基于NB-IOT的智能騎行輔助系統(tǒng)

劉繼偉 單超穎 范彬彬 陳瑞 田永康

（沈陽城市建設學院信息與控制工程系 遼寧省沈陽市 110167）

在這個喧囂而又浮躁的社會中，鍛煉已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要部分。鍛煉的方式層出不窮，其中騎行鍛煉占有重要部分。近些年來,隨著中國經(jīng)濟快速健康的發(fā)展，以及我國人民群眾的各項物質(zhì)基本，生活保障水平的不斷提高和改善,戶外休閑運動也逐漸發(fā)展，騎行鍛煉也成為了社會廣泛認同和絕大多數(shù)人們追求生活方式。

以往的騎行鍛煉中，騎行者鍛煉方式很不專業(yè)，對運動量的把控也不是很強，這樣鍛煉的效果往往都是不盡如人意。不但沒有達到鍛煉的效果，反倒給自己的身體帶來沉重的負擔。因此騎行者需要一款智能騎行輔助系統(tǒng)，它會給騎行者帶來更專業(yè)、更系統(tǒng)的騎行體驗。人們在騎行鍛煉的時候可以通過這套騎行輔助系統(tǒng)檢測騎行速度、測量自身消耗的卡路里、針對不同的路況采用最佳的變速檔位等。用戶在騎行中，能夠感受到不同的震動狀態(tài)來調(diào)整騎行方式。用戶騎行結(jié)束后，可以點開微信小程序查看本次騎行的相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計。針對不同的人群本系統(tǒng)提供了專業(yè)的騎行課程，用戶可以按照自己的能力選擇一套最適合自己的課程。依據(jù)課程中的騎行鍛煉方法來進行專業(yè)化訓練將會達到事半功倍的效果。

騎行系統(tǒng)的研究不僅對國內(nèi)騎行運動的發(fā)展有推動作用，也對我國物聯(lián)網(wǎng)的應用及創(chuàng)新有著深遠意義。

1 硬件設計

本文所設計的基于NB-IOT 智能騎行輔助系統(tǒng)，智能處理終端是以STM32 單片機為主，其他硬件部分則應用到了三軸傳感器、壓力傳感器、心率傳感器、光照傳感器、GPS 定位模塊等。這些傳感器把采集到的數(shù)據(jù)送入到 MCU 上進行數(shù)據(jù)的運算處理。通過NB-IOT 無線通信協(xié)議將已處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到ONENET 網(wǎng)站后臺的服務器中，由網(wǎng)站服務器自動進行大量的數(shù)據(jù)計算和存儲并將其處理好后的數(shù)據(jù)傳送給手機小程序客戶端[1]。本裝置的工作電壓相對較小,屬于低功耗型,用一塊蓄電池就可供電,符合了我國綠色發(fā)展思想。本設備的工作電壓較小，屬于低功耗類型，用一塊蓄電池供電即可，符合我國綠色的發(fā)展理念。總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）運動心率檢測裝置：MAX30102 心率傳感器，它能檢測人體的血氧飽和度和心率數(shù)據(jù)。它內(nèi)部集成了環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，能夠有效的抑制噪聲數(shù)據(jù)。其傳感器具有使用方法簡單、可靠性高、可二次拓展等特點，通過標準的I2C 兼容通信接口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給MCU 進行后續(xù)的心率計算,通過NB-IoT 無線通信協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)處理終端[2]。

圖1：總體結(jié)構(gòu)圖

（2）騎行姿態(tài)計算裝置：ADXL345 三軸傳感器，它不但可以測量運動、沖擊導致的動態(tài)加速度，而且還能測量靜態(tài)重力加速度。供電電壓為：3.3-6V，它具有較高AD 分辨率，檢測的數(shù)據(jù)更加精確，能夠檢測到約0.25°的傾角值的變動，因此用它來進行騎行姿態(tài)的計算[3]。通過串口通信傳輸協(xié)議把采集的數(shù)據(jù)傳輸給M5310-A通信模塊，再由M5310-A 通信模塊通過NB-IoT 無線通信協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)處理終端。

（3）腳踏板壓力檢測裝置：RSP 柔性薄膜壓力傳感器是一種電阻式傳感器，其輸出電阻值與施加在其表面的壓力值成反比，通過特定的壓力-電阻關系，可測量壓力值大小。具有響應速度快、使用壽命長、硬件連接便捷的特點。系統(tǒng)通過AD 轉(zhuǎn)換將測量的數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸協(xié)議傳輸給M5310-A 通信模塊，再由M5310-A 通信模塊通過NB-IoT 無線通信協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)處理終端[4]。

