仰臥起坐計數(shù)設備的無線組網(wǎng)設計

摘 要：仰臥起坐作為大學生體測項目之一，實踐中存在測試速度慢、監(jiān)測工作量大、人為因素影響大等痛點，迫切需要便攜式、智能化計數(shù)設備并能實現(xiàn)多點無線組網(wǎng)工作。采用國產CH32單片機結合nRF24L01通信模塊，借助MPU6050角度傳感器，設計實現(xiàn)了準確進行仰臥起坐計數(shù)的設備，包括用于仰臥起坐計數(shù)的手環(huán)設備和進行組網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的終端設備。通過無線組網(wǎng)技術，同時實現(xiàn)控制終端和多個手環(huán)之間的命令分發(fā)與信息收集，并實時交換測試數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)經(jīng)過藍牙傳送到手機APP，方便監(jiān)考人員處理與統(tǒng)計。本設備計數(shù)準確，在突發(fā)網(wǎng)絡中斷時，恢復通信后可無損恢復測試數(shù)據(jù)，魯棒性好，可有效減少仰臥起坐項目的考試工作量，消除人為干擾因素，提高體測效率。

關鍵詞：仰臥起坐計數(shù)；CH32F103C8T6；MPU6050；nRF24L01；無線組網(wǎng)；藍牙傳輸；OLED；并行工作

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.010

0 引 言

在大學體育測試項目中，仰臥起坐常采用一對一人力監(jiān)考和計數(shù)，存在速度慢、工作量大、人為影響大等缺點。此外，被測試人如果仰臥起坐速度過快、姿勢不標準等也會極大影響測試數(shù)據(jù)的準確性[1]。因此，急需便攜式電子設備來簡化仰臥起坐計數(shù)的考試流程，在保證測試數(shù)據(jù)準確的同時提高統(tǒng)計效率。目前市面上在售的仰臥起坐計數(shù)設備存在諸多問題，如不夠便攜、價格昂貴、智能化程度不高等[2]，可以適用于大量學生考試的組網(wǎng)設備尚未見產?，F(xiàn)有基于STM32的無線健康檢測設備[3]雖然可以實現(xiàn)單人簡單的運動監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳，但不能實現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)監(jiān)測，不適合在多測試對象同時進行體測的場合使用。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術運用在仰臥起坐計數(shù)的考試中，設計了一款運動監(jiān)測手環(huán)，在準確記錄個體仰臥起坐個數(shù)的同時，通過無線組網(wǎng)技術，完成多客戶端數(shù)據(jù)的實時匯總，實現(xiàn)了多個設備終端并行工作的仰臥起坐準確計數(shù)。

1 總體設計

本文以CH32F103C8T6為核心控制器，設計用于仰臥起坐計數(shù)的監(jiān)測手環(huán)和統(tǒng)計終端。首先在統(tǒng)計終端上設定計時時間和需要訪問手環(huán)的數(shù)量，然后按下“開始”，統(tǒng)計終端利用nRF24L01給每個手環(huán)發(fā)送開始計數(shù)信號，監(jiān)測手環(huán)接收到開始信號后開始計時。同時，手環(huán)上的角度傳感器MPU6050持續(xù)監(jiān)測用戶的運動狀態(tài)，當角度變化值達到一特定角度且手臂夾緊觸碰到膝蓋后，判定用戶完成該動作，運動計數(shù)值加1。計數(shù)期間，所有監(jiān)測手環(huán)通過nRF24L01將數(shù)據(jù)匯總到統(tǒng)計終端，統(tǒng)計終端將數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上，方便監(jiān)考員監(jiān)督與記錄。比賽結束后，通過藍牙上傳數(shù)據(jù)給手機，用于后期數(shù)據(jù)的處理與保存。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本項目硬件由2個主要設備組成，一個是進行仰臥起坐計數(shù)的手環(huán)設備，另一個是進行組網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的終端設備。兩者共同的硬件組成有單片機、顯示模塊、無線通信模塊、地址選擇模塊。其中，手環(huán)還包含仰臥起坐運動監(jiān)測模塊，統(tǒng)計終端另含藍牙模塊。為了精簡布局，節(jié)約資源，本項目的手環(huán)和終端使用同一布局的PCB，采用直插件封裝，可以選擇不同的模塊，組成手環(huán)和終端兩套功能不同的

