基于LoRa技术的篮球场使用情况监测系统设计

石丹丹 辛红霖 郭笙城 曾孟佳

摘要：目前，很多高校存在多校区办学情况，各校区篮球场分布相对分散，很大程度上方便了学生的就近活动，但使得不同校区的学生无法及时得知其他校区篮球场的使用情况，导致学生在各校区间频繁往来浪费时间，而地域上分散的篮球场也使得管理部门的管理成本增加。针对这些问题，设计了一种基于LoRa技术的篮球场使用情况监测系统，核心是基于LoRa的无线数据采集网络。通过在篮球架上安装震动传感器对篮球场的使用情况进行前端数据采集，利用LoRa网关将采集到的数据传送至服务器，服务器将数据存储至数据库，数据库中的数据经单片机处理分析后以可视化的形式传给用户。由此，学生可以随时随地了解各篮球场的使用情况，减少不必要的奔波，管理部门也能大大减少管理成本，提升管理和维护效率。

关键词：篮球场；LoRa技术；震动传感器；监测系统

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）21-60-5

0引言

籃球运动是当代大学生最为喜欢的运动项目之一，因此篮球场的使用频率也是非常高的。为了满足学生的使用需求，篮球场在数量上一般设置较多并且位置分散，对于一些校区规模较大的学校，地理位置的分散使得管理十分不便[1]。现阶段，大部分高校对于篮球场的管理往往采用人员定期维护的方式，但存在很多弊端，因此，能够及时获取和掌握篮球场的使用情况，从而不需要投入大量的资源就能完成相关数据的准确采集和显示，对于高校的基础设施管理方来说具有重大意义[2]。

LoRa技术是由Semtech公司发布的一种新型的基于线性跳频扩频调制技术，不仅拥有像频移键控（Frequency-shift Keying，FSK）调制相同的低功耗优点，而且更大程度地增加了通信距离[3-4]。同时，LoRa也是一种远程广域网无线通信技术，相较于其他无线技术（如蓝牙、WiFi），其高性能、远距离、低功耗、支持大规模组网、测距和定位等方面有着更优秀的表现，高达157 dB的链路预算使其通信距离可以达到15 km以上，在空旷的地方甚至更远。LoRa技术推出后，因为它超高的灵敏度（-148 dBm）、优良的抗干扰能力以及不俗的系统容量表现，赢得了更大范围的关注，给人们呈现了一个能实现远距离、系统容量大、功耗和成本低的全新通信技术，彻底改变了无线通信领域的局面，使得该技术在物联网应用中有着广泛的前景[5]。

基于LoRa技术的上述优点，结合篮球场管理中的痛点和问题，设计了一种基于LoRa技术的篮球场使用情况监测系统，以达到及时知晓篮球场使用情况数据，提升管理质量的目的。首先，在各个篮球场的篮球架上部设震动传感器，通过传感器震动情况判断篮球架是否是使用状态，并将此数据通过LoRa节点通信模块传给LoRa网关。LoRa网关负责将数据进行融合并安全、可靠地传输至服务器，服务器端应用程序将数据存储至数据库，数据库中的数据经单片机处理并分析后，将分析结果以可视化的形式发送给用户。这样，用户能够不受时间、地点的限制随时随地及时了解各篮球场使用情况，篮球运动者可以不用奔波多个校区寻找空闲篮球场使用，而管理者也可以方便高效地实现对多校区篮球场的管理[6]。

1系统架构设计

1.1篮球场使用情况监测系统

篮球场使用情况监测系统主要分为4层：数据采集层、数据库层、数据处理层和应用层。系统框架设计如图1所示。

篮球场使用情况监测系统各层功能如下：

①数据采集层：由多个监测震动的采集节点组成，安装在篮板和篮球框上面，通过震动得到数据。每个采集节点设计了太阳能电板和锂电池，加强了采集节点的续航能力；设计了实时时钟电路，用于采集震动时间，方便统计篮球场的使用时间；设计了数据存储电路，方便对震动数据的记录。

②数据库层：用来存储采集节点采集到的数据，使用MySQL数据库来存储震动信息，方便对震动信息的查看和分析，节省人力、物力。

③数据处理层：包括对数据的处理和传输，使用LoRa无线技术，利用其低耗能、传播距离远、有效范围的特性，传到数据库后经单片机分析数据，最后将分析的数据经LoRa技术传给用户，增加了数据的直观性。

④应用层：用于显示处理结果。通过手机App将数据展示给使用者看，节省了用户观看繁琐的震动信息，并从中提取有用的时间信息[7]。

1.2系统基本架构

系统通过监测节点采集篮球场的数据，将采集到的数据通过LoRa基站上传到网络服务器的数据库中，最后通过算法将数据可视化并在应用服务器上显示出来。系统基本架构如图2所示。

系统基本架构的各部分功能如下：

①监测节点：通过震动采集节点采集篮球场的震动情况，从而判断篮球场是否在使用，并使用LoRa线性扩频调制技术，遵守LoRaWAN协议规范，实现点对点远距离传输。

②LoRa基站：负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发。

③网络服务器：负责进行MAC层处理，包括消除重复的数据包、自适应速率选择、网关管理和选择、进程确认及安全管理等。

④应用服务器：从网络服务器获取应用数据，管理数据负载的安全性，分析并利用传感器数据，进行应用状态展示等。

2硬件平台设计

2.1 LoRa基站设计

网关和网络服务器通过以太网回传、无线通信技术（如2G，3G，4G）或串口通信建立通信链路，使用标准的TCP/IP协议，通过LoRa节点到LoRa网关的组网形式对采集数据进行传输[8]。LoRa基站的基本架构如图3所示。

