人機(jī)交互智能騎行頭盔設(shè)計(jì)

胡文霞,何 宇,丁小榮,段文洋

(安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引言

智能頭盔作為一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的高科技產(chǎn)品,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于交通行駛、運(yùn)動(dòng)、工作和軍事等領(lǐng)域[1]。電動(dòng)自行車因其駕駛操作便捷、購(gòu)買成本較低等特點(diǎn),逐漸成為我國(guó)居民短途通勤的首選交通工具。然而,在看似方便的背后,電動(dòng)自行車交通事故頻發(fā),給人們的生命安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。隨著我國(guó)居民對(duì)出行安全的意識(shí)逐漸提高,對(duì)頭盔的智能安全需求也隨之增加。這為頭盔行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

(1)市場(chǎng)規(guī)模:隨著中國(guó)政府對(duì)交通安全的重視,智能安全頭盔市場(chǎng)逐漸崛起。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2019年中國(guó)智能安全頭盔市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了約10億元人民幣,預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到30億元人民幣。

(2)技術(shù)發(fā)展:中國(guó)智能安全頭盔企業(yè)主要集中在浙江、廣東等地,產(chǎn)品涵蓋了電動(dòng)自行車、摩托車、電動(dòng)汽車等多種類型。

(3)政策支持:中國(guó)政府對(duì)智能安全頭盔產(chǎn)業(yè)給予了一定的政策支持,如補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等。此外,政府還鼓勵(lì)企業(yè)加大研發(fā)投入,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

(1)市場(chǎng)規(guī)模:歐美國(guó)家是智能安全頭盔的主要消費(fèi)市場(chǎng),市場(chǎng)規(guī)模較大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2019年全球智能安全頭盔市場(chǎng)規(guī)模約20億美元,預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到40億美元。

(2)技術(shù)發(fā)展:美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的智能安全頭盔技術(shù)較為成熟,功能豐富。此外,這些國(guó)家還注重產(chǎn)品的舒適性和外觀設(shè)計(jì)。

(3)政策支持:歐美國(guó)家政府對(duì)智能安全頭盔產(chǎn)業(yè)也給予了一定的政策支持,如補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等。同時(shí),這些國(guó)家還鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)國(guó)際合作,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 人機(jī)交互智能頭盔總體設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件架構(gòu)

(1)主控芯片(BXC6332A):作為頭盔的核心處理單元,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作,處理數(shù)據(jù),并執(zhí)行主要計(jì)算任務(wù)。

(2)藍(lán)牙版塊:使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)(如Bluetooth 5.0或以上),用于與智能手機(jī)或其他藍(lán)牙設(shè)備通信。

(3)語(yǔ)音控制模塊:集成先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別算法,能夠理解用戶的指令,并作出響應(yīng),如撥打電話、更改音樂(lè)等。

(4)BDS/GPS雙定位模塊:提供精確的位置追蹤功能,確保在各種環(huán)境下都能獲取準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。

(5)MEMS壓力傳感器:監(jiān)測(cè)頭盔內(nèi)部的壓力變化,檢測(cè)可能發(fā)生的碰撞或沖擊。

(6)電源管理:設(shè)計(jì)高效的電源管理系統(tǒng),確保較長(zhǎng)的使用壽命和待機(jī)時(shí)間。

(7)狀態(tài)指示燈:通過(guò)LED燈顯示頭盔的狀態(tài),如充電狀態(tài)、藍(lán)牙連接狀態(tài)、安全警告等。

2.2 軟件構(gòu)架

(1)設(shè)備配對(duì)與管理:通過(guò)手機(jī)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)頭盔設(shè)備的快速配對(duì)和管理。

(2)導(dǎo)航與路線規(guī)劃:結(jié)合BDS/GPS數(shù)據(jù),提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航和路線規(guī)劃服務(wù)。

(3)語(yǔ)音控制界面:開發(fā)語(yǔ)音控制的用戶界面,允許用戶通過(guò)語(yǔ)音命令操作頭盔的各種功能。

(4)緊急救援系統(tǒng):當(dāng)MEMS壓力傳感器檢測(cè)到異常沖擊時(shí),自動(dòng)發(fā)送求救信號(hào)和位置信息至預(yù)設(shè)聯(lián)系人。

