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

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，并最大程度上擺脫騎行過程中由手機帶來的不便。

嵌入式芯片；微波雷達測距；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動的時代，自行車騎行成為一種越來越流行的出行和運動方式，而騎行頭盔更是所有騎行愛好者必備的運動隨裝備。據(jù)不完全統(tǒng)計，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。現(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。本項目設(shè)計基于嵌入式技術(shù)的騎行頭盔，集合了騎行愛好者所需的導(dǎo)航功能，同時也解決了普通頭盔體驗差問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本項目硬件電路部分以STM32F103U8T6為核心進行開發(fā)。STM32F103U8T6為集成電路(IC)，其最高速度可達72MHz，并且具有DMA，電機控制PWM，溫度傳感器等外圍設(shè)備。片內(nèi)程序存儲器容量， 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)計的功能需求。

雷達測距模塊：利用微波發(fā)射與接收，通過雷達發(fā)射微波的周期，計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“危險信號”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，并最大程度上拜托騎行過程中由手機帶來的不便。

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

定位與導(dǎo)航信息處理：下載好離線地圖的移動端將實時獲取到當前的位置和導(dǎo)航信息通過藍牙傳輸?shù)絊TM32并進行信號處理。STM32 通過對導(dǎo)航信息處理后將其轉(zhuǎn)化為頭盔上相應(yīng)的激光導(dǎo)航指示燈的信號指示。激光透過頭盔外層帶有指示符號的透明膜將指示符號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)計在頭盔中內(nèi)置鋰電池、藍牙4.0模塊、雷達測距收發(fā)模塊、USB接口以及GPS。通過藍牙連接到手機終端，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)長時間供電。其內(nèi)置的USB接口可以在鋰電池電量耗盡時對其進行充電。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雷達測距模塊

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提醒騎行者躲避前方障礙物的作用，本設(shè)計采用24GHz微波雷達傳感器，將發(fā)射出去的微波信號利用接收機接收回來并進而轉(zhuǎn)換成電信號，將此電信號發(fā)送至STM32串口，通過串口高低電平的變化再轉(zhuǎn)化為附于頭盔上報警器的報警（振動）信號從而起到提醒的作用。

2.2 轉(zhuǎn)向指示燈模塊

當騎行者轉(zhuǎn)彎或剎車時為使得身后的人員注意到，進而起到提醒身后人員的作用，更加進一步的增加安全效用。本設(shè)計采用MMA7660加速度傳感器和FXAS21002C陀螺儀傳感器配合使用LED顯示燈，當騎行者的車輛發(fā)生剎車或者轉(zhuǎn)向等操作時，利用轉(zhuǎn)向時傳感器感應(yīng)到的傾角變化或者加速度的變化轉(zhuǎn)化為電信號并將此電信號發(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，從而達到提醒身后人員的作用。

2.3 定位與導(dǎo)航模塊

為實現(xiàn)此頭盔的的定位與離線導(dǎo)航功能，從而進一步增加智能頭盔的便捷與安全效用。本設(shè)計采用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牙傳輸?shù)絊TM32中進行處理，并與下載好的離線地圖的移動端配合，通過從移動端數(shù)據(jù)庫調(diào)取所需的導(dǎo)航信息并將此導(dǎo)航信息也通過藍牙傳輸至STM32中進行處理。

STM32通過對導(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)航指示燈的信號指示，然后使激光透過頭盔外層帶有指示符號的透明膜將相對應(yīng)得指示符號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牙傳輸至移動端使得騎行者隨時了解自己所處的經(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。本項目設(shè)計的智能騎行頭盔，既為騎行過程中的轉(zhuǎn)彎，剎車設(shè)計了信號指示燈，同時在前方有障礙物時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夾將手機夾于自行車把手上進行導(dǎo)航，這樣既不便查看還存在潛在的危險。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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[3]何小艇著.電子系統(tǒng)設(shè)計[M].浙江大學(xué)出版社,2008:107-129.

[4]馬忠梅著.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

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）