基于嵌入式智能頭盔的研究

成都理工大學信息科學與技術學院 郭一諾 薛龍輝 張旭東 章治海

基于嵌入式智能頭盔的研究

成都理工大學信息科學與技術學院 郭一諾 薛龍輝 張旭東 章治海

本系統為一款基于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。據不完全統計，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。本項目設計基于嵌入式技術的騎行頭盔，集合了騎行愛好者所需的導航功能，同時也解決了普通頭盔體驗差問題。

1 總體結構與工作原理

本項目硬件電路部分以STM32F103U8T6為核心進行開發。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備。片內程序存儲器容量， RAM容量等性能也比較好。并且其內部有自帶的數模轉換器和時鐘電路，可以在-40℃-85℃的條件下穩定工作。其優秀的性能完全可以滿足本設計的功能需求。

雷達測距模塊：利用微波發射與接收，通過雷達發射微波的周期，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。

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

定位與導航信息處理：下載好離線地圖的移動端將實時獲取到當前的位置和導航信息通過藍牙傳輸到STM32并進行信號處理。STM32 通過對導航信息處理后將其轉化為頭盔上相應的激光導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，從而引導騎行者前行方向。

本設計在頭盔中內置鋰電池、藍牙4.0模塊、雷達測距收發模塊、USB接口以及GPS。通過藍牙連接到手機終端，獲取到定位與導航的信息數據。內置的大容量鋰電池，可以為整套系統持續長時間供電。其內置的USB接口可以在鋰電池電量耗盡時對其進行充電。

2 系統設計

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，本設計采用24GHz微波雷達傳感器，將發射出去的微波信號利用接收機接收回來并進而轉換成電信號，將此電信號發送至STM32串口，通過串口高低電平的變化再轉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 轉向指示燈模塊

當騎行者轉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，當騎行者的車輛發生剎車或者轉向等操作時，利用轉向時傳感器感應到的傾角變化或者加速度的變化轉化為電信號并將此電信號發送至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 定位與導航模塊

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

STM32通過對導航信息處理后將其將其獲得到的導航指令轉化為頭盔上相應的激光導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得指示符號放大并投影到前方的地面上，從而起到引導騎行者騎行的作用。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緯度以及海拔等位置信息。

3 結論

騎行，安全是第一，市場上普通頭盔只能為我們減輕傷害，卻不能做到預防危險。本項目設計的智能騎行頭盔，既為騎行過程中的轉彎，剎車設計了信號指示燈，同時在前方有障礙物時提醒騎行者注意行車距離。

定位與導航，這是絕大多數騎行愛好者所需求的功能，現今，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航指示信息投影在前方地面上，解決了上述存在的問題，導航更直觀。

[1]唐京城著.無線智能家居控制網絡及其協議設計[J].湖北華中科技,2006:33-36.

[2]張少軍著.無線傳感器網絡技術及應用[M].北京中國電力出版社,2010:19.

[3]何小艇著.電子系統設計[M].浙江大學出版社,2008:107-129.

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