智能語音頭盔

李炎森，馮準若，楊海峰

（寶雞文理學院 物理與光電技術學院，陜西寶雞，721000）

0 引言

隨著居民生活水平的提高，居民機動車的擁有量增長較快，交通安全對于人們來說越發重要。我國公安部交通管理局發文規定，自2020 年6 月1 日起執行“一盔一帶”法律處罰制度，盡可能地減少有關電動車、摩托車等交通事故發生時的人身傷害[1]。隨著科技的進步普通頭盔的功能不再滿足人們對于頭盔佩戴的需要，而多功能的智能頭盔在頭盔技術方面有了很多的積累，對于頭盔的應用場景也有了很大的改變，智能化頭盔具備潛在的市場價值，符合頭盔未來的發展趨勢。

本設計為一款智能語音頭盔，通過骨傳導藍牙耳機實現信息接受，利用MAX30102 心率傳感器檢測駕駛員的心跳脈搏，利用WTGPS+BD 北斗定位駕駛員位置以及車輛行駛的速度，可以實時在OLED 液晶顯示駕駛信息，關注駕駛員的狀態。從而滿足客戶對智能頭盔的新需求，為消費者安全出行提供一定的保障，同時使得頭盔更加地多功能化、多樣化，圖1 為智能語音頭盔設計模型圖[3]。

圖1 智能語音頭盔設計模型

1 系統功能框圖的設計

本設計以STM32F103 單片機為在主控芯片，再加上北斗定位、藍牙模塊、心率傳感器、光感式雨滴傳感器以及骨傳導藍牙耳機和OLED 液晶顯示等多個輔助子模塊.除符合國家對于頭盔的規定外，為了使頭盔方便攜帶，重量更輕，占據空間小，在選擇器件時盡可能都選擇體積小、品質高、價格合適的電子器件。子模塊分別對速度、騎行者位置信息的多次采集和數據處理，將最終的信息在顯示屏上顯示并通過骨傳導藍牙耳機告知騎行者本人，便于其調整騎行狀態，更好地保護其安全，圖2 為系統結構示意圖。

圖2 系統結構示意圖

2 各模塊電路介紹

■2.1 WTGPS+BD-288 北斗定位模塊

測量位置和速度。本產品使用AT6558 BDS/GNSS 全星座定位導航WTGPS+BD 模塊，該模塊靈敏度高，成本低，功耗低，有著特色的定位導航功能。其在3.3～5V 的電壓下工作，具有三通道射頻，支持全星座GPS、GLONASS 和BDS 同時接收信號，定位精度＜2.5m，定位更新率1Hz。WTGPS+BD 北斗定位模塊上有預留串口接口，模塊中的TX 引腳連接單片機PB7 引腳，RX 引腳連接單片機PB6 引腳。衛星系統正常工作時，用二進制偽碼發射導航電文，當WTGPS+BD 北斗定位模塊的定位系統接收機接收到導航電文，提取出衛星時間與自己的時鐘作比較獲悉衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，用戶在WGS-84 大地坐標系中的位置速度即經緯度信息.將自身采集到的經緯度信息寄存到內部FLASH，再通過串口將信息發送給單片機，從而將經緯度整數值數據顯示在顯示屏上[1]，同時通過骨傳導耳機播報給騎行者，圖3 為BD-228 電路圖。

圖3 北斗導航電路圖

■2.2 MAX30100 心率傳感器

測量心率信號和血氧飽和度。該模塊可靠性高，功耗低，采樣率高，數據輸出快，可與常規的單片機開發板進行通信。其在3.3V～5V 的電壓下工作，檢測的是光反射信號，輸出信號接口為I2C 接口。MAX301000（見圖4）心率傳感器上的SCL 接I2C 總線的時鐘單片機的PB6 引腳，SDA 接I2C總線的數據單片機的PB5 引腳。模塊工作過程為利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同來進行脈搏和血氧飽和度的測量，傳感器由光源和光電變換器組成，與騎行者耳垂相接觸，人體動脈搏動充血容積會發生比較明顯的變化從而導致光源這束光的透光率發生改變，同時光電變換器會接收到來自人體反射的光澤，并將其轉變成電信號輸入給單片機，通過信號采集電路，對于光信號發射接收、AD 轉換、數字濾波部分以及環境光干擾消除，將數字接口接入頭盔芯片中，對接到單片機I2C 接口，用于內部讀寫，從而轉化出光強度數值，再加上相應的計算公式，求出相應的心率值和血氧飽和度通過放大后輸出，最后顯示在顯示屏以及通過骨傳導耳機播報給騎行者[4]。

