基于LoRa技術的籃球場使用情況監測系統設計

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辦學情況，各校區籃球場分布相對分散，很大程度上方便了學生的就近活動，但使得不同校區的學生無法及時得知其他校區籃球場的使用情況，導致學生在各校區間頻繁往來浪費時間，而地域上分散的籃球場也使得管理部門的管理成本增加。針對這些問題，設計了一種基于LoRa技術的籃球場使用情況監測系統，核心是基于LoRa的無線數據采集網絡。通過在籃球架上安裝震動傳感器對籃球場的使用情況進行前端數據采集，利用LoRa網關將采集到的數據傳送至服務器，服務器將數據存儲至數據庫，數據庫中的數據經單片機處理分析后以可視化的形式傳給用戶。由此，學生可以隨時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，提升管理和維護效率。

關鍵詞：籃球場；LoRa技術；震動傳感器；監測系統

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）21-60-5

0引言

籃球運動是當代大學生最為喜歡的運動項目之一，因此籃球場的使用頻率也是非常高的。為了滿足學生的使用需求，籃球場在數量上一般設置較多并且位置分散，對于一些校區規模較大的學校，地理位置的分散使得管理十分不便[1]。現階段，大部分高校對于籃球場的管理往往采用人員定期維護的方式，但存在很多弊端，因此，能夠及時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數據的準確采集和顯示，對于高校的基礎設施管理方來說具有重大意義[2]。

LoRa技術是由Semtech公司發布的一種新型的基于線性跳頻擴頻調制技術，不僅擁有像頻移鍵控（Frequency-shift Keying，FSK）調制相同的低功耗優點，而且更大程度地增加了通信距離[3-4]。同時，LoRa也是一種遠程廣域網無線通信技術，相較于其他無線技術（如藍牙、WiFi），其高性能、遠距離、低功耗、支持大規模組網、測距和定位等方面有著更優秀的表現，高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可以達到15 km以上，在空曠的地方甚至更遠。LoRa技術推出后，因為它超高的靈敏度（-148 dBm）、優良的抗干擾能力以及不俗的系統容量表現，贏得了更大范圍的關注，給人們呈現了一個能實現遠距離、系統容量大、功耗和成本低的全新通信技術，徹底改變了無線通信領域的局面，使得該技術在物聯網應用中有著廣泛的前景[5]。

基于LoRa技術的上述優點，結合籃球場管理中的痛點和問題，設計了一種基于LoRa技術的籃球場使用情況監測系統，以達到及時知曉籃球場使用情況數據，提升管理質量的目的。首先，在各個籃球場的籃球架上部設震動傳感器，通過傳感器震動情況判斷籃球架是否是使用狀態，并將此數據通過LoRa節點通信模塊傳給LoRa網關。LoRa網關負責將數據進行融合并安全、可靠地傳輸至服務器，服務器端應用程序將數據存儲至數據庫，數據庫中的數據經單片機處理并分析后，將分析結果以可視化的形式發送給用戶。這樣，用戶能夠不受時間、地點的限制隨時隨地及時了解各籃球場使用情況，籃球運動者可以不用奔波多個校區尋找空閑籃球場使用，而管理者也可以方便高效地實現對多校區籃球場的管理[6]。

1系統架構設計

1.1籃球場使用情況監測系統

籃球場使用情況監測系統主要分為4層：數據采集層、數據庫層、數據處理層和應用層。系統框架設計如圖1所示。

籃球場使用情況監測系統各層功能如下：

①數據采集層：由多個監測震動的采集節點組成，安裝在籃板和籃球框上面，通過震動得到數據。每個采集節點設計了太陽能電板和鋰電池，加強了采集節點的續航能力；設計了實時時鐘電路，用于采集震動時間，方便統計籃球場的使用時間；設計了數據存儲電路，方便對震動數據的記錄。

②數據庫層：用來存儲采集節點采集到的數據，使用MySQL數據庫來存儲震動信息，方便對震動信息的查看和分析，節省人力、物力。

③數據處理層：包括對數據的處理和傳輸，使用LoRa無線技術，利用其低耗能、傳播距離遠、有效范圍的特性，傳到數據庫后經單片機分析數據，最后將分析的數據經LoRa技術傳給用戶，增加了數據的直觀性。

④應用層：用于顯示處理結果。通過手機App將數據展示給使用者看，節省了用戶觀看繁瑣的震動信息，并從中提取有用的時間信息[7]。

1.2系統基本架構

系統通過監測節點采集籃球場的數據，將采集到的數據通過LoRa基站上傳到網絡服務器的數據庫中，最后通過算法將數據可視化并在應用服務器上顯示出來。系統基本架構如圖2所示。

系統基本架構的各部分功能如下：

①監測節點：通過震動采集節點采集籃球場的震動情況，從而判斷籃球場是否在使用，并使用LoRa線性擴頻調制技術，遵守LoRaWAN協議規范，實現點對點遠距離傳輸。

②LoRa基站：負責接收終端節點的上行鏈路數據，然后將數據聚集到一個各自單獨的回程連接，解決多路數據并發問題，實現數據收集和轉發。

③網絡服務器：負責進行MAC層處理，包括消除重復的數據包、自適應速率選擇、網關管理和選擇、進程確認及安全管理等。

④應用服務器：從網絡服務器獲取應用數據，管理數據負載的安全性，分析并利用傳感器數據，進行應用狀態展示等。

2硬件平臺設計

2.1 LoRa基站設計

網關和網絡服務器通過以太網回傳、無線通信技術（如2G，3G，4G）或串口通信建立通信鏈路，使用標準的TCP/IP協議，通過LoRa節點到LoRa網關的組網形式對采集數據進行傳輸[8]。LoRa基站的基本架構如圖3所示。

