袁新娣 陳懇

摘要：為了給騎行愛好者提供一種既能監(jiān)測騎行數(shù)據(jù)，又能服務(wù)社交的設(shè)備，提出利用嵌入式技術(shù)開發(fā)群體自動(dòng)感知騎行碼表系統(tǒng)。該系統(tǒng)由感知碼表和智能手機(jī)應(yīng)用軟件組成，感知碼表以STM32為核心芯片，速度傳感器采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，2.4 GHz無線通信模塊自動(dòng)感知群體，藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)碼表與手機(jī)的通信。采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息及感知的騎友信息進(jìn)入智能手機(jī)后，為騎友之間后續(xù)的社交提供方便。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，群體感知效果良好，具有較好的運(yùn)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：群體感知;騎行碼表;嵌入式系統(tǒng);智能手機(jī);藍(lán)牙通信;運(yùn)行測試

中圖分類號(hào)：TN98-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（2019）24-0125-04

0 引言

近年來，騎行運(yùn)動(dòng)受到越來越多的人喜歡，并且正在從一個(gè)單人的騎行活動(dòng)漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)橼呄蛴诩∩砼c社交一體的生活?yuàn)蕵贩绞?。騎行碼表是騎行愛好者的一種必備檢測設(shè)備，目前市面上的各類騎行碼表主要集中在對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如速度、溫度、里程等數(shù)據(jù)的監(jiān)測[1-2]，最近也出現(xiàn)了結(jié)合手機(jī)APP對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和分享的功能[3]，但都是針對(duì)個(gè)人使用的情況進(jìn)行分析，定位單人騎行運(yùn)動(dòng)，沒有考慮當(dāng)下群體騎行運(yùn)動(dòng)中的互動(dòng)社交需求。本系統(tǒng)正是基于這些需求，為了使人們更好地享受一種符合騎行情況的社交方式，實(shí)現(xiàn)社交與健身同時(shí)進(jìn)行而設(shè)計(jì)的一個(gè)智能碼表。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)由兩大部分組成：感知碼表和智能手機(jī)應(yīng)用軟件（APP）。感知碼表采用嵌入式芯片STM32作為主控CPU，2.4 GHz無線通信模塊作為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)群體感知、短距離握手連接傳遞信息的主要工具。工作過程中碼表通過速度傳感器持續(xù)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并以一定頻率刷新觸摸顯示屏的顯示內(nèi)容，期間若有對(duì)觸摸屏的操作，將根據(jù)所按壓的按鍵顯示相應(yīng)內(nèi)容并執(zhí)行相關(guān)操作;藍(lán)牙模塊將根據(jù)需要設(shè)置是否打開工作，一般只在與手機(jī)APP通信時(shí)選擇打開，通信完畢則自動(dòng)關(guān)閉以降低功耗;2.4 GHz無線通信模塊時(shí)刻監(jiān)測是否有可通信模塊（其他相同功能碼表），一旦監(jiān)測到就發(fā)送設(shè)定好的社交信息，如呢稱、車型、個(gè)性標(biāo)簽、性別以及社交平臺(tái)賬號(hào)等，并接收對(duì)方的社交信息顯示在觸摸顯示屏上。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和社交信息都存儲(chǔ)在FLASH閃存芯片中，掉電可保存。

在智能手機(jī)客戶端，基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)了專屬的應(yīng)用軟件（ Application，APP），該軟件可以通過藍(lán)牙讀取碼表獲取的歷史運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以及碼表感知到的其他騎車人的信息，并通過加為好友，實(shí)現(xiàn)騎友間網(wǎng)絡(luò)聊天功能;還可以通過該APP向碼表寫入信息，如個(gè)人的呢稱、格言、愛好等，作為個(gè)人愿意與其他騎車人分享的信息。完成首次設(shè)置以后，騎行過程中智能碼表將自動(dòng)采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和感知騎友信息，待藍(lán)牙連接上手機(jī)后自動(dòng)將所有數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)APP端，這樣騎行者就可以通過相關(guān)信息開展后期交友活動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件是感知碼表部分，主要包括CPU、無線收發(fā)模塊、藍(lán)牙、觸摸顯示屏和速度傳感器，其中觸摸顯示屏和速度傳感器與其他運(yùn)動(dòng)碼表類似[4-5]，所以本節(jié)主要介紹CPU、無線收發(fā)模塊、藍(lán)牙模塊。