(5)健康監(jiān)控:記錄用戶的行駛習(xí)慣,分析可能存在的風(fēng)險(xiǎn)行為,并提供改善建議。

3 基于BXC6332A芯片智能頭盔具體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

頭盔殼體層如圖1所示。

圖1 頭盔殼體層

3.2 系統(tǒng)硬件電路

3.2.1 BXC6332A芯片

BXC6332A芯片是一款集成了藍(lán)牙音頻和語(yǔ)音識(shí)別功能的智能芯片。BXC6332A芯片可以通過(guò)其提供的硬件接口與SPI、I2C或UART通信協(xié)議進(jìn)行連接。

(1)SPI。SPI是一種高速、全雙工、同步的通信總線,通常使用4根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。1個(gè)主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入(MOSI);1個(gè)主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出(MISO),1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)和1個(gè)片選信號(hào)(CS)。BXC6332A芯片通過(guò)其SPI接口可以作為主機(jī)或從機(jī)與其他SPI設(shè)備進(jìn)行通信。作為主機(jī)時(shí),可以控制數(shù)據(jù)的傳輸和時(shí)鐘信號(hào);作為從機(jī)時(shí),接收來(lái)自主機(jī)的指令和數(shù)據(jù)。

(2)I2C。I2C是一種半雙工、同步通信協(xié)議,使用2根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸:1根數(shù)據(jù)線(SDA)和1根時(shí)鐘線(SCL)。

BXC6332A芯片的I2C接口可與其他I2C設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,既可以作為主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),又可以作為從機(jī)接收數(shù)據(jù)。

(3)UART。UART是一種全雙工、異步通信協(xié)議,使用2根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸:1根發(fā)送線(TX)和1根接收線(RX)。

3.2.2 BDS/GPS雙定位

AT-GM336H是一款支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satelite System,BDS)和全球定位系統(tǒng)(Gloloal Positioning System,GPS)的雙模定位模塊[3]。該模塊能夠接收來(lái)自北斗和GPS的衛(wèi)星信號(hào),并通過(guò)內(nèi)置算法處理這些信號(hào),最終計(jì)算出設(shè)備的精確地理位置坐標(biāo)。

3.2.3 MEMS壓力傳感器

壓阻式MEMS壓力傳感器通過(guò)硅晶應(yīng)變計(jì)的彈性變形來(lái)檢測(cè)外界壓力。這種傳感器的工作原理建立在“電阻-應(yīng)變”效應(yīng)上。具體來(lái)說(shuō),壓阻式MEMS壓力傳感器內(nèi)部有一個(gè)惠斯通電橋,它由4個(gè)電阻-應(yīng)變片組成。當(dāng)受到壓力作用時(shí),這些應(yīng)變片的電阻會(huì)發(fā)生改變,導(dǎo)致電橋兩端的電勢(shì)不平衡,從而產(chǎn)生一個(gè)與施加壓力成比例的電壓信號(hào),MEMS傳感器原理如圖2所示。

圖2 MEMS傳感器原理

3.3 各個(gè)模塊協(xié)同規(guī)劃

3.3.1 硬件接口規(guī)劃

(1)主控芯片(BXC6332A):作為系統(tǒng)的大腦,該芯片負(fù)責(zé)處理來(lái)自各個(gè)模塊的數(shù)據(jù),并執(zhí)行相應(yīng)的控制指令,通過(guò)SPI、I2C或UART等通信協(xié)議與其他模塊連接。

(2)藍(lán)牙版塊:通過(guò)UART或SPI與主控芯片相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

(3)語(yǔ)音控制模塊:可通過(guò)專用的音頻處理接口(如PDM/I2S)與主控芯片連接,確保高清晰度的語(yǔ)音輸入、輸出。

(4)BDS/GPS雙定位模塊:使用UART接口與主控芯片通信,提供定位數(shù)據(jù)。

(5)MEMS壓力傳感器:通過(guò)模擬或數(shù)字接口(如SPI或I2C)與主控芯片連接,傳遞壓力數(shù)據(jù)。

所有模塊都需要考慮電源管理,包括電源分配、電壓調(diào)節(jié)和功耗監(jiān)控。

3.3.2 軟件邏輯規(guī)劃

(1)固件開發(fā):為主控芯片編寫固件以管理各個(gè)模塊的工作,包括初始化、數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。

