基于Arduino 的碰撞報警與監測智能頭盔

陳楚婷，黎靜雯，梁仲良，施嘉柱

（東莞理工學校，廣東 東莞 523470）

1 概述

“一盔一帶”安全守護行動在全國開展。從頭盔價格到頭盔原材料的價格都水漲船高，而與之相對的，是頭盔質量的層次和行業標準的缺失，市場上出現頭盔亂象。另外，發生交通事故肇事逃逸至人死亡的事時有發生，我們強烈譴責、抨擊肇事逃逸者，同時也讓我們思考如何才能及時救助在交通事故中受傷的人，于是有了研發“基于Arduino 的碰撞報警與監測頭盔”這一產品的想法，希望群眾佩戴有質量保證的安全頭盔，保護生命安全。

2 總體設計

（1）采取太陽能充電的方式，遵循節能環保原則。只要能獲得光照，就可以使用太陽能發電系統。太陽能資源取之不盡，用之不竭，不污染空氣。使用壽命長，太陽電池組件結構簡單，體積小且輕，便于運輸和安裝，建設周期短。（2）在硬件設計上，采用了集成化模塊，不斷改進縮小使用空間，安裝最合適的位置，既做到不影響頭盔的使用，也可以接收采集到數據。（3）戴上頭盔駕駛者在發生交通事故后，我們頭盔第一時間自動檢測駕駛者是否被碰撞，進行分析計算顯示收發數據。（4）當檢測到駕駛者被碰撞后，該智能頭盔會發送信息到手機，手機APP 通過高德地圖網頁獲取位置，給原先我們在輸入框中填寫的話號碼（緊急聯系人）發送短信，讓緊急聯系人知道駕駛者發生碰撞事故的位置。（5）在駕駛者確認被撞后，頭盔實時采集駕駛員的溫度與脈搏心率，并且獲取當前位置到手機APP 上，讓緊急聯系人可以了解駕駛者被撞后當前情況，達到實時監測的效果。功能介紹圖見圖1。

圖1 功能介紹圖

3 硬件設計

（1）Arduino 單片機：Arduino 更傾向于創意，它弱化了具體的硬件的操作，它的函數和語法都非常簡單。因此，Arduino 在創客的世界是一個非常方便輕松實現“想法”的神器。Arduino 可以用來開發交互產品，比如它可以讀取大量的開關和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理設備。Arduino 項目可以是單獨的，也可以在運行時和電腦中運行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）進行通訊。Arduino 代碼是開源的。因此，我們使用Arduino UNO R3 作為主模塊編程，控制方向與速度的集成模塊（MPU6050，6 軸陀螺儀模塊），溫度傳感器模塊，心脈傳感器模塊和藍牙模塊，同時借助APP invento 這個平臺編寫手機軟件。（2）藍牙模塊：用于短距離無線通訊，按功能分為藍牙數據模塊和藍牙語音模塊。之所以選擇藍牙模塊兩個原因：a.在產品功耗來說藍牙＜WiFi＜GSM;b. 在通信產生的額外費用藍牙=WiFi＜GSM。綜合這兩個因素選擇藍牙模塊。（3）充電模塊：設計該部分電路的初衷是為了減少日常充電的次數、節能環保、綠色出行的目的。該部分電路采用了太陽能板、太陽能升壓模塊、鋰電池充放電模塊和鋰電池。通過各個模塊之間的應用配合，即可充分利用了太陽光的能量，從而達到很大程度上減少使用者對其充電的次數，甚至可源源不斷的供電給智能頭盔。（4）加速度陀螺儀傳感器：加速度陀螺儀傳感器將方向與速度集成在一個模塊上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳2（作為中斷觸發），引腳A4 和A5 作為模擬輸入端用于Arduino 主模塊讀取當前速度和角度。（5）人體測溫傳感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳3，進行讀取實際數值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，將讀到的模擬量轉換，從而顯示。（6）脈搏心率傳感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳4 進行讀取實際數值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式。

4 工作流程

該產品用Arduino UNO R3 來作為控制核心，通過對加速度陀螺儀傳感器、人體溫度傳感器、脈搏心率傳感器對產品使用者相應的數據采集（產品使用者發生碰撞時的加速度變化數據、碰撞后的溫度和脈搏心率數據），采集到產品使用者的數據后，通過藍牙模塊向手機發送數據，在手機端開發了相對應的APP 負責解析產品上傳的數據，并在APP 界面顯示數據解析后的產品使用者狀態（體溫、脈搏心率、事發位置），同時發信息告知緊急聯系人，我們產品采用鋰電池供電，對鋰電池充電方式除了用線直接沖電，還可以利用太陽能充電。

圖2 硬件框圖

加速度陀螺儀傳感器將方向與速度集成在一個模塊上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳2（作為中斷觸發），引腳A4 和A5 作為模擬輸入端用于Arduino 主模塊讀取當前速度和角度（默認使用A4，A5），MPU6050傳感器，6 軸分為兩部分，一部分是 3 軸的 x，y，z 方向，另一部分的3 軸分為x，y，z 移動速度（一個時間里點到點的移動速度），方向與速度傳感器作用：當頭盔帶上后，Arduino UNO R3 的程序初始化，先進行檢查一遍（使用了accelgyro.getMotion6 和map 指令來顯示數據和轉換相應數值范圍），再每隔0.5s 都進行檢查并且向手機發送現在信息是否正常，如果出現碰撞，主模塊設定了相關值，速度達到且突然停下，判斷為撞車，進行對手機發送相關信息（mySerial.println（“1”）向手機發送一個 1），同時啟動相關傳感器檢查（這個時候Arduino UNO R3 主板的7腳（Kongzhi）為高電平，傳感器電源接通進行工作）。如果失去平衡時間還沒有回到正常坐標點的范圍，判斷為摔跤，同樣對手機進行發送相關信息（mySerial.println（“2”）向手機發送一個2）；另外上面兩個條件同時成立，程序判斷為嚴重撞車，對手機進行發送相關信息。