設備。

2.1 無線組網(wǎng)模塊的選擇

目前比較常用的無線通信方式有ZigBee、BlueTooth、WiFi等。實際使用中，BlueTooth無線傳輸協(xié)議在2.4 GHz頻段上會存在干擾，且無線組網(wǎng)難度大，連接時間長，不方便使用；WiFi硬件發(fā)熱量大，能耗高，價格昂貴，可支持設備總數(shù)量少，不適合做低功耗互聯(lián)手環(huán)；ZigBee模塊使用復雜，協(xié)議不公開，對新手來說難度大。

本項目使用Nordic公司出品的nRF24L01無線通信芯片，其具有體積小、功耗低、傳播距離遠等特點。nRF24L01采用Nordic自研的Enhanced ShortBurst協(xié)議，連接方式簡單，組網(wǎng)時間短，相對于ZigBee、BlueTooth通信方式，此無線通信方式速度快，便于快速組網(wǎng)和使用。此外，nRF24L01芯片屬于微型低功耗頻射芯片，內含頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器，相比WiFi硬件，此模塊價格低，擴展性強，發(fā)熱量少，非常適合做批量組網(wǎng)設備。

2.2 運動監(jiān)測模塊

監(jiān)測手環(huán)使用MPU6050姿態(tài)傳感器，配合霍爾傳感器與光敏電阻實現(xiàn)姿態(tài)判斷。MPU6050是由3個陀螺儀和

3個加速度傳感器組成的六軸運動處理組件，是一款六軸（三軸加速度+三軸角速度（陀螺儀））傳感器。以數(shù)字形式輸出六軸角度，經(jīng)過CH32運算后得出歐拉角，即X、Y、Z軸的旋轉角度。

在體育測試中，選手將監(jiān)測手環(huán)捆綁在手臂指定位置（如圖2），在比賽開始后，監(jiān)測手環(huán)中的MPU6050持續(xù)監(jiān)測選手的運動狀態(tài)，當與初始狀態(tài)的角度差達到一定程度時，監(jiān)測手環(huán)的運動計數(shù)值加1，持續(xù)累計，直到選手完成

比賽。

2.3 CH32單片機

CH32F103系列是沁恒出品的32位Cortex-M3 MCU，集成了時鐘安全機制、多級電源管理，具有2路USB 2.0接口、多通道TouchKey、通用DMA控制器等和多通道

12位ADC、12位DAC轉換模塊，多組定時器，CAN通信控制器，I2C/USART/SPI等豐富的外設資源。與ST系列意法半導體芯片相比，國產CH32系列具有功能完善、價格低廉、型號眾多等優(yōu)點，完美滿足監(jiān)測手環(huán)的需求。

2.4 OLED屏幕

在項目中，需要用屏幕提醒學生的身份號碼（即手環(huán)的物理地址）、仰臥起坐運動次數(shù)、無線組網(wǎng)通信是否成功等信息，方便選手確認身份號碼，通過讀取手環(huán)顯示數(shù)據(jù)來改進自己的運動姿勢，順利完成體育測試。

0.96英寸藍色OLED屏幕具有自發(fā)光、對比度高、無需背光LED燈、反應速度快、I2C通信、視角廣、使用溫度范圍大等優(yōu)點，可滿足項目要求。其原理如圖3所示。

2.5 波動開關模組

每個模塊通過6位波動開關確定監(jiān)測手環(huán)自身物理地址，開代表1，關代表0，即通過6位二進制數(shù)字指示其地址，例如將模塊的第3和4號開關打開，其他關閉，則代表001100，轉化為十進制，即物理地址為12號，MCU讀取信息后給每個監(jiān)測手環(huán)編號，使得統(tǒng)計終端可以一對一與其通信，確保信號的安全與準確。波動開關原理如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)不但要通過佩戴手環(huán)實現(xiàn)仰臥起坐的準確計數(shù)，還要通過控制終端（主機）實現(xiàn)手環(huán)（從機）的無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯總。主機和從機的通信流程如圖5所示。