2.1 碼表CPU-STM32

CPU采用基于ARM Cortex - M3內(nèi)核的STM32F103RCT6c6]，具有48 KB RAM和256 KB FLASH，能夠滿足正常情況下中型規(guī)模程序設(shè)計(jì)，外設(shè)豐富，具有64個(gè)引腳，可做51個(gè)通用1/0，內(nèi)部具有8個(gè)16位定時(shí)器，3個(gè)12位ADC轉(zhuǎn)換單元，3路SPI和2路I2C，能夠滿足基本的功能設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還可以確保后期功能的改進(jìn)拓展。芯片最高主頻可以達(dá)到72 MHz，能夠滿足對(duì)屏幕的穩(wěn)定刷新以及對(duì)各類傳感器的信息采集和存儲(chǔ)。芯片工作溫度范圍為-40-85℃，符合戶外工作時(shí)的溫差變化要求。芯片的工作電壓范圍是2-3.3 V，電源設(shè)計(jì)方便，鋰電池選擇空間大，占用空間小。同時(shí)由于STM32 M3系列芯片功耗低，定位為工業(yè)控制芯片，因此能夠在很好地保持續(xù)航的同時(shí)保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和抗干擾性，在自行車騎行碼表應(yīng)用中有較好的實(shí)際意義。

2.2 2.4 GHz無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)采用NRF24LOI無線模塊[7]。該無線模塊工作在2.4 GHz全球開放的ISM （Industrial ScientificMedical）頻段，不需要特殊許可證便可以使用，最高工作速率達(dá)2 Mb/s，具有高效的GFSK（ Gauss frequencyShift Keying）調(diào)制，能夠應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的干擾環(huán)境。其次，具有125個(gè)可選頻道，能夠滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要，內(nèi)置CRC（Cyclic Redundancy Check）檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信地址控制，能夠滿足穩(wěn)定復(fù)雜的應(yīng)用要求;還可設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。硬件設(shè)計(jì)上，工作電壓低（1.9-3.3 V），能夠兼容STM32 M3信號(hào)接口，電路設(shè)計(jì)方便。

2.3 藍(lán)牙模塊及其通信格式

藍(lán)牙模塊使用的是USR-BLEI01串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊[8-9]，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙協(xié)議，能夠滿足市面上各類手機(jī)的藍(lán)牙硬件連接要求，具有1.3 μA低功耗廣播模式和150 μA體眠模式，以及多種喚醒方式。藍(lán)牙模塊在確定和手機(jī)配對(duì)后根據(jù)一套嚴(yán)格的通信協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及感知的社交信息由碼表端到手機(jī)端的傳輸。通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容分為兩大部分：第一是由碼表上傳給手機(jī)APP的數(shù)據(jù)，包括感知到的運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)和社交信息數(shù)據(jù);第二是從手機(jī)下載到碼表的數(shù)據(jù)，如個(gè)人社交信息。其中上傳的社交信息數(shù)據(jù)格式如表1所示。軟件。

3.1 STM32上的軟件流程框架

系統(tǒng)啟動(dòng)后先執(zhí)行初始化，開啟定時(shí)器。根據(jù)定時(shí)器來周期刷新4個(gè)應(yīng)用程序函數(shù)，即速度傳感器數(shù)據(jù)采集函數(shù)、屏幕顯示內(nèi)容刷新函數(shù)、無線通信數(shù)據(jù)交流函數(shù)及藍(lán)牙通信函數(shù)。其中最后兩個(gè)函數(shù)具有高優(yōu)先級(jí)，以保證現(xiàn)實(shí)情況中使用的穩(wěn)定性，總體流程框圖如圖2所示。

3.2 手機(jī)端APP開發(fā)框架流程

手機(jī)端APP是基于底層Android系統(tǒng)開發(fā)的一款應(yīng)用軟件，通過對(duì)Activity，Content Provider，Service，BroadcastReceiver四大基本組件搭建開發(fā)而成。Activi-ty用于顯示界面;Content Provider主要在不同的應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的功能;Service是Android中實(shí)現(xiàn)程序后臺(tái)運(yùn)行的解決方案，它非常適合用于去執(zhí)行那些不需要和用戶交互而且還要求長期運(yùn)行的任務(wù)，任務(wù)的運(yùn)行不依賴于任何用戶界面，即使程序被切換到后臺(tái)，或者用戶打開了另外一個(gè)應(yīng)用程序，任務(wù)仍然能夠保持正常運(yùn)行;Broadcast Receiver對(duì)外部事件進(jìn)行過濾，只對(duì)感興趣的外部事件進(jìn)行接收并做出響應(yīng)[10]。

APP利用Android的官方藍(lán)牙應(yīng)用程序編程接口（ Application Programming Interface.API），當(dāng)手機(jī)端藍(lán)牙在與設(shè)備的藍(lán)牙連接后，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。手機(jī)APP主要包含騎行數(shù)據(jù)展示、交友聊天、用戶個(gè)人數(shù)據(jù)設(shè)置3個(gè)主要功能。該APP功能主要有兩大部分與感知碼表進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和進(jìn)行社交。其中第一部分有藍(lán)牙連接、騎行數(shù)據(jù)記錄、個(gè)人信息設(shè)置等模塊，第二部分包括消息記錄和聯(lián)系人模塊。

