基于STM32智能騎行頭盔的設計

韋雪波 劉俊景

摘 要：本項目旨在設計一款功能強大的智能騎行頭盔，主要解決人們在騎行過程中枯燥乏味，路況查看，與同行騎友交流不方便等問題。通過頭盔中內(nèi)嵌的STM32芯片與頭盔上的無線設備，使得頭盔智能化，并實現(xiàn)頭盔與手機以及互聯(lián)網(wǎng)的連接，讓頭盔具有方向指示、藍牙通訊及播放、路況監(jiān)控、GPS導航定位、語音提示等功能。這些功能的實現(xiàn)，使得頭盔不僅具有智能化、現(xiàn)代化，同時也提高了人們騎行過程的安全性，使人們出門騎行時可以得到更安全更舒適的騎行體驗。

關(guān)鍵詞：頭盔;STM32;智能化;嵌入式系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.149

0 引言

隨著工業(yè)不斷發(fā)展，近幾年物聯(lián)網(wǎng)及智能化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，智能化的產(chǎn)品已經(jīng)應用到日常生活各個領(lǐng)域，而在智能穿戴領(lǐng)域，騎行頭盔的智能化顯然是一個十分值得探討的問題。騎行頭盔一直以來起到的作用往往只是當發(fā)生意外時候起到保護騎行者頭部，但是如今它也可以隨著時代的發(fā)展在其主要的基礎上變得功能多元化。它完全可以像手機逐漸智能化，滿足人們越來越多的需求。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、無線發(fā)送接收以及手機APP設計三大模塊。

控制系統(tǒng)：數(shù)據(jù)集指令采集處理中心，負責處理各類指令信息，實現(xiàn)所需的功能。無線發(fā)送接收：在系統(tǒng)中各個不同模塊需要協(xié)同實現(xiàn)功能時需要進行信息交換，無線網(wǎng)絡將作為信息交換的載體。手機APP：手機端通過無線網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)連接從而實現(xiàn)GPS定位、導航等功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建和無線通信處理模塊的設計。使用者通過手機APP和按鍵向控制系統(tǒng)發(fā)送指令信息，控制系統(tǒng)接收到指令信息后經(jīng)過判斷和處理。

2.1 STM32F103系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)選擇STM32F103ZET6芯片作為主控芯片。

STM32F103ZET6是一款高性能32位單片機，擁有多達五個USART、三個SPI和兩個IIC接口資源以及512KB的FLASH和64KB的RAM以及其他十分豐富的資源[1]。本系統(tǒng)充分利用其內(nèi)部資源進行UCOSII的系統(tǒng)移植使的系統(tǒng)更安全穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)設計如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包含 STM32 上的基于 UCOSii 的軟件設計、藍牙通訊模塊、GPS定位模塊、OV767 0攝像模塊和安卓手機 APP 的設計五部分。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.1 基于 UCOSii 的單片機程序

系統(tǒng)移植了 UCOSii 系統(tǒng)， μC/OS-II 由 Micrium 公司提供（簡稱 UCOSii），是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務實時內(nèi)核，它適用于多種微處理器， 微控制器和數(shù)字處理芯片， 該系統(tǒng)源代碼開放整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開發(fā)[2]。在系統(tǒng)設計時，為 UCOSii 創(chuàng)建了多個線程任務，把控制輸入處理程序及各個通訊模塊數(shù)據(jù)傳輸部分放在不同線程，每個線程有各自的任務，任務與任務自建用消息郵箱進行通信， 設計中涉及了優(yōu)先級、棧空間大小的問題，根據(jù)每一個線程任務所占用資源大小來定義，得到最優(yōu)的優(yōu)先級別以及所要設置的棧空間大小，同時使得程序整體更加清晰明了并且使程序結(jié)構(gòu)化而更加穩(wěn)定。