3.1 MPU6050運動監(jiān)測

MPU6050芯片中設置了三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和溫度傳感器，但在實際使用中（比如做運動監(jiān)測）需要對單片機讀取的I2C原始數(shù)據(jù)進行處理，得到姿態(tài)數(shù)據(jù)[4-7]，即航向角（yaw）、俯仰角（pitch）和橫滾角（roll）。

在實際應用場景中，對利用I2C通信讀取的原始數(shù)據(jù)（三軸加速度、三軸陀螺儀、溫度）進行姿態(tài)計算[8-11]，借助MPU6050自帶的數(shù)字運動處理器DMP，結合官方InvenSense提供的嵌入式運動監(jiān)測庫，可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，實現(xiàn)濾波檢波[12]等功能，加快運算過程，縮短運算周期。在初始化過程中加入對DMP的初始化，可以將單片機讀取的原始數(shù)據(jù)直接轉化成四元數(shù)輸出，得到四元數(shù)后，再經(jīng)過單片機調用庫函數(shù)運算處理、記錄，推算出歐拉角[13]，即可進行運動員姿態(tài)分析。

計時開始后，MPU6050記錄學生當前三軸角度，學生開始做運動后，MPU6050持續(xù)讀取角度，并計算X、Y、Z軸的角度差。若用羅格里格斯公式[14]計算三軸角度差，需要大量運算，對于算力有限的嵌入式單片機CH32而言，需要占用大量資源，會導致主函數(shù)循環(huán)太慢，影響無線組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。為了簡化運算，本項目將對監(jiān)測手環(huán)的捆綁位置和裝置PCB布局進行優(yōu)化，使得仰臥起坐運動保持在一個軸上，進而簡化運算。

3.2 基于nRF24L01的無線組網(wǎng)

為實現(xiàn)大量設備同時組網(wǎng)，且滿足功耗低、體積小、易操作等需求，本項目選用nRF24l01以滿足無線組網(wǎng)的技術需求[15]。

如果要求2個nRF24L01實現(xiàn)通信，則需滿足以下4個條件：

（1）發(fā)射、接收的數(shù)據(jù)寬度相同；

（2）發(fā)射、接收的物理地址相同（共5個8 bit地址）；

（3）發(fā)射、接收的頻道相同；

（4）發(fā)射、接收的速率相同。

因為nRF24L01會把發(fā)送地址、接收地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送，所以不能實現(xiàn)像廣播那樣一發(fā)多收。但由于發(fā)送接收時間極短，終端設備可以在極短的時間內快速訪問多個模塊，以達到一對多通信效果。主要代碼如下：

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;// SPI設置為全雙工

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

//設置為主SPI

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

// SPI發(fā)送接收8位幀結構

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//時鐘懸空高

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;

//數(shù)據(jù)捕獲于第二個時鐘沿

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

//內部NSS信號有SSI位控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;//波特率

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

//數(shù)據(jù)傳輸從MSB位開始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

//CRC值計算的多項式

SPI_Init（SPI2， amp;SPI_InitStructure）;

//根據(jù)參數(shù)初始化外設SPIx寄存器

nRF24L01的無線組網(wǎng)模式有以下幾種可以選擇：

（1）修改不同的地址，向目標物理地址的nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）修改nRF24L01的發(fā)送頻道實現(xiàn)一對多通信。

實驗證明，通過修改nRF24L01的發(fā)送頻道來實現(xiàn)一對多通信的方法并不可行，因為相鄰的頻道選擇會產生干擾，例如從機1的頻道是15，從機2的頻道是20，那么2個頻道之間會存在干擾，導致接收數(shù)據(jù)錯誤。為減小頻道干擾，擴大了頻道距離，但頻道的范圍為0～125，所以實際中可組網(wǎng)的設備少，不能滿足實際使用需求。故本項目修改不同地址來實現(xiàn)一對多無線組網(wǎng)，理論上可以實現(xiàn)2 555個設備無線組網(wǎng)，滿足實際需要，且信息不會相互干擾，實施過程簡單。設定收發(fā)地址的代碼如下：

u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34，0x43，0x10，0x10，0xff};//發(fā)送地址

u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34，0x43，0x10，0x10，0xff};//接收地址

