基于物聯網傳感器的iBag智能背包的設計與實現

2016-12-02 14:56:03諸雅欣李金一于鵬博馬濤楊嘉琛楊晶

物聯網技術 2016年8期

諸雅欣　李金一　于鵬博　馬濤　楊嘉琛　楊晶

摘要：iBag是一款智能背包，其設計初衷是為青少年提供一種兼具時尚、科技和健康保障元素的全新背負體驗。本作品集成了MEMS陀螺、靈敏應變片組、GPS芯片、SIM卡通信模塊、藍牙模塊、LED顯示屏以及微控制器，開發了基于Android、iOS和Web的軟硬件通信系統，實現了個性圖案顯示、實時安全定位和超重檢測提示三大功能，并突破了傳統背包的局限性，不僅可使用戶成為產品個性化的參與者，還可以與背包進行實時人機交互，這一創新點為背包的個性化設計、青少年脊柱保護和出行安全提供了有趣的解決方案。

關鍵詞：智能背包；人機交互；個性圖案顯示；實時安全定位；超重檢測提示

中圖分類號：TP212；TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-0-03

0 引言

目前，市場上銷售的背包種類繁多、外觀多樣，但大多數背包在設計時僅滿足了用戶基本的負重和審美需求，而智能化、個性化的背包價位居高不下，令普通青少年消費者望而卻步。市場需要一款真正價格合宜又富有創意的背包。基于此，本作品提出了一種基于智能穿戴理念的背包設計方案及其實現方法。

1 作品功能設計與實現

1.1 個性圖案顯示功能

夜間光線條件差，行人不容易被來往車輛發現，交通事故頻發。為解決這一問題，本作品基于AVR單片機，通過MEMS陀螺檢測角速度[1-3]，在用戶轉向時自動顯示轉向箭頭[4]，LED屏使轉向提示醒目個性，有效保障了青少年的出行安全。夜間自動轉向實物圖如圖1所示。

在用戶直行時，本作品可呈現繽紛多彩的圖案。用戶可以在iBag預設的圖案庫中挑選喜歡的圖案，也可以使用手機App自行設計圖案。所有圖案都會實時顯示在背包上，讓有限的點陣煥發出無限的創意。個性化圖案設計與顯示實物圖如圖2所示。

同時，為鼓勵青少年自己創作創意作品，本作品還開發了基于智能手機和Web的網絡社區，允許用戶進行圖案分享和其他網絡社交活動，通過運營青少年社群提供全方位的用戶體驗。網絡社區App示意圖如圖3所示。

1.2 實時安全定位功能

突發緊急狀況時，本作品還可用于輔助定位和緊急呼救。背包內置的GPS芯片與單片機進行串口通信并實時監測用戶位置[5，6]，將數據通過實時安全定位模塊發送到終端，以供查閱；同時，用戶還能夠通過緊急呼救按鈕及時向終端發送求救指令[7]，進一步保障青少年群體的出行安全。

1.3 超重檢測提示功能

本作品能夠自動檢測背包全方位承重狀況，并人性化提示青少年進行姿勢矯正。該款作品首先會根據用戶輸入的年齡、身高、體重等指標計算用戶的負重安全值上限，其次采用靈敏應變片組與微控制器實時計算背包負重大小[8]，如果背包持續超重，警報裝置會發出提示音。此外，用戶可以通過手機App查看負重數據記錄，接收健康知識和其他生活信息的推送。超重提示功能可以幫助用戶養成積極關注、主動保護脊柱健康的好習慣，合理安排負重。

2 工作原理設計

本作品由個性圖案顯示模塊、安全定位模塊和超重檢測提示模塊組成。整體設計原理圖如圖4所示。

2.1 個性圖案顯示模塊

個性圖案顯示模塊包含傳感器、微控制器、顯示屏、電源、控制端。其中傳感器用于檢測用戶的運動狀態，可以根據不同的精度要求和環境需求，采用微加速度計、微陀螺儀等[3]。微控制器作為整體功能的交互中心，包含有微控制器芯片和附帶的串口通訊模塊、E2PROM存儲器等[1，5]，根據設計需要和程序語言環境進行選擇，可采用單片微控制器和藍牙組件等。顯示屏用于個性化圖案的顯示，可以根據像素需要和特性需要選擇單色或者全彩的點陣LED屏幕、柔性LED屏幕等。控制端用于實現對整體功能的集成控制，包含移動端App[9，10]和計算機應用軟件[11]兩種方式，具有多種功能模式，在圖案編輯狀態下能夠實現對個性圖案顯示的控制。

個性圖案顯示模塊具體實現步驟如下：

（1）用戶通過微控制器的通訊接口與控制端進行連接，在圖案編輯模式下自行設計圖案，或者從互聯網上下載圖案，并傳輸給微控制器。

（2）關閉通訊接口，圖案自動保存在微控制器內，等待調用。

（3）通過傳感器判斷用戶行走狀態后做相應反饋并顯示在顯示屏上。當用戶處于直行狀態時，顯示屏交替顯示用戶存儲在設備中的所有圖案，實現個性圖案顯示功能；當用戶處于轉彎狀態時，顯示屏自動切換為轉向箭頭及相應提示語言，實現隨身轉向燈功能。