2.2硬件架构设计

本项目的硬件平台主要由控制模块、LoRa通信模块以及相关外部接口构成。系统硬件架構如图4所示。

系统硬件架构各模块功能和设计如下：

①控制模块：由单片机构成微控制电路核心，主要用于接收LoRa模块采集的震动传感器的数据，并将这些数据进行分析和存储。单片机选择ST公司的STM32L053R8T6，该型号单片机具有超低功耗的特点，时钟频率为12 MHz，复位电路为提高系统可靠性采用容阻复位方式[9]。

②LoRa模块：采用基于Semtech公司SX1278芯片研发的无线数传模块，具有高效的接收灵敏度和强抗干扰性能，灵敏度可以达到-148 dBm，链路预算最大达168 dB，最远传输距离超过15 km；改变M0和M1数值可以进行模式设置，分别为一般模式、省电模式、唤醒模式和休眠模式，引脚AUX用作指示状态切换和数据传输接收提醒。

③UART接口：UART是一种通用的串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收，在本系统中UART接口主要用于控制模块和LoRa模块的连接，通过TXD、RXD引脚进行数据传递[10]。

④振动传感器模块：振动传感器分为压电式、磁电式和微型振动传感器3种。在系统中采用的是压电片谐振式，使用压电片接收篮球框下的振动信号，由于压电片的谐振频率较高，为了有效降低谐振的频率，在系统中使用加大压电片振动体的质量的方法来实现，并在其中运用弹簧球代替附加物，降低了谐振频率，增强了振动效果。其优点是灵敏度较高，结构简单。

⑤电源模块：系统采用温度PH变送器BPHT-RS485，用电压为12 V的电池对系统供电，并通过稳压器模块LM7805和LM317将其降压至3.3 V，用以提供STM32处理器和其他模块及外围电路的供电。

⑥JTAG接口：将程序写入单片机中。JTAG编程方式是在线编程，与传统生产流程中先对芯片进行预编程然后再装到板上不同，JTAG编程可以将流程简化为先固定器件到电路板上，然后在进行编程，可以在后期根据需要对程序进行改进，大大加快工程进度[11]。

⑦LoRa通信节点模块设计：本项目的LoRa通信网络由LoRa基站与LoRa节点组成星型网络架构。其中LoRa节点中SX1278芯片与单片机连接，经发射电路和接收电路与射频开关联系，最终将信号通过SMA天线传输[12]。LoRa模块架构如图5所示。

3软件设计

3.1后端程序设计

系统的后端程序主要包括交互程序、震动采集点程序以及网关程序等。交互程序主要是采集节点和网关之间的信息传输；震动采集点程序主要进行数据采集信息的传输以及定位信息的传输；网关程序主要负责网关和数据库的交互。

3.1.1交互程序设计

震动采集节点和网关之间采用半互锁异步通信模式。采集节点采集数据后，向网关发送建立连接的请求之后等待网关的回复[13]。采集节点收到回复后，二者建立连接发送数据，数据发送完成后则不需要再次等待网关的回复。交互流程如图6所示。

3.1.2震动采集节点程序设计

震动采集节点初次上电后，会进行一次定位来确定篮球场的位置，之后则不再定位，可节省时间、降低功耗[14]。采集数据后节点会向网关发送请求，收到回复，则将数据发送给网关，完成后进入待机状态，等待下一次唤醒，如没有收到回复，则删除数据进入待机状态。每次有震动信息节点都会上传数据。采集节点流程图如图7所示。

3.1.3网关程序设计

网关常开，以便随时响应震动采集节点的请求。网关接收数据后，直接将数据发送给LoRa基站；基站再将数据保存到MySQL数据库中[15]。网关流程如图8所示。

3.2前端页面设计

本软件主要是为了方便管理部门和学生查看篮球场的使用情况，利于使用者随时查询篮球场的使用情况，节省时间。主要功能是显示篮球场使用情况、显示篮球场的震动信息、使用情况统计结果以及历史消息。

①显示页面：主要显示被算法处理后的结果，包括一张学校的俯视地图，上面为每个篮球场进行编号，编号后面是使用情况，空闲显示绿色方块，使用中显示红色方块。

②震动信息页面：显示震动采集节点采集的信息，此信息未经处理，主要是为了方便专业人士浏览。

③统计页面：将每个篮球场的使用情况进行了统计，可以快速看出篮球场的使用情况，方便管理者快速查看各个篮球场的使用频率，以便维护。

④历史页面：用于存放历史记录，可以观看以前的震动信息和篮球场的使用情况，利于管理者自己把控时间，不需要实时关注。

前端的各个页面从不同角度满足不同用户的需求，学生通过显示页面中学校的俯视地图上高对比度的红色和绿色区域可以清楚得知其他校区篮球场使用情况，节省大量时间。维修人员可以从震动信息页面上的数据来判断是否应对篮球框进行维护。系统也会对数据进行简单的分析处理显示在统计页面，管理者可以查看该页面，快速了解学校不同校区的每个篮球场的使用频率，以便对多个校区篮球场进行高效的管理。通过历史页面，管理者也可以了解过往的篮球场使用情况，方便管理者指派维修人员避开篮球场使用高峰期对篮球场进行维护，保障学生对篮球场的正常使用。

4结束语

本文将LoRa技术应用在高校的篮球场中设计了一种基于LoRa技术的篮球场使用情况监测系统，利用LoRa技术高性能、低功耗、远距离等优点。采用震动传感器对篮球场的使用情况进行前端数据采集，再利用LoRa技术将数据传回数据库，以供管理者进一步掌握数据，同时减少了高校的管理成本。目前市面上采用LoRa技术实现对篮球场使用情况的监测并不多见，因此本文设计的篮球场使用情况监测系统对今后研究有一定参考价值。

参考文献

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