3.3 數(shù)據(jù)采集方式的選擇

在體育考試裝置中，每一個模塊都有一個獨一無二的地址，主機通過輪詢的方式采集每個從機的數(shù)據(jù)。

（1）主機：上電后自動為發(fā)送模式，主機每次給一個從機地址發(fā)送詢問成績信號0xff，若從機收到信號，則主機切換為接收模式接收數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)切換為發(fā)送模式繼續(xù)詢問下一個地址。若沒有目標從機，則詢問5次后，自動切換為下一個地址繼續(xù)發(fā)送‘詢問成績’信號。

（2）從機：從機上電后，自動切換為接收模式，當接收到主機發(fā)送的詢問成績信號0xff時，從機切換為發(fā)送模式，將成績等信息發(fā)送給主機，發(fā)送完畢自動切換為接收模式，開始等待下一次主機的詢問。

nRF24L01可以設置通信頻率為10 MHz，統(tǒng)計終端和每個監(jiān)測手環(huán)以極快的速度一對一傳送數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)可以及時匯總，實時更新，實現(xiàn)一對多精準快速的數(shù)據(jù)采集。

部分代碼如下：

while（zhu_cong==0）//從模式

{OLED_ShowNum（104，2，Time，4，12）;//OLED屏GUI設計

OLED_ShowNum（0，5，motion_times，4，12）; //OLED屏GUI設計

OLED_ShowNum（104，4，predict_time，4，12）;

//OLED屏GUI設計

cong_judge（）;//檢測運動狀態(tài)

res[0]=motion_times; //運動次數(shù)傳入發(fā)送數(shù)組

cong_shou（res，tmp_buf）;//監(jiān)聽主機，收到立刻發(fā)送數(shù)據(jù)

if（tmp_buf[2]==1）{TIM_Cmd（TIM3，ENABLE）; predict_time=tmp_buf[3]; }//主機發(fā)送時間給從機

else if（tmp_buf[2]==0）{TIM_Cmd（TIM3，DISABLE）; break; }

if（Timegt;predict_time）//判斷是否超過設定時間

{ while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOC，GPIO_Pin_14）==1）{predict_time=0; }

break;

}

mpu_dmp_get_data（amp;pitch，amp;roll，amp;yaw）;//讀取歐拉角

}

手持終端采集每個監(jiān)測手環(huán)的數(shù)據(jù)，計時結束時，將數(shù)據(jù)打包，通過藍牙模塊與手機串口助手連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總與上報。

void u3_printf（char* fmt，...）

{

u16 i，j;

va_list ap;

va_start（ap，fmt）;

vsprintf（（char*）USART2_TX_BUF，fmt，ap）;

va_end（ap）;

i=strlen（（const char*）USART2_TX_BUF）;//發(fā)送數(shù)據(jù)長度

for（j=0; jlt;i; j++）//發(fā)送數(shù)據(jù)

{while（USART_GetFlagStatus（USART2，USART_FLAG_TC）==RESET）;

USART_SendData（USART2，USART2_TX_BUF[j]）;

}

}

4 實驗過程

為確保系統(tǒng)整體設計的科學性與可行性，本實驗以大學生體測的仰臥起坐作為測試項目，一人手攜統(tǒng)計終端，全程觀察數(shù)據(jù)，另有多人穿戴監(jiān)測手環(huán)，分批多次加入實驗，測試系統(tǒng)運行參數(shù)與狀態(tài)。