2.2 安全定位模塊

實時安全定位模塊包含GPS信息接收單元、微控制器、GSM信息發送單元、電源、控制端。其中GPS信息接收單元包括GPS芯片和接收主機、接收天線等，能夠實時接收到GPS衛星信號[6]，可以根據不同的設計需求選用各類型號的單元設備。GSM信息發送單元包含SIM900A通信模塊[12]，能夠將接收到的GPS信息傳輸到預設移動通信終端，以供解析，同時作為緊急呼救的載體。控制端用于實現對整體功能的集成控制，包含移動端App和計算機應用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

實時安全定位模塊具體實現步驟如下：

（1）GPS信息接收單元通過內部芯片的程序實時接收GPS衛星信號并定位。

（2）GPS信息接收單元與微控制器進行串行通信，將接收到的GPS數據在微控制器中進行解析，識別判斷后輸入GSM信息發送單元。

（3）通過GSM的短消息業務把自身的位置和狀態信息發送到預先設定的控制端，通過呼叫業務實現緊急呼救。

2.3 超重檢測提示模塊

超重檢測提示模塊包含微控制器、應力檢測裝置、超重提示裝置、電源、控制端。其中應力檢測裝置用于檢測負重過程中用戶不同部位的受力，可以根據精度要求和經濟因素選擇不同的應變片、微壓力傳感器等。并選用蜂鳴器警示音提示、不同點位受力反饋、ISD1760語音提示等[13]或其組合提醒用戶背包負重過大，存在健康威脅等問題。控制端用于實現對整體功能的集成控制，包含移動端App和計算機應用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

超重檢測提示模塊具體實現步驟如下：

（1）嵌在背帶及背部接觸面內的應力檢測裝置檢測背包內部各點應力，并傳輸給微控制器，間接測算出背包負重。

（2）當背包負重超過預設安全值時，超重提示裝置會自動發出提示音，并給控制端發送各檢測點位的實時負重數據。

（3）根據實時負重數據，控制端控制超重提示裝置提醒用戶合理安排負重，給出合理的背負姿態建議，有助于用戶保護脊柱。

3 創新點分析

本作品包含如下創新點：

（1）利用基于智能穿戴和人機交互的思想重新定義了傳統背包。背包不再是靜態產品，而是可以采集用戶信息、與用戶交互的動態產品；用戶不再是被動接受產品設計的終端消費者，而是可以自由設計產品外觀的參與者。利用這一點，我們建立起了青少年和產品之間的情感關聯。

（2）發展了基于物聯網思想的“背包-軟件-用戶”交互方式。通過軟硬件通信，本作品有效地采集了背包數據；通過軟件，本作品既實現了用戶和背包之間的互動，又方便用戶基于數據指導自身行為。

（3）創新了背包外觀設計方案。背包外觀是動態可變的，通過在背包的正面嵌入柔性LED屏，切換顯示創意圖案來保障用戶的出行安全；外觀設計的方式是用戶友好的，通過手機App或Web可直接改變背包的外觀。

（4）改進了傳統背包無法檢測背包重量的情況。在背帶內加入應變片，創新性地通過檢測背帶拉伸微小形變，間接檢測背包負重，給使用者合理提示，使其關注背負健康。

（5）延伸了基于產品社群思想的作品內涵。本作品不僅僅是一個背包，還在背包的背后有數據、社群，更有基于以上二者的iCommunity線上創意交流社區。我們利用云端處理技術開發了Web社區[14]，用戶通過創作圖案、分享圖案等用戶生成內容（User Generated Content）行為，既能享受與背包交互的趣味，又能建立和社群的聯系，用戶黏度得以增強。

4 結語

在智能可穿戴設備的熱潮下，追求個性時尚、強調歸屬感的青少年消費者對背包這一日常用品也提出了新的要求。本產品既延續了傳統背包基本的負載功能，又創新性地突破了傳統背包外觀和功能的局限性，基于智能穿戴、人機交互、產品社群等思想，與青少年消費者建立了良好的互動關系和情感關聯，在很大程度上滿足了目標市場的需求。同時，青少年消費市場體量龐大，消費能力也日益攀升，因此本作品擁有廣闊的市場前景。

5 致謝

特別感謝西北工業大學虞益挺、馬炳和老師對論文的指導！

參考文獻

[1]宋建國.AVR單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[2] 郭素云.陀螺儀原理及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1985.

[3] 李紅波，段金英，龔樂.體感控制終端系統設計[J].電子制作，2014（8X）：63-64.

[4] 馮松.基于AVR單片機LED顯示屏系統的設計與實現[J].信息安全與技術，2010（10）：66-68.

[5] 汪煉，韓震宇.基于AVR單片機的串口通信[J].中國測試，2003，29（2）：52-53.

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[8] 尹福炎.電阻應變片與應變傳遞原理研究[J].衡器，2010， 39 （2）：1-8.

[9] 李寧.Android開發權威指南[M].北京：人民郵電出版社，2011.