李炎森，馮準(zhǔn)若，楊海峰

（寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞，721000）

0 引言

隨著居民生活水平的提高，居民機(jī)動(dòng)車的擁有量增長(zhǎng)較快，交通安全對(duì)于人們來(lái)說(shuō)越發(fā)重要。我國(guó)公安部交通管理局發(fā)文規(guī)定，自2020 年6 月1 日起執(zhí)行“一盔一帶”法律處罰制度，盡可能地減少有關(guān)電動(dòng)車、摩托車等交通事故發(fā)生時(shí)的人身傷害[1]。隨著科技的進(jìn)步普通頭盔的功能不再滿足人們對(duì)于頭盔佩戴的需要，而多功能的智能頭盔在頭盔技術(shù)方面有了很多的積累，對(duì)于頭盔的應(yīng)用場(chǎng)景也有了很大的改變，智能化頭盔具備潛在的市場(chǎng)價(jià)值，符合頭盔未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)為一款智能語(yǔ)音頭盔，通過(guò)骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)實(shí)現(xiàn)信息接受，利用MAX30102 心率傳感器檢測(cè)駕駛員的心跳脈搏，利用WTGPS+BD 北斗定位駕駛員位置以及車輛行駛的速度，可以實(shí)時(shí)在OLED 液晶顯示駕駛信息，關(guān)注駕駛員的狀態(tài)。從而滿足客戶對(duì)智能頭盔的新需求，為消費(fèi)者安全出行提供一定的保障，同時(shí)使得頭盔更加地多功能化、多樣化，圖1 為智能語(yǔ)音頭盔設(shè)計(jì)模型圖[3]。

圖1 智能語(yǔ)音頭盔設(shè)計(jì)模型

1 系統(tǒng)功能框圖的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103 單片機(jī)為在主控芯片，再加上北斗定位、藍(lán)牙模塊、心率傳感器、光感式雨滴傳感器以及骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)和OLED 液晶顯示等多個(gè)輔助子模塊.除符合國(guó)家對(duì)于頭盔的規(guī)定外，為了使頭盔方便攜帶，重量更輕，占據(jù)空間小，在選擇器件時(shí)盡可能都選擇體積小、品質(zhì)高、價(jià)格合適的電子器件。子模塊分別對(duì)速度、騎行者位置信息的多次采集和數(shù)據(jù)處理，將最終的信息在顯示屏上顯示并通過(guò)骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)告知騎行者本人，便于其調(diào)整騎行狀態(tài)，更好地保護(hù)其安全，圖2 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 各模塊電路介紹

■2.1 WTGPS+BD-288 北斗定位模塊

測(cè)量位置和速度。本產(chǎn)品使用AT6558 BDS/GNSS 全星座定位導(dǎo)航WTGPS+BD 模塊，該模塊靈敏度高，成本低，功耗低，有著特色的定位導(dǎo)航功能。其在3.3～5V 的電壓下工作，具有三通道射頻，支持全星座GPS、GLONASS 和BDS 同時(shí)接收信號(hào)，定位精度＜2.5m，定位更新率1Hz。WTGPS+BD 北斗定位模塊上有預(yù)留串口接口，模塊中的TX 引腳連接單片機(jī)PB7 引腳，RX 引腳連接單片機(jī)PB6 引腳。衛(wèi)星系統(tǒng)正常工作時(shí)，用二進(jìn)制偽碼發(fā)射導(dǎo)航電文，當(dāng)WTGPS+BD 北斗定位模塊的定位系統(tǒng)接收機(jī)接收到導(dǎo)航電文，提取出衛(wèi)星時(shí)間與自己的時(shí)鐘作比較獲悉衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84 大地坐標(biāo)系中的位置速度即經(jīng)緯度信息.將自身采集到的經(jīng)緯度信息寄存到內(nèi)部FLASH，再通過(guò)串口將信息發(fā)送給單片機(jī)，從而將經(jīng)緯度整數(shù)值數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上[1]，同時(shí)通過(guò)骨傳導(dǎo)耳機(jī)播報(bào)給騎行者，圖3 為BD-228 電路圖。

