成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 郭一諾 薛龍輝 張旭東 章治海

基于嵌入式智能頭盔的研究

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 郭一諾 薛龍輝 張旭東 章治海

本系統(tǒng)為一款基于STM32的智能安全便攜式頭盔。本項(xiàng)目主體以STM32F103U8T6芯片為核心，再搭配各種智能模塊為輔助。目的在于提高騎行的頭盔的安全性，在最低成本的前提下為騎行愛好者提供最安全的保障。主要功能為微波雷達(dá)測距提醒、離線導(dǎo)航提示與剎車、拐彎指示燈。以防大霧、陰雨等惡劣天氣與夜晚騎行過程中發(fā)生危險(xiǎn)，并最大程度上擺脫騎行過程中由手機(jī)帶來的不便。

嵌入式芯片；微波雷達(dá)測距；離線導(dǎo)航；三向加速度和陀螺儀傳感器；智能安全提醒

0 引言

在倡導(dǎo)綠色出行以及全民運(yùn)動(dòng)的時(shí)代，自行車騎行成為一種越來越流行的出行和運(yùn)動(dòng)方式，而騎行頭盔更是所有騎行愛好者必備的運(yùn)動(dòng)隨裝備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國騎行愛好者已將近1億，騎行中他們使用最多的軟件是導(dǎo)航軟件，且在這樣龐大的群體里又以青少年為主，追求科技與時(shí)尚是我們青年人的共性，可見智能化的騎行頭盔必將是一種潮流?，F(xiàn)市場上的騎行頭盔并未能給廣大騎行愛好者更多更好的出行體驗(yàn)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的騎行頭盔，集合了騎行愛好者所需的導(dǎo)航功能，同時(shí)也解決了普通頭盔體驗(yàn)差問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本項(xiàng)目硬件電路部分以STM32F103U8T6為核心進(jìn)行開發(fā)。STM32F103U8T6為集成電路(IC)，其最高速度可達(dá)72MHz，并且具有DMA，電機(jī)控制PWM，溫度傳感器等外圍設(shè)備。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量， RAM容量等性能也比較好。并且其內(nèi)部有自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘電路，可以在-40℃-85℃的條件下穩(wěn)定工作。其優(yōu)秀的性能完全可以滿足本設(shè)計(jì)的功能需求。

雷達(dá)測距模塊：利用微波發(fā)射與接收，通過雷達(dá)發(fā)射微波的周期，計(jì)算出前方障礙物的距離，并在若距離小于安全距離則發(fā)出“危險(xiǎn)信號(hào)”提示，以防大霧、陰雨等惡劣天氣與夜晚騎行過程中發(fā)生危險(xiǎn)，并最大程度上拜托騎行過程中由手機(jī)帶來的不便。

轉(zhuǎn)向指示燈模塊：當(dāng)自行車轉(zhuǎn)向和剎車時(shí)，通過三向加速度和陀螺儀傳感器將自行車轉(zhuǎn)彎時(shí)傾角的變化和剎車時(shí)加速度的改變轉(zhuǎn)化為頭盔后面LED指示燈的相應(yīng)指示符號(hào)提示。

定位與導(dǎo)航信息處理：下載好離線地圖的移動(dòng)端將實(shí)時(shí)獲取到當(dāng)前的位置和導(dǎo)航信息通過藍(lán)牙傳輸?shù)絊TM32并進(jìn)行信號(hào)處理。STM32 通過對(duì)導(dǎo)航信息處理后將其轉(zhuǎn)化為頭盔上相應(yīng)的激光導(dǎo)航指示燈的信號(hào)指示。激光透過頭盔外層帶有指示符號(hào)的透明膜將指示符號(hào)放大并投影到前方地面上，從而引導(dǎo)騎行者前行方向。