3.2 藍牙通訊模塊

藍牙通訊在系統(tǒng)中的兩個部分，一個是芯片與芯片之間的通訊，一個是與手機端的通訊。芯片與芯片之間通訊主要實現(xiàn)的功能是通過遙控實現(xiàn)LED燈的指示功能，通過主控芯片的USART 2串行端口（PA2、PA3）實現(xiàn)通訊。外設芯片通過藍牙模塊像主控芯片發(fā)送相應指令，主控芯片接收到之后開始進行操作。在程序?qū)崿F(xiàn)中主控芯片接收到“0”，“1”，“L”，“R”， “F”字符指令分別會操作LED燈全滅、全亮、左燈亮、右燈亮和閃爍[3]。與手機端通訊的部分接入的是主控芯片的USART 1串行端口，用于將數(shù)據(jù)傳給手機端進行顯示處理。

3.3 GPS模塊

目前市面上主要運行的“GPS”系統(tǒng)是由 24顆工作衛(wèi)星和 4 顆備用衛(wèi)星組成，它們分布在 6 個等間距的軌道平面上，每個軌道面上有 4 顆工作衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道接近圓形，用戶在任何時間都至少能看到 4-6 顆衛(wèi)星，定位一次僅需幾秒鐘，可實現(xiàn)全球范圍連續(xù)的、近實時的定位、測速與授時。GPS模塊同外部設備的通信接口采用UART（串口）

方式，輸出的GPS定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議（默認），控制協(xié)議為UBX協(xié)議[4]。定位的地理信息就必須要按照NMEA-0183協(xié)議數(shù)據(jù)格式對接收到的字符串進行解析，提取其中需要用到的經(jīng)度緯度信息和UTC時間信息以及相關(guān)的衛(wèi)星信息。

在設計中主控芯片通過USART 3與ATK-NEO-6M GPS模塊讀取到GPS的定位信息后，通過編程解析數(shù)據(jù)幀，將定位信息$GPRMC通過USART 1傳送到手機APP進行定位數(shù)據(jù)顯示，以此達到實現(xiàn)定位的功能。

3.4 攝像模塊

攝像頭模塊用的是OV7670集成模塊，OV7670 是一個能夠提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器，它可以輸出整幀，子采樣，取窗口等方式的各種分辨率 8/10 位圖像數(shù)據(jù)，支持的數(shù)據(jù)格式有很多種，包括 RAW RGB ，RGB （GRB 4：2：2， RGB565/555/444） 以及 YCbCr （4：2：2） 等格式[5]。通過相關(guān)寄存器來切換選擇把測試圖案發(fā)生器產(chǎn)生的圖形數(shù)據(jù)送入DSP 處理器處理，DSP 模塊控制著從原始信號插值到 RGB 信號的整個過程，再進入一個 FIFO，最后通過視頻端口將數(shù)據(jù)傳遞給單片機。

3.5 手機APP設計

APP 開發(fā)選擇了目前用戶最多且最容易開發(fā)的安卓系統(tǒng)平臺（Android）。在APP中設計了8個按鍵，不同的按鍵被點擊，則會發(fā)出相應的代碼指令給單片機，單片機接收到指令后通過對比判斷做出相對應的操作。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)設計了一款以STM32芯片為主控平臺，以安卓APP作交互的智能騎行頭盔系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了視頻傳輸，衛(wèi)星定位，音頻播放，轉(zhuǎn)向提示等功能，通過設計及智能傳感器綜合應用，將傳統(tǒng)騎行頭盔變?yōu)閼酶鼜V泛的智能穿戴設備。

參考文獻：

[1]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出社，2012

：13-27.

[2]陳鍵.基于嵌入式的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].北京：北方工業(yè)大學，2009.

[3]余勝生，李治國，范曄斌.基于藍牙WPAN的TCP性能研究[J].計算機仿真，2003，5（09）：24-26.

[4]黃向華，辛濱，許剛.智能手機藍牙轉(zhuǎn)紅外抄表的應用[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2012，9（08）：13-14.

[5]廖芝逸，敖銀輝.基于STM32的消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].機電工程技術(shù)，2016，28（04）：3-5.

項目類型：廣西區(qū)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201710595168）

作者簡介：韋雪波（1993-），男，壯族，廣西南寧人，本科，研究方向：嵌入式技術(shù)。