基于LoRa的运动数据采集系统设计

（北方工业大学 信息学院，北京 100144）

0 引 言

自北京举办2008届奥运会后，竞技体育在全国蓬勃发展，我国运动员在全球各地取得了很多荣誉，这也增加了竞技体育用品的需求。当代竞技体育变得越来越精彩的同时，比赛也变得越来越激烈。将物联网技术与体育运动相结合，使体育运动变得智能化，可以更加有效地提升运动员的运动竞技水平[1]。

本次研发的基于LoRa的运动数据采集系统对于教练员检测运动员运动数据，改进技术动作具有一定指导意义[2]。

1 系统方案设计

为了增强系统的可维护性，系统采用模块化设计思想进行设计。各模块与主控芯片相结合，实现数据的测量、存储和实时传输等功能。

本次课题所要研究的内容为基于LoRa的运动数据采集系统设计。系统主要分为上位机与下位机两部分。下位机在ARM构架的Cortex-M3上进行设计，结合力度传感器、前端放大器、模数转换元件、无线发送LoRa模块实现运动数据的采集与发送。电脑上位机对下位机传输的运动数据进行存储。电桥搭建的力度传感器和ADA4528-1共同组成前端放大电路，放大后的信号经由模数转换器AD7791送入MCU进行运算得到实际力度值，最后通过物联网套件LoRa发送到电脑存储。系统软件仿真如图1所示，系统硬件框图如图2所示。

图1 系统软件仿真

图2 系统硬件框图

2 系统硬件设计

系统下位机采用STM32芯片作为核心处理器，外部由测力模块与无线通信模块等组成。测力模块主要包括力度传感器、差分放大电路、AD7791模数转换部分。

2.1 前端放大电路设计

前端放大电路由电桥组成的力度传感器和外部零漂移放大器ADA4528-1等构成。ADA4528-1是一种特别适合放大直流和低频低电平信号的零漂移运算放大器，它可以尽最大可能降低信号中的干扰，具有轨到轨输入输出摆幅。

采用2片ADA4528-1和相应的滤波器组成差分放大电路，在输入信号时连接基准信号，以避免共模噪声的影响。在经过多个滤波器的反复滤波后，便可以很好地达到性能指标。前端差分放大电路仿真如图3所示，其中电容C1，C2和R5，R6组成低通滤波器，电容C5和R7，R8组成差分滤波器，C3，C4和R7，R8构成共模滤波器，三种滤波器可以有效将放大后的信号进行滤波和噪声抑制，放大滤波后的模拟信号就可以传送到AD7791中[3]。ADA4528-1的增益计算公式为：

图3 前端差分放大电路仿真

本次前端R5的值设置为11.3 kΩ，R9的值设置为60.4 Ω，通过公式（1）计算出ADA4528-1放大的倍数为375。

2.2 模数转换模块AD7791设计

AD7791是采用Σ-Δ转换技术的24位高精度模数转换器，选择SPI接口和MCU进行数据传输[4]。AD7791具有精度高、功耗低等特点，AD7791对低频信号友好且精度更高。AD7791内部进行模数转换时采用和-差转换技术，该技术可以将噪声产生的影响降到最低。图4所示为A/D转换时序图。AD7791测量公式为：

图4 A/D转换时序图

式中：D为A/D转换后的数据；V1为实际力度传感器得到的模拟信号电压值；S为AD7791基准电压。比值法可以很好地测量信号的微小变化。

2.3 无线通信LoRa模块SX1278设计

LoRa具有通信距离远、功耗低、组网便捷、实时性好等特点[5]。本次课题选择SX1278芯片。SX1278芯片可以支持较多调制模式，包括二进制频移键控、高斯频移键控、二进制振幅键控、高斯滤波最小频移键控。SX1278拥有6种扩频因子，频率范围为7.8～500 kHz。图5所示为LoRa框图。

图5 LoRa框图

3 系统软件设计

本系统下位机软件包含GPIO初始化、USART初始化、SPI接口初始化、采集数据、发送数据部分。图6所示为下位机软件流程。

图6 下位机软件流程

4 测试及分析

图7所示为数据采样图。实线表示30 s内采集到的AD7791输出的数字信号值，由图可知，数据在14 500 000上下波动，虚线为消除误差后的数据值，该值在203 200 000上下波动。根据放大倍数和模数转换公式可得14 500 000所对应的电桥电压为11.523 mV。

图7 数据采样图

不同电阻搭建的电桥对应的压差如图8所示。本系统采用的电阻为1 500 000 Ω和1 501 950 Ω，理论值应为3.242 mV，但由于电阻本身所具有的误差可能导致数据出现上图所示的误差，因此当电阻误差达到3 kΩ时，电桥压差已达到11.562 mV。本次课题所得结果在误差允许范围内。

图8 电桥对应压差

5 结 语

文中设计的基于LoRa的运动数据采集系统经过测试，发现系统运行稳定，且误差处于允许范围内，因此具有较好的应用性。