圖3 北斗導(dǎo)航電路圖

■2.2 MAX30100 心率傳感器

測(cè)量心率信號(hào)和血氧飽和度。該模塊可靠性高，功耗低，采樣率高，數(shù)據(jù)輸出快，可與常規(guī)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信。其在3.3V～5V 的電壓下工作，檢測(cè)的是光反射信號(hào)，輸出信號(hào)接口為I2C 接口。MAX301000（見(jiàn)圖4）心率傳感器上的SCL 接I2C 總線的時(shí)鐘單片機(jī)的PB6 引腳，SDA 接I2C總線的數(shù)據(jù)單片機(jī)的PB5 引腳。模塊工作過(guò)程為利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏和血氧飽和度的測(cè)量，傳感器由光源和光電變換器組成，與騎行者耳垂相接觸，人體動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積會(huì)發(fā)生比較明顯的變化從而導(dǎo)致光源這束光的透光率發(fā)生改變，同時(shí)光電變換器會(huì)接收到來(lái)自人體反射的光澤，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入給單片機(jī)，通過(guò)信號(hào)采集電路，對(duì)于光信號(hào)發(fā)射接收、AD 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波部分以及環(huán)境光干擾消除，將數(shù)字接口接入頭盔芯片中，對(duì)接到單片機(jī)I2C 接口，用于內(nèi)部讀寫(xiě)，從而轉(zhuǎn)化出光強(qiáng)度數(shù)值，再加上相應(yīng)的計(jì)算公式，求出相應(yīng)的心率值和血氧飽和度通過(guò)放大后輸出，最后顯示在顯示屏以及通過(guò)骨傳導(dǎo)耳機(jī)播報(bào)給騎行者[4]。

圖4 MAX30100 心率傳感器

■2.3 紅外雨滴傳感器

紅外雨滴傳感器模塊處理?；诩t外線雨點(diǎn)傳感器，采用IRM-3638 一體化紅外遙控接收頭，接受940nm 的波長(zhǎng)、接收38kHz 的頻率、3～5V 的電壓，2A 的電流。以及采用L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通道A 輸出，連接電機(jī)；通道B 輸出，連接12V 供電，可用于給MCU 供電ENA。其中A使能ENB，通道B 使能IN1～I(xiàn)N4；邏輯輸入IN1～I(xiàn)N2 控制通道A，邏輯輸入IN3～I(xiàn)N4 控制通道B 使用此電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速并且起動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。

當(dāng)雨滴打到智能語(yǔ)音頭盔上時(shí)，通過(guò)紅外光線檢測(cè)雨滴，檢測(cè)反射回來(lái)的紅外光線來(lái)判斷雨滴的大小。雨點(diǎn)傳感器向擋風(fēng)玻璃放射紅外線，通過(guò)擋風(fēng)玻璃向內(nèi)反饋回來(lái)紅外線情況，來(lái)判斷是否啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行雨刮器的開(kāi)啟。

在打開(kāi)雨刮器時(shí)，根據(jù)光敏二極管所轉(zhuǎn)化的電信號(hào)，通過(guò)L298N 來(lái)驅(qū)動(dòng)其相應(yīng)的動(dòng)作。倘若雨點(diǎn)過(guò)大，那么通過(guò)所反饋回來(lái)的紅外光線便很少，從而更換對(duì)應(yīng)的電機(jī)擋位進(jìn)行雨刮；假若雨點(diǎn)很小或者無(wú)雨，那么通過(guò)所反饋回來(lái)的紅外光線便很多，從而更換對(duì)應(yīng)的電機(jī)擋位進(jìn)行雨刮，電路圖如圖5 所示。

