基于LoRa的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

自北京舉辦2008屆奧運(yùn)會(huì)后，競(jìng)技體育在全國(guó)蓬勃發(fā)展，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員在全球各地取得了很多榮譽(yù)，這也增加了競(jìng)技體育用品的需求。當(dāng)代競(jìng)技體育變得越來(lái)越精彩的同時(shí)，比賽也變得越來(lái)越激烈。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與體育運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，使體育運(yùn)動(dòng)變得智能化，可以更加有效地提升運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)競(jìng)技水平[1]。

本次研發(fā)的基于LoRa的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)于教練員檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作具有一定指導(dǎo)意義[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。各模塊與主控芯片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

本次課題所要研究的內(nèi)容為基于LoRa的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分。下位機(jī)在ARM構(gòu)架的Cortex-M3上進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合力度傳感器、前端放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換元件、無(wú)線發(fā)送LoRa模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。電腦上位機(jī)對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。電橋搭建的力度傳感器和ADA4528-1共同組成前端放大電路，放大后的信號(hào)經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791送入MCU進(jìn)行運(yùn)算得到實(shí)際力度值，最后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)套件LoRa發(fā)送到電腦存儲(chǔ)。系統(tǒng)軟件仿真如圖1所示，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)軟件仿真

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)采用STM32芯片作為核心處理器，外部由測(cè)力模塊與無(wú)線通信模塊等組成。測(cè)力模塊主要包括力度傳感器、差分放大電路、AD7791模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。

2.1 前端放大電路設(shè)計(jì)

前端放大電路由電橋組成的力度傳感器和外部零漂移放大器ADA4528-1等構(gòu)成。ADA4528-1是一種特別適合放大直流和低頻低電平信號(hào)的零漂移運(yùn)算放大器，它可以盡最大可能降低信號(hào)中的干擾，具有軌到軌輸入輸出擺幅。

采用2片ADA4528-1和相應(yīng)的濾波器組成差分放大電路，在輸入信號(hào)時(shí)連接基準(zhǔn)信號(hào)，以避免共模噪聲的影響。在經(jīng)過(guò)多個(gè)濾波器的反復(fù)濾波后，便可以很好地達(dá)到性能指標(biāo)。前端差分放大電路仿真如圖3所示，其中電容C1，C2和R5，R6組成低通濾波器，電容C5和R7，R8組成差分濾波器，C3，C4和R7，R8構(gòu)成共模濾波器，三種濾波器可以有效將放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波和噪聲抑制，放大濾波后的模擬信號(hào)就可以傳送到AD7791中[3]。ADA4528-1的增益計(jì)算公式為：

圖3 前端差分放大電路仿真

本次前端R5的值設(shè)置為11.3 kΩ，R9的值設(shè)置為60.4 Ω，通過(guò)公式（1）計(jì)算出ADA4528-1放大的倍數(shù)為375。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD7791設(shè)計(jì)

AD7791是采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選擇SPI接口和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。AD7791具有精度高、功耗低等特點(diǎn)，AD7791對(duì)低頻信號(hào)友好且精度更高。AD7791內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用和-差轉(zhuǎn)換技術(shù)，該技術(shù)可以將噪聲產(chǎn)生的影響降到最低。圖4所示為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。AD7791測(cè)量公式為：

圖4 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

式中：D為A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；V1為實(shí)際力度傳感器得到的模擬信號(hào)電壓值；S為AD7791基準(zhǔn)電壓。比值法可以很好地測(cè)量信號(hào)的微小變化。

2.3 無(wú)線通信LoRa模塊SX1278設(shè)計(jì)

LoRa具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)便捷、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)[5]。本次課題選擇SX1278芯片。SX1278芯片可以支持較多調(diào)制模式，包括二進(jìn)制頻移鍵控、高斯頻移鍵控、二進(jìn)制振幅鍵控、高斯濾波最小頻移鍵控。SX1278擁有6種擴(kuò)頻因子，頻率范圍為7.8～500 kHz。圖5所示為L(zhǎng)oRa框圖。

圖5 LoRa框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)軟件包含GPIO初始化、USART初始化、SPI接口初始化、采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)部分。圖6所示為下位機(jī)軟件流程。

圖6 下位機(jī)軟件流程

4 測(cè)試及分析

圖7所示為數(shù)據(jù)采樣圖。實(shí)線表示30 s內(nèi)采集到的AD7791輸出的數(shù)字信號(hào)值，由圖可知，數(shù)據(jù)在14 500 000上下波動(dòng)，虛線為消除誤差后的數(shù)據(jù)值，該值在203 200 000上下波動(dòng)。根據(jù)放大倍數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換公式可得14 500 000所對(duì)應(yīng)的電橋電壓為11.523 mV。

圖7 數(shù)據(jù)采樣圖

不同電阻搭建的電橋?qū)?yīng)的壓差如圖8所示。本系統(tǒng)采用的電阻為1 500 000 Ω和1 501 950 Ω，理論值應(yīng)為3.242 mV，但由于電阻本身所具有的誤差可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)上圖所示的誤差，因此當(dāng)電阻誤差達(dá)到3 kΩ時(shí)，電橋壓差已達(dá)到11.562 mV。本次課題所得結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

圖8 電橋?qū)?yīng)壓差

5 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于LoRa的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且誤差處于允許范圍內(nèi)，因此具有較好的應(yīng)用性。