圖4 MAX30100 心率傳感器

■2.3 紅外雨滴傳感器

紅外雨滴傳感器模塊處理。基于紅外線雨點傳感器，采用IRM-3638 一體化紅外遙控接收頭，接受940nm 的波長、接收38kHz 的頻率、3～5V 的電壓，2A 的電流。以及采用L298N 雙H 橋直流電機驅動，通道A 輸出，連接電機；通道B 輸出，連接12V 供電，可用于給MCU 供電ENA。其中A使能ENB，通道B 使能IN1～IN4；邏輯輸入IN1～IN2 控制通道A，邏輯輸入IN3～IN4 控制通道B 使用此電機驅動可以實現電機正反轉及調速并且起動性能好，啟動轉矩大。

當雨滴打到智能語音頭盔上時，通過紅外光線檢測雨滴，檢測反射回來的紅外光線來判斷雨滴的大小。雨點傳感器向擋風玻璃放射紅外線，通過擋風玻璃向內反饋回來紅外線情況，來判斷是否啟動電機進行雨刮器的開啟。

在打開雨刮器時，根據光敏二極管所轉化的電信號，通過L298N 來驅動其相應的動作。倘若雨點過大，那么通過所反饋回來的紅外光線便很少，從而更換對應的電機擋位進行雨刮；假若雨點很小或者無雨，那么通過所反饋回來的紅外光線便很多，從而更換對應的電機擋位進行雨刮，電路圖如圖5 所示。

圖5 電路圖

■2.4 DX-BT24-T 藍牙模塊

此模塊用來提供藍牙信號。該模塊性能高、集成度高、體積小、可以通過AT 命令配置模塊參數使用容易高效，可以同時支持SPP GATT HID 協議 UART 主從一體串口透傳。其在2.5～5.5V 的電壓下工作，傳輸速率為80KB/s。DXBT24-T 藍牙模塊上的串口數據輸出UART_TX 引腳連接單片機的PC1 引腳，串口數據輸入UART_RX 引腳連接單片機的PC10 引腳，其工作工程為DX-BT24-T 藍牙模塊（具體電路圖如圖6 所示）和單片機相連進入工作狀態后發出配對信息，當骨傳導藍牙耳機與其配對后，骨傳導耳機可以接收到單片機發出的信息，從而使騎行者能過獲取信息，保障其安全。

圖6 藍牙模塊電路原理圖

■2.5 OLED 液晶顯示（SSD1315）模塊

此模塊用來顯示騎行的速度、位置以及騎行者的心率等信息。該模塊輕薄、省電該模塊在3.3～5V 的電壓下工作采用I2C 通信，時鐘線引腳D0 接單片機的PB6 引腳，數據線引腳接單片機的PB7 引腳，復位引腳接RES 接單片機的NRST 引腳，SPI 數據/命令選擇引腳DC 接單片機的PB5引腳，CS 引腳接地。

■2.6 骨傳導藍牙耳機

骨傳導藍牙耳機和藍牙模塊配對后接收WTGPS+BD 北斗定位模塊和MAX30100 心率傳感器發送來的信息。骨傳導藍牙耳機因為不用往耳道內塞入耳塞，所以佩戴要比一般耳機舒服，在頭盔中使用骨傳導藍牙耳機，騎行者不僅可以得到騎行的信息，同時還能正常聽到外界環境的信息，相比其他耳機更加地安全。其工作原理為聲波由空氣傳導、骨傳導兩條路徑，借助人體頭部骨頭的振動將聲音傳入內耳。然后搭載南卡AF 全震指向性振子有效提高35%震子振動面積，提高骨傳導藍牙的效率。在頭盔表面設計音量調節按鈕，方便控制音量大小，戴著骨傳導藍牙耳機仍然可以聽到周圍環境的聲響，加大了佩戴者對周圍環境的判斷，更好的保護了駕乘者的安全。在此過程中可以完全脫離雙手的操作，以降低佩戴者的危險隱患[5]。

