一種基于安全導行的自行車智慧車燈設計

曾光 黃玉萍 丁宇凌

摘 ?要：在國家大力倡導低碳環保出行的背景下，越來越多的自行車行駛在馬路上，文章對自行車行駛過程中的安全問題進行了研究，報告了現有自行車一般都沒有尾燈等警示裝置（或尾燈設計簡單）。為此對可提高自行車行駛安全性的安全設施進行了調查，設計出一款基于機械感知和語音控制技術的自行車智慧車燈系統。通過3D炫屏的方式顯示剎車及轉向等信號，有效解決了上述問題，以此減少交通事故率，讓綠色出行更安全、更可靠。

關鍵詞：自行車;智慧車燈;語音控制;3D炫屏;機械感知

中圖分類號：TP311;U484 ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0059-05

Abstract： Under the background that the state strongly advocates low-carbon and environment-friendly travel， more and more bicycles are driving on the road. This paper studies the safety problems in the process of bicycle driving， and reports that the existing bicycles generally do not have tail lights and other warning devices （or the tail lights are simple in design）. Therefore， the safety facilities that can improve the safety of bicycle driving are investigated， a bicycle intelligent lamp system based on mechanical perception and voice control technology is designed. The above problems are effectively solved by displaying braking， steering and other signals in the way of 3D dazzling screen， so as to reduce the traffic accident rate and make green travel mare safer， more reliable.

Keywords： bicycle; intelligent lamp; voice control; 3D dazzling screen; mechanical perception

0 ?引 ?言

自行車騎行是一項體育運動，在日常生活中人們可以把騎自行車當作一種有效的鍛煉身體的方式，騎自行車不但可以減肥，還可使身材勻稱，并且不受時間和速度約束。騎自行車屬有氧運動，不但可以強化心臟功能，還能防止高血壓的發生，有時其作用甚至比藥物更明顯。踩踏自行車會壓縮血管，使得騎行者的血液循環加速，其大腦中將攝入更多的氧氣，覺得頭腦更清明。騎在自行車上，你會感到十分自由且暢快無比。自行車不再只是一種代步工具，更是可愉悅騎行者心靈的一種方式。

運動專家指出，由于自行車運動的特殊要求，手臂和軀干多為靜力性的工作，兩腿多為動力性的工作，在血液重新分配時，下肢的血液供給量較多，心率的變化也依據踏蹬動作的速度和地勢的起伏而不同。身體內部急需補充養料和排出廢料，所以心跳速度往往比平時增加2～3倍。如此反復練習，就能使心肌發達，心臟變大，心肌收縮有力，血管壁的彈性增強。從而使肺部通氣量增大，肺活量增加，肺的呼吸功能提高。

隨著低碳和環保主義的興起，人們在愈發注重綠色出行的同時，騎行的安全問題也日益凸顯。現今的自行車一般都沒有自行車尾燈等警示裝置，車道中的行人或車輛很難判斷出行駛中自行車的剎車或轉向行為，存在較大的安全隱患，亟需設計一款功能齊全、安全可靠的自行車車燈系統，以提高騎行的安全系數。

1 ?設計背景與必要性

隨著我國經濟的快速發展，人們對綠色出行的意識不斷加強，而自行車或共享單車就是人們強身健體或出行“最后一公里”的絕佳選擇。近幾年，隨著共享單車的普及，越來越多的市民選擇騎自行車出行，但在晚上騎自行車常常由于光線不佳而給騎行者帶來諸多不便，騎行安全不能得到保障。由于非機動車道本身存在人員和交通工具的復雜性，道路的空間及質量都是考驗騎行的重要因數，因此導致自行車事故頻發。除了道路本身的固有因數外，還要歸結于自行車的設計，即自行車的保護裝置不完善，安全性能較低。

為了提高自行車的安全性，部分自行車愛好者會在自行車尾部安裝簡易的尾燈，尾燈通過導線與按鍵開關連接，按鍵開關被安裝在車前部。這種尾燈一般需要駕駛者手動控制，在剎車時，駕駛者通過操作按鍵開關打開尾燈來示意剎車，以提醒周邊行人或車輛;與此同時，這種簡易的尾燈沒有轉向提示，其功能單一，操作不方便。文獻[1]提出的設計主要是針對夜間照明和轉向提示，使其他車輛可以判斷出其行駛方向，但存在操作的復雜性;文獻[2]主要是利用三維掃描儀對車燈進行掃描以獲取數據，利用數控加工或3D掃描技術完成夾持部分的加工;文獻[3]主要是強調無源智能的自行車車燈，其功能上的設計不足。綜上各種研究所述，為了保障騎行的安全性、便捷性、時尚性，設計出一款功能齊全、使用方便、外觀完美的自行車車燈系統顯得尤為重要。本文研究的是一種自行車智慧車燈系統，是基于機械感知和語音控制技術，通過3D炫屏的方式顯示剎車及轉向等信號，有效解決當前自行車無尾燈指示信號及尾燈設計單調的問題，以減少事故率，提升年輕用戶黏性，讓綠色出行更流行。

