(xué)生查看籃球場的使用情況，利于使用者隨時(shí)查詢籃球場的使用情況，節(jié)省時(shí)間。主要功能是顯示籃球場使用情況、顯示籃球場的震動(dòng)信息、使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及歷史消息。

①顯示頁面：主要顯示被算法處理后的結(jié)果，包括一張學(xué)校的俯視地圖，上面為每個(gè)籃球場進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)后面是使用情況，空閑顯示綠色方塊，使用中顯示紅色方塊。

②震動(dòng)信息頁面：顯示震動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)采集的信息，此信息未經(jīng)處理，主要是為了方便專業(yè)人士瀏覽。

③統(tǒng)計(jì)頁面：將每個(gè)籃球場的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以快速看出籃球場的使用情況，方便管理者快速查看各個(gè)籃球場的使用頻率，以便維護(hù)。

④歷史頁面：用于存放歷史記錄，可以觀看以前的震動(dòng)信息和籃球場的使用情況，利于管理者自己把控時(shí)間，不需要實(shí)時(shí)關(guān)注。

前端的各個(gè)頁面從不同角度滿足不同用戶的需求，學(xué)生通過顯示頁面中學(xué)校的俯視地圖上高對(duì)比度的紅色和綠色區(qū)域可以清楚得知其他校區(qū)籃球場使用情況，節(jié)省大量時(shí)間。維修人員可以從震動(dòng)信息頁面上的數(shù)據(jù)來判斷是否應(yīng)對(duì)籃球框進(jìn)行維護(hù)。系統(tǒng)也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析處理顯示在統(tǒng)計(jì)頁面，管理者可以查看該頁面，快速了解學(xué)校不同校區(qū)的每個(gè)籃球場的使用頻率，以便對(duì)多個(gè)校區(qū)籃球場進(jìn)行高效的管理。通過歷史頁面，管理者也可以了解過往的籃球場使用情況，方便管理者指派維修人員避開籃球場使用高峰期對(duì)籃球場進(jìn)行維護(hù)，保障學(xué)生對(duì)籃球場的正常使用。

4結(jié)束語

本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用在高校的籃球場中設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa技術(shù)高性能、低功耗、遠(yuǎn)距離等優(yōu)點(diǎn)。采用震動(dòng)傳感器對(duì)籃球場的使用情況進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集，再利用LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)庫，以供管理者進(jìn)一步掌握數(shù)據(jù)，同時(shí)減少了高校的管理成本。目前市面上采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)籃球場使用情況的監(jiān)測并不多見，因此本文設(shè)計(jì)的籃球場使用情況監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)今后研究有一定參考價(jià)值。

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