本設(shè)計(jì)在頭盔中內(nèi)置鋰電池、藍(lán)牙4.0模塊、雷達(dá)測距收發(fā)模塊、USB接口以及GPS。通過藍(lán)牙連接到手機(jī)終端，獲取到定位與導(dǎo)航的信息數(shù)據(jù)。內(nèi)置的大容量鋰電池，可以為整套系統(tǒng)持續(xù)長時(shí)間供電。其內(nèi)置的USB接口可以在鋰電池電量耗盡時(shí)對(duì)其進(jìn)行充電。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雷達(dá)測距模塊

為獲取騎行者所騎行的車輛與前方障礙物的距離信息以起到及時(shí)提醒騎行者躲避前方障礙物的作用，本設(shè)計(jì)采用24GHz微波雷達(dá)傳感器，將發(fā)射出去的微波信號(hào)利用接收機(jī)接收回來并進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將此電信號(hào)發(fā)送至STM32串口，通過串口高低電平的變化再轉(zhuǎn)化為附于頭盔上報(bào)警器的報(bào)警（振動(dòng)）信號(hào)從而起到提醒的作用。

2.2 轉(zhuǎn)向指示燈模塊

當(dāng)騎行者轉(zhuǎn)彎或剎車時(shí)為使得身后的人員注意到，進(jìn)而起到提醒身后人員的作用，更加進(jìn)一步的增加安全效用。本設(shè)計(jì)采用MMA7660加速度傳感器和FXAS21002C陀螺儀傳感器配合使用LED顯示燈，當(dāng)騎行者的車輛發(fā)生剎車或者轉(zhuǎn)向等操作時(shí)，利用轉(zhuǎn)向時(shí)傳感器感應(yīng)到的傾角變化或者加速度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并將此電信號(hào)發(fā)送至STM32串口，利用高低電平的變化從而控制頭盔后的led燈的顯示變化，從而達(dá)到提醒身后人員的作用。

2.3 定位與導(dǎo)航模塊

為實(shí)現(xiàn)此頭盔的的定位與離線導(dǎo)航功能，從而進(jìn)一步增加智能頭盔的便捷與安全效用。本設(shè)計(jì)采用GPS定位模塊獲取到騎行者的位置信息，然后將此位置信息通過藍(lán)牙傳輸?shù)絊TM32中進(jìn)行處理，并與下載好的離線地圖的移動(dòng)端配合，通過從移動(dòng)端數(shù)據(jù)庫調(diào)取所需的導(dǎo)航信息并將此導(dǎo)航信息也通過藍(lán)牙傳輸至STM32中進(jìn)行處理。

STM32通過對(duì)導(dǎo)航信息處理后將其將其獲得到的導(dǎo)航指令轉(zhuǎn)化為頭盔上相應(yīng)的激光導(dǎo)航指示燈的信號(hào)指示，然后使激光透過頭盔外層帶有指示符號(hào)的透明膜將相對(duì)應(yīng)得指示符號(hào)放大并投影到前方的地面上，從而起到引導(dǎo)騎行者騎行的作用。然后將通過GPS定位模塊獲取到的騎行者位置信息通過藍(lán)牙傳輸至移動(dòng)端使得騎行者隨時(shí)了解自己所處的經(jīng)緯度以及海拔等位置信息。

3 結(jié)論

騎行，安全是第一，市場上普通頭盔只能為我們減輕傷害，卻不能做到預(yù)防危險(xiǎn)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能騎行頭盔，既為騎行過程中的轉(zhuǎn)彎，剎車設(shè)計(jì)了信號(hào)指示燈，同時(shí)在前方有障礙物時(shí)提醒騎行者注意行車距離。

定位與導(dǎo)航，這是絕大多數(shù)騎行愛好者所需求的功能，現(xiàn)今，許多騎行者是利用手機(jī)夾將手機(jī)夾于自行車把手上進(jìn)行導(dǎo)航，這樣既不便查看還存在潛在的危險(xiǎn)。而智能騎行頭盔則可將導(dǎo)航指示信息投影在前方地面上，解決了上述存在的問題，導(dǎo)航更直觀。

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Portable helmet intelligent security system

GUO Yi-nuo，XUE Long-hui，ZHANG Xu-dong，ZHANG Zhi-hai
（School of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu，610059，Sichuan，China）