2 ?設計思路與解決方案

共享自行車經過近幾年的發展，已培養了眾數年輕用戶低碳出行的習慣，并且在經過爆炸式的增長后，市場趨于穩定，保持較大的規模。普通自行車或共享自行車存在一個共同的問題，就是無法通過自行車尾燈告知后方車輛其接下來的行徑，導致后方車輛無法對其進行準確預判，從而不能很好地做出減速或預剎車操作，增加交通事故發生的概率。此外，針對當前年輕用戶對共享自行車的審美疲勞與使用率下降等問題，共享自行車需要增強科技感與時尚感，以進一步鞏固年輕用戶的黏性。整體的設計方案主要圍繞以下幾個方面展開：

（1）轉向信號：語音控制或機械控制。

（2）信號傳輸：藍牙傳輸或有線傳輸。

（3）系統更新：藍牙或NFC，USB或下載器。

（4）炫屏顯示：單葉風扇可收縮式炫屏顯示方向信號，解決原始車燈顯示字體小的問題。

2.1 ?整體功能技術

整體的設計思路及功能如圖1所示。

設計目標可通過以下技術方案得以實現：

（1）發電模塊：根據電磁感應原理，通過踩腳踏板機械轉動發電，給電源部分供電;選用正科電機ZGB37RG148，配上穩壓管LM7805。

（2）電源模塊：選用可拆卸的移動電源，通過（1）充電，并留有Micro直充接口與USB接口（用于手機充電），給整個系統供電。

（3）語音模塊：識別“左轉”“右轉”“剎車”“謝謝”等普通話語音，觸發對應的控制信號發送給中控部分;（左轉/右轉的狀態是需要提前告知、之后操作的，語言模塊主要用來解決此提前告知的問題）;語音芯片型號為WTK6900C-48L。

（4）觸控模塊：左右手剎的機械觸點，左右手柄部分的左轉、右轉按鍵，前中豎軸部分的左轉、右轉觸點。

（5）中控模塊：用帶USB的MCU作為主控芯片，接收來自語音模塊、觸控模塊的觸發信號，據此控制顯示模塊的內容顯示;MCU芯片型號為CH552T。

（6）顯示模塊：通過3D智慧炫屏顯示“左轉”“右轉”“剎車”“謝謝”等標識或文字，其中3D智慧炫屏指的是利用人眼的視覺暫留現象，通過控制電動機的轉速，將單排的LED燈進行高速旋轉，以顯示對應字符或文字。

（7）照明模塊：前置LED燈/投影燈、后置LED燈/投影燈。

2.2 ?自行車模型圖

圖2為自行車整體模型，圖中詳細標注了各個設計模塊的位置和樣式，主要系統功能設置在6個位置（標號1至標號6），分別為發電模塊位置、顯示模塊位置、主控模塊位置、轉向信號機械觸點與按鍵裝置位置、語音模塊位置、機械檢測左右轉向信號裝置位置，其中標號6分為3個小設計功能的位置。

標號1：發電模塊位置，自行車轉軸與馬達聯動，機械發電。

標號2：顯示模塊位置，電機帶動單片扇葉轉動，扇葉內嵌LED燈，旋轉形成炫屏，顯示轉向信號，解決原始車燈小，采用LED燈板又不夠靈活且造價貴等問題。

標號3：主控模塊位置，一個小盒子，用來放置移動電源和主控板及相關接口。

標號4：轉向信號機械觸點與按鍵裝置，左右手把對稱設置，以左側手把為例，標號4-1和4-2是一對觸點，斷開表示剎車狀態，接觸表示非剎車狀態;標號4-3是左轉按鍵，按下則表示左轉信號;右側手把同理。

標號5：語音模塊位置，用來實現語音控制轉向信號。

標號6：機械檢測左右轉向信號裝置位置，其中標號6-1為前叉豎軸中的一個豎向接觸帶;標號6-2、6-3為前叉豎軸對應的套筒內側左右兩邊的橫向接觸帶。右轉時，前叉向右轉動，使得標號6-1和6-2相互接觸，以發出右轉信號;左轉時，前叉向右轉動，使得標號6-1和6-3相互接觸，以發出左轉信號;當標號6-1與6-2/6-3均無接觸，則表示自行車回正，自行車處于直行狀態。