（4）光照強度檢測裝置：GY-30 光照強度傳感器能夠?qū)鈴姷膶崟r進行檢測，GY-30 數(shù)字光強度檢測模塊傳感器可以通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器直接將光照強度進行數(shù)字輸出，供電電源為3-5v，具有體積小巧、功耗低、硬件連接和軟件編程簡單方便等諸多優(yōu)點。在有必要的時會自動打開照明設備為騎行者提供良好的路況視野。通過串口進行通信將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給M5310-A 通信模塊，再由使用NB-IoT 無線通信協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)處理終端，最后反饋給主控制器，判斷是否需要開啟燈光。

（5）GPS 定位裝置：AIR530 GPS 傳感器模塊是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導航模塊。小巧輕便、性能強悍優(yōu)異、功能消耗低。該GPS 模塊還兼容了3.3V 和5.5V 的電源供電電平，以便其連接各種單片機系統(tǒng)以所需要的定位。在本系統(tǒng)中通過NMEA-0183 V4.1 的協(xié)議，采用ASCII 碼來向主控制器進行GPS 定位信息的傳送，最終上傳至ONENET 云平臺[5]。

2 軟件設計

（1）系統(tǒng)通過 I2C 總線通信協(xié)議，將騎行中采集到的壓力值、心率、GPS 定位數(shù)值等重要騎行數(shù)據(jù)傳送到主MCU，然后對這些數(shù)據(jù)進行進一步的分析和計算處理。

（2）通過 NB-IOT 傳輸協(xié)議將已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)上傳到OneNET 云服務平臺，由云平臺服務器完成數(shù)據(jù)的儲存。通過HTTPS 協(xié)議與微信小程序服務器進行數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)送，最終由微信小程序客戶端進行數(shù)據(jù)的可視化顯示。

（3）系統(tǒng)選用了雙云平臺系統(tǒng)以有效的保障本系統(tǒng)的實時性、準確性、數(shù)據(jù)安全。客戶端采用微信小程序進行開發(fā)，云端則采用了OneNET 進行云開發(fā)，不會擔心因意外導致數(shù)據(jù)丟失。使用微信小程序，不但減少了開發(fā)期間的人力財力的資源消耗，還減少了使用者手機內(nèi)存資源的消耗，就能達到傳統(tǒng)APP 的效果。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳是MCU 的Usart 5 串口與M5310-A 通信模塊進行串口通信，將主控制器檢測到的傳感器數(shù)據(jù)通過M5310-A 通信模塊向ONENET 云平臺進行數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

系統(tǒng)中通過使用微信賬號來綁定騎行者的信息，使用者登陸后即可使用騎行系統(tǒng)，使用完后直接關掉就行，不占有手機的存儲空間，真正做到高效快捷。使用者在騎行過程中或騎行結(jié)束后都能通過微信小程序觀看騎行的各項數(shù)據(jù)，并且可以在騎行社區(qū)分享自己的騎行心得和感受，系統(tǒng)還能將鍛煉模式個性化，給騎行者定制專業(yè)的騎行課程。騎行者按照自己的能力選擇一套適合自己的訓練課程，不僅提高了鍛煉效率還保證了鍛煉的專業(yè)性。如圖2所示。

圖2：小程序使用的示例流程圖

3 總結(jié)

通過對國內(nèi)騎行運動的研究發(fā)現(xiàn)，大量的騎行者在騎行鍛煉時不能掌握專業(yè)的騎行方法以及騎行鍛煉的技巧。在騎行途中浪費了大量的體力，而收獲的效益卻很低為了解決這些問題本文提出了一款智能騎行輔助系統(tǒng)。NB-IoT 具有海量連接、超低功耗、深度覆蓋、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，能夠在戶外進行數(shù)據(jù)的傳輸通信，對本系統(tǒng)設計占有重要的作用，也是本系統(tǒng)的技術(shù)基礎。OneNet 云平臺，該平臺作為數(shù)據(jù)的傳輸中轉(zhuǎn)站，具有高效、穩(wěn)定、安全的優(yōu)勢，保障了設備的信息和接收數(shù)據(jù)的儲存。微信小程序端，使用微信小程序開發(fā)更加簡單方便，比其傳統(tǒng)APP 更加節(jié)省開發(fā)資源。GPS 定位系統(tǒng)，能實時精準地定位，對騎行者的騎行規(guī)劃有很大的幫助。GPS 所測量的數(shù)據(jù)、三軸傳感器測量的數(shù)據(jù)、騎行的心率、腳踏板壓力值等數(shù)據(jù)的相互融合為騎行者提供專業(yè)的騎行課程指導，而且本系統(tǒng)可及時地提醒用戶在不同的坡度上行駛需要使用不同的變速檔位，目的是為了能讓用戶達到更好的騎行鍛煉效果。這是本系統(tǒng)的核心功能。