APP主頁面如圖3所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試

測試時(shí)使用兩套該系統(tǒng)設(shè)備，其中感知碼表部分應(yīng)用STM32開發(fā)板。首先將碼表藍(lán)牙與各自手機(jī)藍(lán)牙綁定，即打開APP首頁，點(diǎn)擊左上角搜索設(shè)備按鈕進(jìn)入設(shè)備搜索頁面，搜索到對(duì)應(yīng)碼表的藍(lán)牙設(shè)備和其地址，并點(diǎn)擊綁定。當(dāng)兩個(gè)碼表在30 m范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，能互相感知對(duì)方，并在各自碼表里顯示對(duì)方信息，如圖4所示?？梢酝ㄟ^觸摸屏幕的“考慮做騎友”對(duì)該騎友標(biāo)記，以備以后查看。如果周圍沒有有關(guān)騎友通過，碼表自動(dòng)更新顯示當(dāng)前速度、距離、里程信息，如圖5所示。

碼表停止移動(dòng)后，打開碼表藍(lán)牙，能順利上傳感知到的騎友信息到綁定手機(jī)。測試過程系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)功能效果良好。

5 結(jié)語

考慮到騎行愛好者騎行運(yùn)動(dòng)中的互動(dòng)社交需求，本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù)，采用軟硬件相結(jié)合的方法開發(fā)。系統(tǒng)包括兩部分：第一是嵌入式感知碼表;第二是手機(jī)APP軟件。當(dāng)自行車上安裝該碼表系統(tǒng)時(shí)，不僅可以實(shí)現(xiàn)騎行速度、距離實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示與儲(chǔ)存，更重要的是，該碼表為騎行者提供了智能群體感知的功能，即感知近距離并且配備了同樣碼表設(shè)備的騎行者，與其無線自動(dòng)交換個(gè)人社交信息。感知碼表與智能手機(jī)的APP連接后，各類信息通過藍(lán)牙上傳到智能手機(jī)，智能手機(jī)進(jìn)入移動(dòng)公網(wǎng)后，眾多的騎友就能夠在該APP平臺(tái)里進(jìn)行更好更多的交流，從而達(dá)到互動(dòng)社交目的。通過不斷的實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，較好地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]楊凱，周岳斌，基于STC51單片機(jī)的白行車碼表設(shè)計(jì)[J]機(jī)械管理開發(fā)，2015（3）：13-15.

YANG Kai. ZHOU Yuebin. Design of the bicycle speed meterbased on STC15 MCU[J]. Mechanical manangment and devel-opment， 2015（3）： 13-15.

[2]趙小蘭，胡征，王培坤，等，多功能白行車碼表設(shè)計(jì)[J]電子測試，2013（ 20）：1-2.

ZHAO Xiaolan. HU Zheng， WANG Peikun， et al.Design ofthe multi-functional bike computer [J]. Electronic test. 2013（20）：1-2.

[3]譚穗妍，盧芷君，智能白行車數(shù)字里程表設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（19）：62.

TAN Suiyan， LU Zhijun. Design of intelligent bicycle digitalodometer [J]. Technological innovation and application， 2016（19）：62.

[4]劉國蘭，基于霍爾元件的測速裝置設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2017（6）：40-42.

LIU Guolan. Design of speed measuring device based on hallsensor [J]. Electronics design&application， 2017（6）： 40-42.

[5]孫佳明，基于FPGA的霍爾測速傳感器系統(tǒng)[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2016.

SUN Jiaming. Hall speed sensor system based on FPGA [D].Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology，2016.

[6]姚文詳.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

YAO Wenxiang. ARM Cortex-M3 authoritative guide [Ml. Bei-jing： Beihang University Press， 2008.

[7] NORDIC V A.nRF24L01 Single Chip 2.4 GHz transceiverproduct specification [EB/OL]. [2006 - 04 - 24]. http： //www. semi-conductorstore.com/pdf/newsite/nordic/nRF24LOI .pdf.2006.

[8]歐陽駿，陳子龍，黃寧淋，藍(lán)牙4.OBLE開發(fā)完全手冊(cè)：物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：化學(xué)T業(yè)出版社，2013.

OUYANG Jun， CHEN Zilong， HUANG Ninglin. Bluetooth4.OBLE development complete manual： internet of things devel-opment technology combat [M]. Beijing： Chemical IndustryPress. 2013.

[9]萬燕，李麗麗.基于Android與BLE的藍(lán)牙通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（ 16）：15-17.

WAN Yan， LI Lili. Implementation of Bluetooth communica-tion system based on Android and BLE [J]. Technological inno-vation and application， 2018（16）： 15-17.

[10]徐正華，毛鵬軍，丁月華，等.基于Android系統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)控APP研究與開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)T程，2015，5（5）：33-37.

XU Zhenghua， MAO Pengjun， DING Yuehua. et al.Re-search and development on Android APP of greenhouse envi-ronment monitoring [J]. Agricultural engineering. 2015， 5（5）：33-37.

作者簡介：袁新娣（1974-），女，碩士，副教授，主要從事電子信息技術(shù)方面的科研與教學(xué)工作。