圖5 電路圖

■2.4 DX-BT24-T 藍(lán)牙模塊

此模塊用來(lái)提供藍(lán)牙信號(hào)。該模塊性能高、集成度高、體積小、可以通過(guò)AT 命令配置模塊參數(shù)使用容易高效，可以同時(shí)支持SPP GATT HID 協(xié)議 UART 主從一體串口透?jìng)?。其?.5～5.5V 的電壓下工作，傳輸速率為80KB/s。DXBT24-T 藍(lán)牙模塊上的串口數(shù)據(jù)輸出UART_TX 引腳連接單片機(jī)的PC1 引腳，串口數(shù)據(jù)輸入U(xiǎn)ART_RX 引腳連接單片機(jī)的PC10 引腳，其工作工程為DX-BT24-T 藍(lán)牙模塊（具體電路圖如圖6 所示）和單片機(jī)相連進(jìn)入工作狀態(tài)后發(fā)出配對(duì)信息，當(dāng)骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)與其配對(duì)后，骨傳導(dǎo)耳機(jī)可以接收到單片機(jī)發(fā)出的信息，從而使騎行者能過(guò)獲取信息，保障其安全。

圖6 藍(lán)牙模塊電路原理圖

■2.5 OLED 液晶顯示（SSD1315）模塊

此模塊用來(lái)顯示騎行的速度、位置以及騎行者的心率等信息。該模塊輕薄、省電該模塊在3.3～5V 的電壓下工作采用I2C 通信，時(shí)鐘線引腳D0 接單片機(jī)的PB6 引腳，數(shù)據(jù)線引腳接單片機(jī)的PB7 引腳，復(fù)位引腳接RES 接單片機(jī)的NRST 引腳，SPI 數(shù)據(jù)/命令選擇引腳DC 接單片機(jī)的PB5引腳，CS 引腳接地。

■2.6 骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)

骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)和藍(lán)牙模塊配對(duì)后接收WTGPS+BD 北斗定位模塊和MAX30100 心率傳感器發(fā)送來(lái)的信息。骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)因?yàn)椴挥猛纼?nèi)塞入耳塞，所以佩戴要比一般耳機(jī)舒服，在頭盔中使用骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)，騎行者不僅可以得到騎行的信息，同時(shí)還能正常聽(tīng)到外界環(huán)境的信息，相比其他耳機(jī)更加地安全。其工作原理為聲波由空氣傳導(dǎo)、骨傳導(dǎo)兩條路徑，借助人體頭部骨頭的振動(dòng)將聲音傳入內(nèi)耳。然后搭載南卡AF 全震指向性振子有效提高35%震子振動(dòng)面積，提高骨傳導(dǎo)藍(lán)牙的效率。在頭盔表面設(shè)計(jì)音量調(diào)節(jié)按鈕，方便控制音量大小，戴著骨傳導(dǎo)藍(lán)牙耳機(jī)仍然可以聽(tīng)到周圍環(huán)境的聲響，加大了佩戴者對(duì)周圍環(huán)境的判斷，更好的保護(hù)了駕乘者的安全。在此過(guò)程中可以完全脫離雙手的操作，以降低佩戴者的危險(xiǎn)隱患[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括4 個(gè)板塊：定位模塊、心率傳感器模塊、藍(lán)牙播報(bào)模塊、雨刮器模塊。本設(shè)計(jì)首先對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，進(jìn)行各個(gè)模塊參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)檢測(cè)，獲取4 個(gè)模塊之中所要求測(cè)得的數(shù)據(jù)，根據(jù)指令進(jìn)行AD 信號(hào)轉(zhuǎn)換，STM32 根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊響應(yīng)，進(jìn)行GPS+BD 定位模塊數(shù)據(jù)獲?。籑AX30100 心率傳感器模塊心率測(cè)量，計(jì)算并且處理心率信號(hào)；當(dāng)雨滴落至頭盔表面時(shí)，紅外雨點(diǎn)傳感器進(jìn)行信號(hào)收集、處理；遇見(jiàn)危險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。對(duì)所得到的4 組數(shù)據(jù)，進(jìn)行采樣、收集、處理、計(jì)算、歸納、總結(jié)，之后把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后進(jìn)行響應(yīng)。數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，OLED 屏進(jìn)行顯示，如果發(fā)現(xiàn)并未顯示，則重新將數(shù)據(jù)初始化，重新進(jìn)行該系列操作，直到可以顯示為止。在模塊中，將信號(hào)進(jìn)行處理，在各模塊中響應(yīng)、解析并且轉(zhuǎn)化成相應(yīng)功能，使得騎行者更加安全和合理地應(yīng)用頭盔，從而使得減小安全隱患，平安騎行。具體流程見(jiàn)圖7。