4.1 MPU6050監(jiān)測準確度實驗

將監(jiān)測手環(huán)準確配帶在一位選手手臂上，監(jiān)測手環(huán)和統(tǒng)計終端開機，通過按鈕調整統(tǒng)計終端的比賽時間，按下“開始”，選手開始做仰臥起坐，先做20個標準姿勢的仰臥起坐，觀察統(tǒng)計終端的運動次數(shù)計數(shù)值是否準確，然后做姿勢不標準的仰臥起坐20個，觀察統(tǒng)計終端的運動次數(shù)計數(shù)值是否增加（即測試監(jiān)測手環(huán)是否誤判），實驗結果見表1、表2所列。結果表明，本手環(huán)可以對符合標準的仰臥起坐進行準確計數(shù)，非標準仰臥起坐能夠準確排除。

4.2 正常過程實驗

首先測試手環(huán)和終端的工作時間。在空曠的場地下，被測試人員正確配帶監(jiān)測手環(huán)，另有一人手持統(tǒng)計終端。比賽開始前，通過終端按鍵調整比賽時間，如設定計時60 s，然后按下“開始”，比賽開始后，測試人員開始做標準仰臥起坐，觀察統(tǒng)計終端屏幕上的成績以及各模塊的執(zhí)行時間，見表3所列。經(jīng)實驗證明，仰臥起坐一次的時間遠超手環(huán)的執(zhí)行時間，不會造成信息延遲。

遞增測試手環(huán)，進一步測試多個手環(huán)同時工作的測試數(shù)據(jù)準確度。規(guī)定每個測試人員每次實驗做30個標準仰臥起坐，在統(tǒng)計終端觀察數(shù)據(jù)，是否存在誤檢測。每次遞增2個測試手環(huán)，結果見表4所列。實驗結果表明，本手環(huán)組網(wǎng)后可以實現(xiàn)多人仰臥起坐的準確計數(shù)。

4.3 異常過程實驗

（1）通信阻塞實驗。統(tǒng)計終端（主機）地址設定為8個，即每次輪詢8個地址，手環(huán)（即從機）只開啟4個，即主機每次輪詢只有4個從機地址會應答，其他4個地址主機會一直重復發(fā)送“詢問成績”的信息，但是不會有應答。實驗顯示，同一個地址主機會重復詢問5次，超出則主機跳過該地址，繼續(xù)詢問下一個地址，不會阻塞。

（2）組網(wǎng)失敗測試。在比賽進行時，將手環(huán)拿到通信距離之外，即斷開無線組網(wǎng)，讓選手做2個仰臥起坐，接著再拿回通信距離之內，觀察主機計數(shù)值是否更新。實驗顯示，在比賽時間內，通信信號丟失不會影響整體成績，在規(guī)定時間內恢復通信即可恢復比賽數(shù)據(jù)。

測試結果表明，本系統(tǒng)可以在正常通信距離內實現(xiàn)多個監(jiān)測手環(huán)無線組網(wǎng)，并行傳遞數(shù)據(jù)，在部分手環(huán)通信中斷后，也不會影響整體的無線組網(wǎng)，當失聯(lián)手環(huán)恢復通信后，數(shù)據(jù)可以無損恢復，失聯(lián)狀態(tài)的數(shù)據(jù)不會丟失，證明系統(tǒng)運行可靠。

5 結 語

目前大部分學校體育考試還是人力監(jiān)考，一名學生配一名計數(shù)員計數(shù)，效率低下且人為因素影響大。本文設計的手環(huán)及其終端設備完美解決了上述問題。不僅實現(xiàn)了仰臥起坐的準確計數(shù)，還可實時傳輸數(shù)據(jù)，便于匯總統(tǒng)計。在遇到通信中斷時，手環(huán)個體也能正常運行，通信恢復后可恢復失聯(lián)手環(huán)的數(shù)據(jù)，魯棒性好。另外，本產品使用國產系列單片機，設計成本低，具有競爭優(yōu)勢。

注：本文通訊作者為臧秋華。

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收稿日期：2023-04-10 修回日期：2023-05-16

基金項目：2021年江蘇省高等教育教改研究課題（2021JSJG367）；2021年江蘇高校教學研究工作專項課題（2021JSJY059）；2021年新工科教育教改研究課題（XJXGKZ04）；2022年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202210320063Z）；2022年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202210320090Y）