基于嵌入式智能头盔的研究

成都理工大学信息科学与技术学院 郭一诺 薛龙辉 张旭东 章治海

基于嵌入式智能头盔的研究

成都理工大学信息科学与技术学院 郭一诺 薛龙辉 张旭东 章治海

本系统为一款基于STM32的智能安全便携式头盔。本项目主体以STM32F103U8T6芯片为核心，再搭配各种智能模块为辅助。目的在于提高骑行的头盔的安全性，在最低成本的前提下为骑行爱好者提供最安全的保障。主要功能为微波雷达测距提醒、离线导航提示与刹车、拐弯指示灯。以防大雾、阴雨等恶劣天气与夜晚骑行过程中发生危险，并最大程度上摆脱骑行过程中由手机带来的不便。

嵌入式芯片；微波雷达测距；离线导航；三向加速度和陀螺仪传感器；智能安全提醒

0 引言

在倡导绿色出行以及全民运动的时代，自行车骑行成为一种越来越流行的出行和运动方式，而骑行头盔更是所有骑行爱好者必备的运动随装备。据不完全统计，我国骑行爱好者已将近1亿，骑行中他们使用最多的软件是导航软件，且在这样庞大的群体里又以青少年为主，追求科技与时尚是我们青年人的共性，可见智能化的骑行头盔必将是一种潮流。现市场上的骑行头盔并未能给广大骑行爱好者更多更好的出行体验。本项目设计基于嵌入式技术的骑行头盔，集合了骑行爱好者所需的导航功能，同时也解决了普通头盔体验差问题。

1 总体结构与工作原理

本项目硬件电路部分以STM32F103U8T6为核心进行开发。STM32F103U8T6为集成电路(IC)，其最高速度可达72MHz，并且具有DMA，电机控制PWM，温度传感器等外围设备。片内程序存储器容量， RAM容量等性能也比较好。并且其内部有自带的数模转换器和时钟电路，可以在-40℃-85℃的条件下稳定工作。其优秀的性能完全可以满足本设计的功能需求。

雷达测距模块：利用微波发射与接收，通过雷达发射微波的周期，计算出前方障碍物的距离，并在若距离小于安全距离则发出“危险信号”提示，以防大雾、阴雨等恶劣天气与夜晚骑行过程中发生危险，并最大程度上拜托骑行过程中由手机带来的不便。

转向指示灯模块：当自行车转向和刹车时，通过三向加速度和陀螺仪传感器将自行车转弯时倾角的变化和刹车时加速度的改变转化为头盔后面LED指示灯的相应指示符号提示。

定位与导航信息处理：下载好离线地图的移动端将实时获取到当前的位置和导航信息通过蓝牙传输到STM32并进行信号处理。STM32 通过对导航信息处理后将其转化为头盔上相应的激光导航指示灯的信号指示。激光透过头盔外层带有指示符号的透明膜将指示符号放大并投影到前方地面上，从而引导骑行者前行方向。

本设计在头盔中内置锂电池、蓝牙4.0模块、雷达测距收发模块、USB接口以及GPS。通过蓝牙连接到手机终端，获取到定位与导航的信息数据。内置的大容量锂电池，可以为整套系统持续长时间供电。其内置的USB接口可以在锂电池电量耗尽时对其进行充电。

2 系统设计

2.1 雷达测距模块

为获取骑行者所骑行的车辆与前方障碍物的距离信息以起到及时提醒骑行者躲避前方障碍物的作用，本设计采用24GHz微波雷达传感器，将发射出去的微波信号利用接收机接收回来并进而转换成电信号，将此电信号发送至STM32串口，通过串口高低电平的变化再转化为附于头盔上报警器的报警（振动）信号从而起到提醒的作用。

2.2 转向指示灯模块

当骑行者转弯或刹车时为使得身后的人员注意到，进而起到提醒身后人员的作用，更加进一步的增加安全效用。本设计采用MMA7660加速度传感器和FXAS21002C陀螺仪传感器配合使用LED显示灯，当骑行者的车辆发生刹车或者转向等操作时，利用转向时传感器感应到的倾角变化或者加速度的变化转化为电信号并将此电信号发送至STM32串口，利用高低电平的变化从而控制头盔后的led灯的显示变化，从而达到提醒身后人员的作用。

2.3 定位与导航模块

为实现此头盔的的定位与离线导航功能，从而进一步增加智能头盔的便捷与安全效用。本设计采用GPS定位模块获取到骑行者的位置信息，然后将此位置信息通过蓝牙传输到STM32中进行处理，并与下载好的离线地图的移动端配合，通过从移动端数据库调取所需的导航信息并将此导航信息也通过蓝牙传输至STM32中进行处理。

STM32通过对导航信息处理后将其将其获得到的导航指令转化为头盔上相应的激光导航指示灯的信号指示，然后使激光透过头盔外层带有指示符号的透明膜将相对应得指示符号放大并投影到前方的地面上，从而起到引导骑行者骑行的作用。然后将通过GPS定位模块获取到的骑行者位置信息通过蓝牙传输至移动端使得骑行者随时了解自己所处的经纬度以及海拔等位置信息。

3 结论

骑行，安全是第一，市场上普通头盔只能为我们减轻伤害，却不能做到预防危险。本项目设计的智能骑行头盔，既为骑行过程中的转弯，刹车设计了信号指示灯，同时在前方有障碍物时提醒骑行者注意行车距离。

定位与导航，这是绝大多数骑行爱好者所需求的功能，现今，许多骑行者是利用手机夹将手机夹于自行车把手上进行导航，这样既不便查看还存在潜在的危险。而智能骑行头盔则可将导航指示信息投影在前方地面上，解决了上述存在的问题，导航更直观。

[1]唐京城著.无线智能家居控制网络及其协议设计[J].湖北华中科技,2006:33-36.

[2]张少军著.无线传感器网络技术及应用[M].北京中国电力出版社,2010:19.

[3]何小艇著.电子系统设计[M].浙江大学出版社,2008:107-129.

[4]马忠梅著.ARM&Linux嵌入式系统教程[M].北京航空航天大学出版社,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）