圖7 智能語(yǔ)音頭盔具體軟件設(shè)計(jì)流程

■3.1 GPS+BD 模塊

地圖模塊使用GPS+BD，該模塊方便輕巧且功能強(qiáng)大，被大量用于地圖方面的導(dǎo)航與定位。根據(jù)輸入信號(hào)的輸送、處理，進(jìn)行相關(guān)位置的標(biāo)記，從而規(guī)劃出相關(guān)路線，規(guī)劃好路線之后，可以更加精準(zhǔn)地進(jìn)行騎行導(dǎo)航，給騎行者帶來(lái)極大地方便[6]。

■3.2 心率傳感器模塊

對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行采樣、分割、處理，進(jìn)行程序的初始化設(shè)置。利用MAX10300 的光電容積法采集相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)微分方程進(jìn)行微分閾值法提取特征相關(guān)點(diǎn)，從而計(jì)算相關(guān)單次心率，根據(jù)心率傳感器來(lái)判斷心率是否正常。此時(shí)，如果正常的話，則移動(dòng)平均算法獲取最終心率，在系統(tǒng)連接的顯示屏上顯示信息，輸出周期數(shù)據(jù)。反之，則發(fā)送心率異常的顯示報(bào)警處理[7]。

■3.3 藍(lán)牙播報(bào)模塊

該模塊首先進(jìn)行初始化處理，根據(jù)外界輸入的信號(hào)，將聲波傳導(dǎo)到人體骨頭部，搭載南卡AF 全震指向性振子，進(jìn)行高效震動(dòng)，進(jìn)行傳導(dǎo)。

■3.4 雨刮器模塊

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選定60ms 的定時(shí)器，起初對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化處理，然后啟動(dòng)定時(shí)器。根據(jù)電平的高低進(jìn)行數(shù)值加法運(yùn)算。期間38 kHz 的脈沖信號(hào)進(jìn)行128 分頻操作，周期為3ms，在選定的時(shí)間之中，最多可接受20 個(gè)脈沖信號(hào)，最后根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行相關(guān)雨量大小的分配。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著國(guó)家“一人一盔”政策的出臺(tái)，加之交通事故頻發(fā)，智能語(yǔ)音頭盔便應(yīng)運(yùn)而生了。本設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的普通頭盔，進(jìn)行創(chuàng)新改造，應(yīng)用了較為先進(jìn)的骨傳導(dǎo)、心率傳感器、北斗定位等模塊。將頭盔的發(fā)展與國(guó)情、人們的需求結(jié)合一起，創(chuàng)新出可以實(shí)時(shí)定位、雨刮、遇險(xiǎn)報(bào)警的智能語(yǔ)音頭盔，減少騎行和作業(yè)時(shí)的潛在隱患，加大了發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)的救援時(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)雖然針對(duì)騎行者而設(shè)計(jì)，但是對(duì)于煤礦、井下等場(chǎng)所作業(yè)的工人，高層建筑施工及寒冷地區(qū)施工作業(yè)的工人同樣具有重要意義。隨著科技的不斷進(jìn)步，智能語(yǔ)音頭盔會(huì)不斷地創(chuàng)新，應(yīng)用于市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)也會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化改善，添加更多的模塊，為人們的出行提供便利[1]。