基于NB-IOT的智能骑行辅助系统

刘继伟 单超颖 范彬彬 陈瑞 田永康

（沈阳城市建设学院信息与控制工程系 辽宁省沈阳市 110167）

在这个喧嚣而又浮躁的社会中，锻炼已经成为人们生活中不可或缺的重要部分。锻炼的方式层出不穷，其中骑行锻炼占有重要部分。近些年来,随着中国经济快速健康的发展，以及我国人民群众的各项物质基本，生活保障水平的不断提高和改善,户外休闲运动也逐渐发展，骑行锻炼也成为了社会广泛认同和绝大多数人们追求生活方式。

以往的骑行锻炼中，骑行者锻炼方式很不专业，对运动量的把控也不是很强，这样锻炼的效果往往都是不尽如人意。不但没有达到锻炼的效果，反倒给自己的身体带来沉重的负担。因此骑行者需要一款智能骑行辅助系统，它会给骑行者带来更专业、更系统的骑行体验。人们在骑行锻炼的时候可以通过这套骑行辅助系统检测骑行速度、测量自身消耗的卡路里、针对不同的路况采用最佳的变速档位等。用户在骑行中，能够感受到不同的震动状态来调整骑行方式。用户骑行结束后，可以点开微信小程序查看本次骑行的相关数据统计。针对不同的人群本系统提供了专业的骑行课程，用户可以按照自己的能力选择一套最适合自己的课程。依据课程中的骑行锻炼方法来进行专业化训练将会达到事半功倍的效果。

骑行系统的研究不仅对国内骑行运动的发展有推动作用，也对我国物联网的应用及创新有着深远意义。

1 硬件设计

本文所设计的基于NB-IOT 智能骑行辅助系统，智能处理终端是以STM32 单片机为主，其他硬件部分则应用到了三轴传感器、压力传感器、心率传感器、光照传感器、GPS 定位模块等。这些传感器把采集到的数据送入到 MCU 上进行数据的运算处理。通过NB-IOT 无线通信协议将已处理好的数据发送到ONENET 网站后台的服务器中，由网站服务器自动进行大量的数据计算和存储并将其处理好后的数据传送给手机小程序客户端[1]。本装置的工作电压相对较小,属于低功耗型,用一块蓄电池就可供电,符合了我国绿色发展思想。本设备的工作电压较小，属于低功耗类型，用一块蓄电池供电即可，符合我国绿色的发展理念。总体结构图如图1所示。

（1）运动心率检测装置：MAX30102 心率传感器，它能检测人体的血氧饱和度和心率数据。它内部集成了环境光抑制的低噪声电子电路，能够有效的抑制噪声数据。其传感器具有使用方法简单、可靠性高、可二次拓展等特点，通过标准的I2C 兼容通信接口将采集到的数据传输给MCU 进行后续的心率计算,通过NB-IoT 无线通信协议传输给数据处理终端[2]。

图1：总体结构图

（2）骑行姿态计算装置：ADXL345 三轴传感器，它不但可以测量运动、冲击导致的动态加速度，而且还能测量静态重力加速度。供电电压为：3.3-6V，它具有较高AD 分辨率，检测的数据更加精确，能够检测到约0.25°的倾角值的变动，因此用它来进行骑行姿态的计算[3]。通过串口通信传输协议把采集的数据传输给M5310-A通信模块，再由M5310-A 通信模块通过NB-IoT 无线通信协议传输给数据处理终端。

（3）脚踏板压力检测装置：RSP 柔性薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，其输出电阻值与施加在其表面的压力值成反比，通过特定的压力-电阻关系，可测量压力值大小。具有响应速度快、使用寿命长、硬件连接便捷的特点。系统通过AD 转换将测量的数据通过串口通信传输协议传输给M5310-A 通信模块，再由M5310-A 通信模块通过NB-IoT 无线通信协议传输给数据处理终端[4]。

（4）光照强度检测装置：GY-30 光照强度传感器能够对光强的实时进行检测，GY-30 数字光强度检测模块传感器可以通过内置的转换器直接将光照强度进行数字输出，供电电源为3-5v，具有体积小巧、功耗低、硬件连接和软件编程简单方便等诸多优点。在有必要的时会自动打开照明设备为骑行者提供良好的路况视野。通过串口进行通信将采集的数据发送给M5310-A 通信模块，再由使用NB-IoT 无线通信协议传输给数据处理终端，最后反馈给主控制器，判断是否需要开启灯光。

（5）GPS 定位装置：AIR530 GPS 传感器模块是一款高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块。小巧轻便、性能强悍优异、功能消耗低。该GPS 模块还兼容了3.3V 和5.5V 的电源供电电平，以便其连接各种单片机系统以所需要的定位。在本系统中通过NMEA-0183 V4.1 的协议，采用ASCII 码来向主控制器进行GPS 定位信息的传送，最终上传至ONENET 云平台[5]。

2 软件设计

（1）系统通过 I2C 总线通信协议，将骑行中采集到的压力值、心率、GPS 定位数值等重要骑行数据传送到主MCU，然后对这些数据进行进一步的分析和计算处理。

（2）通过 NB-IOT 传输协议将已经处理好的数据上传到OneNET 云服务平台，由云平台服务器完成数据的储存。通过HTTPS 协议与微信小程序服务器进行数据传输与发送，最终由微信小程序客户端进行数据的可视化显示。

（3）系统选用了双云平台系统以有效的保障本系统的实时性、准确性、数据安全。客户端采用微信小程序进行开发，云端则采用了OneNET 进行云开发，不会担心因意外导致数据丢失。使用微信小程序，不但减少了开发期间的人力财力的资源消耗，还减少了使用者手机内存资源的消耗，就能达到传统APP 的效果。

本系统数据上传是MCU 的Usart 5 串口与M5310-A 通信模块进行串口通信，将主控制器检测到的传感器数据通过M5310-A 通信模块向ONENET 云平台进行数据的传输[6]。

系统中通过使用微信账号来绑定骑行者的信息，使用者登陆后即可使用骑行系统，使用完后直接关掉就行，不占有手机的存储空间，真正做到高效快捷。使用者在骑行过程中或骑行结束后都能通过微信小程序观看骑行的各项数据，并且可以在骑行社区分享自己的骑行心得和感受，系统还能将锻炼模式个性化，给骑行者定制专业的骑行课程。骑行者按照自己的能力选择一套适合自己的训练课程，不仅提高了锻炼效率还保证了锻炼的专业性。如图2所示。

图2：小程序使用的示例流程图

3 总结

通过对国内骑行运动的研究发现，大量的骑行者在骑行锻炼时不能掌握专业的骑行方法以及骑行锻炼的技巧。在骑行途中浪费了大量的体力，而收获的效益却很低为了解决这些问题本文提出了一款智能骑行辅助系统。NB-IoT 具有海量连接、超低功耗、深度覆盖、稳定可靠等优势，能够在户外进行数据的传输通信，对本系统设计占有重要的作用，也是本系统的技术基础。OneNet 云平台，该平台作为数据的传输中转站，具有高效、稳定、安全的优势，保障了设备的信息和接收数据的储存。微信小程序端，使用微信小程序开发更加简单方便，比其传统APP 更加节省开发资源。GPS 定位系统，能实时精准地定位，对骑行者的骑行规划有很大的帮助。GPS 所测量的数据、三轴传感器测量的数据、骑行的心率、脚踏板压力值等数据的相互融合为骑行者提供专业的骑行课程指导，而且本系统可及时地提醒用户在不同的坡度上行驶需要使用不同的变速档位，目的是为了能让用户达到更好的骑行锻炼效果。这是本系统的核心功能。