自行車導航系統的開發與應用

李宛津 張林

摘 要：自行車導航系統的開發分為移動端app和導航部件，硬件部分主要包括CC2650主控板，電子墨水屏模塊，mpu6050模塊。改論文介紹了實現自行車導航的原理同時系統實現的可能性，并對整體項目規劃提供思路及原理框圖。設計的創新之處在于運用慣導技術使短路程，低速的導航更為精確，同時通過低耗模塊的使用，裝置更為高續航，以及便攜，在app端也更加人性化。

關鍵詞：自行車導航;硬件電路;移動app

0 引言

隨著生活水平的提高，人們漸漸開始重視生活品質，其中騎行旅游成為熱門項目。但是統傳的導航，其導航的精確度是10-15米，對于騎行用戶而言，精確度太低，同時傳統導航過于依賴手機，這樣一方面人們難免會在騎行時關注手機，從而使行車人的安全受到威脅，另有一方面，很消耗手機的電量，其續航能力不高，甚至可能出現騎行時手機沒電的窘境。在導航系統中，對于app端增加了約騎，分享的功能，可以隨意發布些游記，增強騎行的趣味性。同時，還增加了硬件設備，減少用戶對手機的過分依賴，能夠增加導航的精確度，能夠在無WiFi情況下，進行導航和原路返回。因此，有效，安全，實用的導航系統成為了我們這項設計的關鍵問題。

1 工作原理

基于導航的基本需求，考慮設計了三個主要部分的功能，分別是基礎性需求、表現性需求和社交性需求。基礎性需求：1. 精確導航? 2.原路返回 3.導航提醒 4.超長續航

基礎性需求主要是硬件導航的實現，通過對百度的SDK組件進行二次開發，并引入了六軸陀螺儀來實現精確導航。首先在app填入初始位置和終點位置，在移動端進行路線計算，提供宏指針，將其傳輸到CC2650即硬件端，在接受到信息后，啟用mpu6050運用慣性導航技術進行計步，并且提供微指針，該指針一方面與宏指針進行校對修改，同時將對應的路程信息進行預封裝存于主板中，當處于無Wi-Fi時需要原路返回時，調用信息進行，進行微指針累加導航，另一方面傳輸電子墨水屏端，墨水屏接受信息，根據提示調用內存中對應的指示圖片，進行導航提醒。

為了做到超長續航，在開發過程中所使用的顯示屏是墨水屏。據了解墨水屏只有在刷新導航信息時才會產生耗電。除此之外還運用到了CC2650，其內置的MCU（微處理器）與藍牙一體，MCU可直接驅動墨水屏，剩余引腳連接六軸陀螺儀。且CC2650設有看門狗電路，可以實現一鍵全開機，一鍵全關機，激活只需要一個藍牙信號。且CC2650的輸入電流0.1安，拿目前用到的2000毫安電池來計算，該裝置可以實現在一次充電，使用一年。這樣的設計最大程度保障了該系統的續航能力。此外，在充電問題上，由于外殼上做了防水處理，設計中將在裝置內安裝運用無線充電板，來實現無線充電。

2 硬件電路設計

2.1 CC2650 工作原理

CC2650 器件是一款面向 Bluetooth Smart、 ZigBee和 6LoWPAN，以及 ZigBee RF4CE 遠程控制應用的無線 MCU。該器件可以確保產品電池的使用壽命，同時適合小型紐扣電池來提供電流，為產品體積大小提供了便捷優勢。

2.2 MPU6050 電路

MPU6050模塊內部自帶電壓穩定電路，可以兼容 3.3V/5V 的嵌入式系統，連接方便。該模塊保留了 MPU6050 的 I2C 接口，滿足了高級用戶希望訪問底層測量數據的需求。模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，這一樣的結合能夠在動態環境下準確輸出模塊的當前姿態，姿態測量精度 0.01 度，穩定性極高，性能甚至優于某些專業的傾角儀。

2.3 e-paper水墨屏工作原理

電子墨水屏（或稱水墨屏，E-Ink）是一種由大量細小微膠囊組成的電泳顯示器，可分為有源矩陣和無源矩陣兩種形式。在環境光線較強的情況下，電子墨水屏克服了傳統的液晶屏容易反光的先天不足。另外，電子墨水屏還能夠彌補傳統液晶屏容易引起視覺疲勞的缺陷。同時，傳統的液晶屏是需要不斷刷新圖像的，所以能耗較大，而電子墨水屏可以讓圖像有效地保持在屏幕上，只有在刷新時才消耗電能，極大程度的降低了系統功耗。因此，運用墨水屏能夠很好的降低了能耗。

3 移動端功能模塊

自行車導航裝置的app端主要用來滿足用戶的表現需求和社交性需求。設有精準導航、游記生成以及用戶約騎等功能。軟件系統框圖如圖所示

3.1精確導航的實現

統傳的導航，其導航的精確度是10-15米，對于騎行用戶而言，精確度太低，很有可能錯過轉彎路口而影響行程，同時傳統導航過于依賴手機，這樣一方面人們難免會在騎行時關注手機，從而使行車人的安全受到威脅，另有一方面，很消耗手機的電量，其續航能力不高，甚至可能出現騎行時手機沒電的窘境。因此該套裝置通過六軸陀螺儀進行自行距離測算的同時，通過手機導航進行宏觀把控校準，實現宏觀與微觀相結合來進行精確計算，將導航精確度提升至3-5米，同時裝置置放于車把，通過藍牙將手機路線傳輸以提高用戶安全系數。

3.2 游記生成與分享

在用戶騎行的過程中，該軟件會對用戶騎行的路線、導航信息進行實時記錄。騎行結束后，將在RDING應用內提供的模板進行自行選擇。同時添加沿途拍攝的風景照片，應用將自動生成騎行游記。這時，用戶只需一鍵分享他的輕生活理念與騎行體驗即可記錄這段旅程，同時提供給更多旅友新的騎行路線及方案。

3.3 約騎功能

早在2017年1月共享單車用戶使用目的分析中就提到，騎行社交的用戶占比就已達16.20%。而騎行的確是一項健康而又新興的社交方式。空閑的時間，如果想約上三五人結伴游周邊，騎著單車一起享受輕生活，而又苦惱于沒有找到志同道合的同行朋友，這是便能用上了這一功能。約騎方案的設計為用戶提供了這樣一個功能，可以根據個人需求進行描述及發布約騎消息，找到志同道合的旅友完成一場說走就走的騎行之旅。

3.4 防脫隊提醒

經調查發現在團體騎行中，時常會發生因為成員速度不一致而導致的成員脫隊現象。所以該系統通過藍牙實現自由組網。任意兩個設備都可通過自組網連接，當有成員脫離其余任何成員超過十五米時，它就會發出提醒。這樣的設計大大提高了團體騎行的效率以及安全程度。

4 結語

該項目是用于導航的一款智能硬件設備以及相關拓展的可穿戴設備，嚴格意義上并不是一套設備，而是用于騎行的以導航為基礎功能的應用系統。該自行車導航系統由兩個主要部分組成：智能導航硬件裝置以及手機端的騎行應用。我們的系統，在傳統的導航系統上還增加了原路返回，隊員搜索，約騎等功能，此外，還提高了續航能力，這樣用戶即使在沒有信號的情況下走丟，也能通過這個系統找到回家的路。

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國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：201810065022）.