基于STM32單片機(jī)的騎行者智能頭盔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郇雨龍 陳慧娟 田寶琦 王紅梅

摘 要：文章討論了一款適合騎行者使用的多功能智能頭盔的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用MLX90614作為溫度傳感器，MAX30102芯片作為脈搏和心率傳感器，ATK1216-BD芯片作為GPS定位傳感器，并將采集數(shù)據(jù)顯示在SSD13060LED屏上。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)不僅能夠保護(hù)騎行者的人身安全，還能夠?qū)崿F(xiàn)人體溫度測(cè)量、心率測(cè)量、GPS定位、數(shù)據(jù)顯示等功能。在當(dāng)前疫情反復(fù)的情況下，該設(shè)計(jì)對(duì)防疫、抗疫具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能頭盔;心率;溫度;GPS定位

0?引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入、生活水平、教育程度的不斷提高，人均交通工具擁有量日益增多，人們對(duì)出行安全愈發(fā)看重。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”執(zhí)法處罰制度，盡可能地減少有關(guān)電動(dòng)車(chē)、摩托車(chē)等交通事故發(fā)生時(shí)的人身傷害。在使用頭盔過(guò)程中，普通頭盔漸漸無(wú)法滿足佩戴者的需求，市場(chǎng)上急需一種具有多功能的智能頭盔，為自行車(chē)、電動(dòng)車(chē)、摩托車(chē)等沒(méi)有外在保障的騎手們保駕護(hù)航。

本文涉及的智能頭盔具有測(cè)試心率、測(cè)量體溫、GPS定位等功能。它可將獲得的溫度、心率和定位數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騎行者的身體情況，定位所處位置，降低人身意外和風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)可以在一定的程度上滿足消費(fèi)者對(duì)多功能頭盔的需求，保障騎行者的出行安全，使頭盔樣式更加智能化、多樣化。

1?系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心，輔以溫度模塊、心率模塊、GPS定位模塊等多個(gè)子模塊構(gòu)成。為了方便放置在頭盔里，使其不占太大空間，本研究盡可能地選擇了體型小、精度適合的電子器件。各模塊分別采集數(shù)據(jù)，經(jīng)多次處理，最終顯示在OLED屏上，便于人們讀取[1]。系統(tǒng)功能如圖1所示。

2?各模塊電路介紹

2.1? 溫度模塊

測(cè)量體溫。本研究使用的芯片為MLX90614非接觸式紅外測(cè)溫傳感器。其體積小，精度較高，可以測(cè)量本研究溫度范圍約為 20 ～85 ℃，讀取分辨率為 0.02 ℃。通過(guò)SMBus兩線式串行總線傳輸，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成串行總線，SDA引腳連接單片機(jī)PA1引腳，SCL引腳連接PA4引腳[2]。其工作過(guò)程為：當(dāng)SCL顯示為低電平時(shí)，SDA會(huì)將產(chǎn)生的下降沿來(lái)表示起始信號(hào)的產(chǎn)生。同樣，當(dāng)SCL顯示為高電平時(shí)，SDA將產(chǎn)生的上升沿來(lái)表示終止信號(hào)的產(chǎn)生。而數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)的最高位會(huì)優(yōu)先被傳送，且后面跟隨一位應(yīng)答位。整個(gè)過(guò)程達(dá)到發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的目的。電路如圖2所示。

2.2? 心率模塊

測(cè)量心率。本研究使用集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)的MAX30102生物傳感器，其使用1.8 V電源和單獨(dú)3.3 V的內(nèi)部LED電源，通過(guò)I2C兼容接口溝通。工作溫度范圍為? ? ? ? ? ? ?﹣40～+85 ℃。SCL引腳連接I2C總線的時(shí)鐘PB8，SDA引腳連接I2C總線的數(shù)據(jù)PB9，INT連接MAX30102芯片的中斷引腳PB7[3]。其工作過(guò)程為：通過(guò)自帶的有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管采集對(duì)透光率變化的信息，心率模塊處理諸多信息數(shù)據(jù)后，將含有可讀取的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給單片機(jī)，輔以O(shè)LED顯示屏便可更方便地讀取。電路如圖3所示。