2.2硬件架構設計

本項目的硬件平臺主要由控制模塊、LoRa通信模塊以及相關外部接口構成。系統硬件架構如圖4所示。

系統硬件架構各模塊功能和設計如下：

①控制模塊：由單片機構成微控制電路核心，主要用于接收LoRa模塊采集的震動傳感器的數據，并將這些數據進行分析和存儲。單片機選擇ST公司的STM32L053R8T6，該型號單片機具有超低功耗的特點，時鐘頻率為12 MHz，復位電路為提高系統可靠性采用容阻復位方式[9]。

②LoRa模塊：采用基于Semtech公司SX1278芯片研發的無線數傳模塊，具有高效的接收靈敏度和強抗干擾性能，靈敏度可以達到-148 dBm，鏈路預算最大達168 dB，最遠傳輸距離超過15 km；改變M0和M1數值可以進行模式設置，分別為一般模式、省電模式、喚醒模式和休眠模式，引腳AUX用作指示狀態切換和數據傳輸接收提醒。

③UART接口：UART是一種通用的串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收，在本系統中UART接口主要用于控制模塊和LoRa模塊的連接，通過TXD、RXD引腳進行數據傳遞[10]。

④振動傳感器模塊：振動傳感器分為壓電式、磁電式和微型振動傳感器3種。在系統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信號，由于壓電片的諧振頻率較高，為了有效降低諧振的頻率，在系統中使用加大壓電片振動體的質量的方法來實現，并在其中運用彈簧球代替附加物，降低了諧振頻率，增強了振動效果。其優點是靈敏度較高，結構簡單。

⑤電源模塊：系統采用溫度PH變送器BPHT-RS485，用電壓為12 V的電池對系統供電，并通過穩壓器模塊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：將程序寫入單片機中。JTAG編程方式是在線編程，與傳統生產流程中先對芯片進行預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，然后在進行編程，可以在后期根據需要對程序進行改進，大大加快工程進度[11]。

⑦LoRa通信節點模塊設計：本項目的LoRa通信網絡由LoRa基站與LoRa節點組成星型網絡架構。其中LoRa節點中SX1278芯片與單片機連接，經發射電路和接收電路與射頻開關聯系，最終將信號通過SMA天線傳輸[12]。LoRa模塊架構如圖5所示。

3軟件設計

3.1后端程序設計

系統的后端程序主要包括交互程序、震動采集點程序以及網關程序等。交互程序主要是采集節點和網關之間的信息傳輸；震動采集點程序主要進行數據采集信息的傳輸以及定位信息的傳輸；網關程序主要負責網關和數據庫的交互。

3.1.1交互程序設計

震動采集節點和網關之間采用半互鎖異步通信模式。采集節點采集數據后，向網關發送建立連接的請求之后等待網關的回復[13]。采集節點收到回復后，二者建立連接發送數據，數據發送完成后則不需要再次等待網關的回復。交互流程如圖6所示。

3.1.2震動采集節點程序設計

震動采集節點初次上電后，會進行一次定位來確定籃球場的位置，之后則不再定位，可節省時間、降低功耗[14]。采集數據后節點會向網關發送請求，收到回復，則將數據發送給網關，完成后進入待機狀態，等待下一次喚醒，如沒有收到回復，則刪除數據進入待機狀態。每次有震動信息節點都會上傳數據。采集節點流程圖如圖7所示。

3.1.3網關程序設計

網關常開，以便隨時響應震動采集節點的請求。網關接收數據后，直接將數據發送給LoRa基站；基站再將數據保存到MySQL數據庫中[15]。網關流程如圖8所示。

3.2前端頁面設計

本軟件主要是為了方便管理部門和學生查看籃球場的使用情況，利于使用者隨時查詢籃球場的使用情況，節省時間。主要功能是顯示籃球場使用情況、顯示籃球場的震動信息、使用情況統計結果以及歷史消息。

①顯示頁面：主要顯示被算法處理后的結果，包括一張學校的俯視地圖，上面為每個籃球場進行編號，編號后面是使用情況，空閑顯示綠色方塊，使用中顯示紅色方塊。

②震動信息頁面：顯示震動采集節點采集的信息，此信息未經處理，主要是為了方便專業人士瀏覽。

③統計頁面：將每個籃球場的使用情況進行了統計，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籃球場的使用頻率，以便維護。

④歷史頁面：用于存放歷史記錄，可以觀看以前的震動信息和籃球場的使用情況，利于管理者自己把控時間，不需要實時關注。

前端的各個頁面從不同角度滿足不同用戶的需求，學生通過顯示頁面中學校的俯視地圖上高對比度的紅色和綠色區域可以清楚得知其他校區籃球場使用情況，節省大量時間。維修人員可以從震動信息頁面上的數據來判斷是否應對籃球框進行維護。系統也會對數據進行簡單的分析處理顯示在統計頁面，管理者可以查看該頁面，快速了解學校不同校區的每個籃球場的使用頻率，以便對多個校區籃球場進行高效的管理。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籃球場進行維護，保障學生對籃球場的正常使用。

4結束語

本文將LoRa技術應用在高校的籃球場中設計了一種基于LoRa技術的籃球場使用情況監測系統，利用LoRa技術高性能、低功耗、遠距離等優點。采用震動傳感器對籃球場的使用情況進行前端數據采集，再利用LoRa技術將數據傳回數據庫，以供管理者進一步掌握數據，同時減少了高校的管理成本。目前市面上采用LoRa技術實現對籃球場使用情況的監測并不多見，因此本文設計的籃球場使用情況監測系統對今后研究有一定參考價值。

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