(2)通信協(xié)議:設(shè)計(jì)一套通信協(xié)議來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換格式,使得主控芯片能夠正確解析從藍(lán)牙版塊、GPS/BDS模塊和壓力傳感器接收到的數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)處理:利用算法來(lái)分析定位數(shù)據(jù)、語(yǔ)音命令和壓力讀數(shù)以及在必要時(shí)觸發(fā)警報(bào)或其他響應(yīng)。

(4)設(shè)備管理和故障診斷:開發(fā)自我檢測(cè)程序用以監(jiān)控系統(tǒng)的健康狀態(tài),包括電池電量、傳感器狀態(tài)和通信質(zhì)量。

4 智能頭盔用戶需求分析

4.1 市場(chǎng)分析

本文所設(shè)計(jì)的智能頭盔通過(guò)與科技相結(jié)合,旨在提供更安全、便捷的騎行體驗(yàn)。它可以最大程度地保護(hù)佩戴者,并在發(fā)生意外時(shí)提供即時(shí)的救治求助。智能頭盔已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,如工業(yè)、礦業(yè)、國(guó)家安全、醫(yī)療、家居、軍用等[4]。不同領(lǐng)域中的智能頭盔具有不同的功能和應(yīng)用需求。

4.2 市場(chǎng)目標(biāo)用戶分析

確定精確的目標(biāo)用戶群體是定性研究的關(guān)鍵步驟。了解目標(biāo)用戶的生理特征、生活環(huán)境和習(xí)慣等要素至關(guān)重要。在對(duì)頭盔使用者進(jìn)行調(diào)研時(shí),可以大致分為3個(gè)主要群體:外賣配送員、通勤上班族和騎行愛(ài)好者。

4.2.1 針對(duì)外賣配送員調(diào)研需求

(1)安全性:由于高風(fēng)險(xiǎn)的工作環(huán)境,頭盔需要提供額外的安全保護(hù),如更強(qiáng)的抗沖擊能力和更穩(wěn)固的固定性。

(2)舒適性:長(zhǎng)時(shí)間佩戴需要良好的通風(fēng)系統(tǒng)以避免頭部過(guò)熱以及合適的內(nèi)襯和調(diào)節(jié)機(jī)制以適應(yīng)不同頭型。

(3)耐用性:頭盔應(yīng)能抵抗日常磨損,包括惡劣天氣和頻繁使用。

(4)通信便捷:集成藍(lán)牙或其他通信設(shè)備,方便接打電話和收聽導(dǎo)航指令。

4.2.2 針對(duì)通勤上班族調(diào)研需求

(1)時(shí)尚性:頭盔設(shè)計(jì)要符合職場(chǎng)形象,可以有多種顏色和樣式選擇。

(2)便利性:容易脫戴和攜帶,適合快速換乘公交或地鐵。

(3)智能功能:集成智能交通導(dǎo)航、緊急求助按鈕等,提高通勤效率和安全性。

4.2.3 針對(duì)騎行愛(ài)好者調(diào)研需求

(1)高性能:適合長(zhǎng)途騎行的設(shè)計(jì),具有良好的風(fēng)阻性能和耐久性。

(2)舒適性:高級(jí)內(nèi)襯和可調(diào)節(jié)配件,提供長(zhǎng)時(shí)間騎行的舒適度。

(3)智能化:集成心率監(jiān)測(cè)、速度計(jì)、GPS追蹤等智能設(shè)備,豐富騎行體驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于BXC6332A芯片設(shè)計(jì)了一款人機(jī)交互智能騎行頭盔,融合了安全、技術(shù)與用戶體驗(yàn)等過(guò)程。先從研究背景、研究目的和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析了解現(xiàn)代智能頭盔發(fā)展?fàn)顩r。再?gòu)闹悄茴^盔總體設(shè)計(jì)方案中闡述各個(gè)模塊的功能以及硬軟件設(shè)計(jì)的主體架構(gòu)。之后,從了解各個(gè)模塊電路原理圖闡述了各個(gè)模塊的協(xié)同規(guī)劃。最后,從市場(chǎng)調(diào)研了解到智能頭盔用戶以及用戶需求。本次研究雖然取得了一定成果,但仍存在不足之處,有待進(jìn)一步深化和完善。