2.3 ?程序設計與電路原理

根據以上的功能模塊以及自行車本身的系統設計，得到以下簡單系統算法流程圖。如圖3所示，確認車鎖打開之后，便可以觸發系統開關打開，發電模塊就可以給電源供電，主控芯片MCU此時處于待機狀態，自行車的后輪轉動可以帶動發電機馬達轉動，觸發充電信號，這說明自行車處于正常自行行駛狀態;一旦出現剎車、左轉、右轉等狀態時，炫屏就是顯示不同的狀態，直到釋放剎車或者回正。這種功能的實現不需要外帶電源，而是直接通過自行車的正常轉動來進行發電和充電的，有效解決了電源不足的問題，通過炫屏的狀態完美地顯示了當前自行車所處的不安全或不正常狀態，操作便利，不用人為判斷和開關操作，綠色有效酷炫。

根據以上流程繪制系統硬件設計原理圖，兩個電路原理圖分別如圖4、圖5所示。各個模塊所使用的芯片型號在上文整體設計部分已做介紹。圖4和圖5分別是語言識別與信號處理模塊、顯示控制模塊。語言識別與信號處理模塊主要包括穩壓電路、錄音電路、語音識別、信號處理、信號端子接口等幾個部分;控制顯示模塊主要包括穩壓電路、主控芯片、程序更新下載、無線藍牙收發信號、炫屏LED車燈、系統復位電路和風扇電機開關控制電路等，其中程序更新和收發信號都具備備選模式。

圖6為電路原理圖的解析框圖，分別對兩塊電路板進行了電路的解析。包括對圖4中的穩壓電壓、語音識別電路、信號處理電路以及圖5中顯示控制模塊的電路進行了解析。兩塊電路板的供電模塊大體是一樣的，都可以為系統提供3.3 V、5 V的電源。圖4的轉向信號是通過語音識別進行傳輸的，信號處理模塊接收轉向的語音輸入信號或機械按鍵傳輸的信號，進行方向判斷，將結果輸出到藍牙模塊，結果再通過藍牙傳輸到圖5的顯示控制模塊（也可以選擇采用有線傳輸的方式）。圖5顯示控制模塊接收來自圖4的語音識別和信號處理模塊傳輸的藍牙或有線信號，判斷轉向內容之后，選擇對應的炫屏字幕顯示內容。如此，整個硬件電路的工作過程結束。

3 ?結 ?論

隨著現代生活方式的轉變，人們的出行方式越來越注重低碳環保，自行車或共享單車的市場越來越大。而人們綠色出行的安全（特別是夜間出行的安全）也越來越引起社會的關注，如何保證人們出行安全，降低出行的風險成為業內的一個研究熱點。本文設計的一種基于安全導行的自行車智慧車燈為自行車的安全出行提供了有效保障，這款車燈系統既能有效提高自行車出行的安全性，其酷炫流行的車燈款式又能激發人們對自行車騎行的熱情，為倡導綠色出行提供了有力保障。

參考文獻：

[1] 高源潔，姜霄，楊琰.基于安全出行的自行車轉向燈設計 [J].設計，2020，33（3）：120-121.

[2] 楊海峰，張志朋，孫楠，等.基于逆向工程的自行車燈的逆向設計與創新 [J].哈爾濱職業技術學院學報，2020（2）：115-117.

[3] 肖文君.無源智能自行車燈的設計與實現 [J].機電信息，2018（30）：121+123.

[4] 肖文明，張劍鋒，耿銘君.基于SWOT分析的自行車交通發展策略研究 [J].交通運輸部管理干部學院學報，2020，30（3）：31-36.

[5] 秦華.讓電動自行車成為安全出行工具 [N].陜西日報，2018-06-06（4）.

[6] 王鳳君.綠色交通視域下的城市交通發展分析 [J].中小企業管理與科技（下旬刊），2020（11）：136-137.

[7] 張淳藝.合力治理共享單車安全隱患 [N].經濟日報，2020-10-20（3）.

[8] 彭井花.共享單車車速檢測報警系統的設計 [J].綿陽師范學院學報，2020，39（2）：31-34.

[9] 江國強.TRELOCK：精心打造高品位自行車照明燈 [J].中國自行車，2009（2）：56-57.

[10] 集成化全自動自行車前燈、尾燈 [Z].北京：北京科技大學，2002-01-01.

作者簡介：曾光（1990—），男，漢族，廣東河源人，講師，碩士研究生，研究方向：通信系統;黃玉萍（1989—），女，漢族，江西贛州人，講師，碩士研究生，研究方向：軌道交通控制、弓網建模;丁宇凌（2001—），女，漢族，廣東潮州人，研究方向：城市軌道交通通信信號。