3 軟件設計

軟件設計主要包括4 個板塊：定位模塊、心率傳感器模塊、藍牙播報模塊、雨刮器模塊。本設計首先對系統數據進行初始化處理，根據現實需求，進行各個模塊參數的設置，通過檢測，獲取4 個模塊之中所要求測得的數據，根據指令進行AD 信號轉換，STM32 根據所接收到的數據進行模塊響應，進行GPS+BD 定位模塊數據獲取；MAX30100 心率傳感器模塊心率測量，計算并且處理心率信號；當雨滴落至頭盔表面時，紅外雨點傳感器進行信號收集、處理；遇見危險時，通過藍牙模塊進行遠程報警。對所得到的4 組數據，進行采樣、收集、處理、計算、歸納、總結，之后把數據進行存儲，最后進行響應。數據進行傳送，OLED 屏進行顯示，如果發現并未顯示，則重新將數據初始化，重新進行該系列操作，直到可以顯示為止。在模塊中，將信號進行處理，在各模塊中響應、解析并且轉化成相應功能，使得騎行者更加安全和合理地應用頭盔，從而使得減小安全隱患，平安騎行。具體流程見圖7。

圖7 智能語音頭盔具體軟件設計流程

■3.1 GPS+BD 模塊

地圖模塊使用GPS+BD，該模塊方便輕巧且功能強大，被大量用于地圖方面的導航與定位。根據輸入信號的輸送、處理，進行相關位置的標記，從而規劃出相關路線，規劃好路線之后，可以更加精準地進行騎行導航，給騎行者帶來極大地方便[6]。

■3.2 心率傳感器模塊

對傳輸的數據進行采樣、分割、處理，進行程序的初始化設置。利用MAX10300 的光電容積法采集相關數據，根據微分方程進行微分閾值法提取特征相關點，從而計算相關單次心率，根據心率傳感器來判斷心率是否正常。此時，如果正常的話，則移動平均算法獲取最終心率，在系統連接的顯示屏上顯示信息，輸出周期數據。反之，則發送心率異常的顯示報警處理[7]。

■3.3 藍牙播報模塊

該模塊首先進行初始化處理，根據外界輸入的信號，將聲波傳導到人體骨頭部，搭載南卡AF 全震指向性振子，進行高效震動，進行傳導。

■3.4 雨刮器模塊

在本系統設計中，選定60ms 的定時器，起初對定時器進行初始化處理，然后啟動定時器。根據電平的高低進行數值加法運算。期間38 kHz 的脈沖信號進行128 分頻操作，周期為3ms，在選定的時間之中，最多可接受20 個脈沖信號，最后根據脈沖個數進行相關雨量大小的分配。

4 結語

伴隨著國家“一人一盔”政策的出臺，加之交通事故頻發，智能語音頭盔便應運而生了。本設計基于傳統的普通頭盔，進行創新改造，應用了較為先進的骨傳導、心率傳感器、北斗定位等模塊。將頭盔的發展與國情、人們的需求結合一起，創新出可以實時定位、雨刮、遇險報警的智能語音頭盔，減少騎行和作業時的潛在隱患，加大了發生危險時的救援時，具有較強的實用性。本設計雖然針對騎行者而設計，但是對于煤礦、井下等場所作業的工人，高層建筑施工及寒冷地區施工作業的工人同樣具有重要意義。隨著科技的不斷進步，智能語音頭盔會不斷地創新，應用于市場。本設計也會進一步優化改善，添加更多的模塊，為人們的出行提供便利[1]。