2.3? GPS模塊

GPS定位。本研究采用ATK1216F8-BD GPS/北斗模塊[4]，其定位精度高，性能佳，定位速度快。其工作在3.3 V電壓下，定位精度為2.5 m，捕獲時(shí)間為1～29 s。GPS/北斗模塊中的RXD引腳連接單片機(jī)PA2引腳，TXD引腳連接PA4引腳。其工作過(guò)程為：GPS/北斗模塊利用雙模塊來(lái)消除電離層延遲誤差，聯(lián)合定位出所在位置，并得到經(jīng)緯度信息，將自身采集到的經(jīng)緯度信息存放到內(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OLED顯示屏上。電路如圖4所示。

2.4? 顯示模塊

所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)接收處理均實(shí)時(shí)顯示在OLED屏上，心率參數(shù)取整數(shù)，溫度參數(shù)取小數(shù)點(diǎn)后兩位，GPS經(jīng)緯度的參數(shù)取整數(shù)，實(shí)物顯示格式如圖5所示。

3?軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含3個(gè)模塊：心率、溫度、定位模塊。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化，設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，然后分別獲取3個(gè)模塊所測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定時(shí)器捕獲心率頻率，處理并計(jì)算心率信號(hào);利用北斗定位獲取位置數(shù)據(jù)[5]，選取位置經(jīng)緯度;測(cè)量溫度，設(shè)置溫度顯示取值范圍，讀取數(shù)據(jù)。對(duì)所得3組數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、處理、計(jì)算，之后將所獲得的數(shù)據(jù)暫存，然后把數(shù)據(jù)一同發(fā)送出去。經(jīng)接收、檢測(cè)，是否檢測(cè)到OLED屏，如果否，則重新將數(shù)據(jù)初始化;如果是，則顯示數(shù)據(jù)。接下來(lái)繼續(xù)檢測(cè)是否接收下一次數(shù)據(jù)，如果否，重新檢測(cè)，如果是，刷新數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)新接收的信息，重新發(fā)送、檢測(cè)、接收、顯示，依次重復(fù)循環(huán)。主程序流程如圖6所示。

4?結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)不斷研究，既保留了傳統(tǒng)頭盔的安全性能，又對(duì)傳統(tǒng)頭盔進(jìn)行了創(chuàng)新改變，具有了測(cè)量體溫、測(cè)試心率、GPS定位等功能，滿足了現(xiàn)代人們對(duì)頭盔智能化的需求。因暴發(fā)疫情，體溫的測(cè)量成為人們生活中的通行證，該頭盔新添的此項(xiàng)功能可以幫助人們實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體溫，增加了該頭盔的市場(chǎng)需求量。該頭盔雖為騎行者設(shè)計(jì)，但其適用范圍不僅局限于騎行者，也適用于愛(ài)好滑板、跳傘、攀巖等刺激類(lèi)運(yùn)動(dòng)的人們，還有警察、消防員、高空作業(yè)、煤礦等工作人員。由此可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)的發(fā)展前景十分可觀，未來(lái)對(duì)此類(lèi)智能頭盔功能的需求會(huì)更加廣泛，本研究會(huì)繼續(xù)完善并添加更多功能，為人們的生活提供舒適和便利。

[參考文獻(xiàn)]

[1]韋雪波，劉俊景.基于STM32智能騎行頭盔的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（4）：172.

[2]曾德志.ML90614系列紅外測(cè)溫模塊的原理及應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2019.

[3]白鵬飛，劉強(qiáng)，段飛波，等.基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)[J].激光與紅外，2017（10）：1276-1280.

[4]羅潔，駱楠楠.自行車(chē)智能戶外騎行服的設(shè)計(jì)研究[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（4）：96-98.

[5]夏鄂，劉嘯宇.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騎行信息的智能頭盔安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020（7）：76-82.

（編輯 王永超）