藍牙模塊在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳8 和引腳9 作為讀和寫（使用SoftwareSerial mySerial（9，10）指令定義）;用于與手機通訊，首先要設置好波特率與手機匹配（指令：Serial.begin（9600）;和 mySerial.begin（9600）;設置通訊都是 9600 波特率），連接 ID 和密碼（默認SPP-CA 密碼1234，需要使用TTL 改變參數），藍牙模塊作用是，將主模塊Arduino UNO R3 要發送或者接受的數據都轉換成，再發送到手機，或者接受到數據進行譯碼，從而做到了通訊正常配對（讀取指令Serial.read（），發送手機指令mySerial.println（），串口讀取指令Serial.println（））。

溫度傳感器在Arduino UNO R3的程序中使用了引腳3（溫度傳感器，程序名稱定義為Tiwen），進行讀取實際數值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，將讀到的模擬量轉換，從而顯示出我們日常看到的值。溫度傳感器作用是，帶上頭盔每隔一段時間進行檢測人體，對比數據是否正常，然后通過主模塊的 9，10 腳（RX 讀，TX 寫），使用藍牙進行與手機通訊，然后發送到手機。

脈搏心率傳感器在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳4（心脈傳感器，程序名稱定義為Xinmai）進行讀取實際數值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，心脈傳感器作用是，每一次帶上頭盔（程序啟動），或者程序條件成立（如方向不正確，速度到達一定程度后突然停止等），都會用一分鐘進行測試是否正常，都通過主模塊的藍牙，進行發送到手機上。

我們使用APP inventor 編寫手機軟件：使用了我們自己的標簽圖標，用按鍵作為藍牙的通斷，并且顯示，使用了標簽作為當前速度，便宜角度，人體溫度，脈搏速率，緊急聯系人電話，當前位置以及顯示文字，在緊急聯系人電話中，使用多一個輸入框，方便給予家人發送短信/電話。

圖3 初始化界面圖

圖4 短信界面

要使用藍牙通訊在這里要藍牙客戶端（也可以作為服務器）用于與Arduino UNO R3 通信，收發代碼。首先是否連接成功。藍牙連接成功會提示連接成功，不成功會提示藍牙連接失敗，點擊斷開，顯示藍牙斷開連接。當藍牙連接成功后，就可以行讀取Arduino UNO R3 的信息。計時器用于每隔一段時間進行讀取數據，進行相關操作（如，當前的速度是否正常），防止只讀一次數據，或者無限讀取數據。

位置傳感器和web 客戶端：用于打開高德地圖（在web 客戶端先設定好 https：//www.amap.com/網址）和定位（要通過高德地圖開發平臺認可的代碼才可使用，通過地圖的緯度計算，求出所在位置，在這個過程中，首先get是否成立，成立后，需要使用編碼器，獲取通道，請求獲取相關文本內容，進行挑選等，最終獲取需要內容的文字），獲取相關字節轉換成文本，再進行保存。

短信：當Arduino UNO R3 發送的信息是1 和4 時，通過輸入框填寫到的電話號碼，然后獲取輸入框的文本進行發送相關短信（假設Arduino UNO R3 發送的信息是1，APP inventor 設為普通碰車，先讀取輸入框所輸入的電話號碼，再進行發送到這個號碼上，內容為：“我撞車了需要求助”并且發送所獲取的地理位置。同樣，如果Arduino UNO R3 發送的信息是 4 時，Arduino 的引腳 7接通，此刻APP inventor 認為嚴重事故，發送“我撞車了需要求助”發送所獲取的地理位置，當前體溫；一分鐘后，再次發送同樣的信息，且多了個脈搏速率多少）。

5 結束語

“一盔一帶”相關政策宣傳期間，多地的交警公安部門，開展“一盔一帶”宣傳送頭盔活動，活動期間遵守交通規則的、了解“一盔一帶”相關政策的騎行市民均可得到免費獲贈頭盔。而違反“一盔一帶”相關政策的市民，在接受批評教育之后，也可得到頭盔。

頭盔對頭部有非常好的保護作用，而該產品不僅具有安全頭盔的保護功能，還能檢測產品使用者在行駛過程中是否發生碰撞（交通事故）、實時監測使用者的溫度和脈搏心率情況。并且當產品使用者發生事故后，該頭盔將會通過藍牙連接手機，發送短信提醒緊急聯系人，緊急聯系人在APP 上可以知道駕駛者的定位和實時的身體監測數據。

我們可以向政府部分宣傳推廣我們的產品，聯合行業主管部門、行業協會推廣“買電動自行車送頭盔”“買保險送頭盔”模式等，參與社會公益、公益捐助等活動，讓更多人可以使用我們的產品。政企合作，推進頭盔新業態有序發展。希望“基于Arduino 的碰撞報警與監測智能頭盔”能為企業帶來可觀的經濟效益，樹立良好的品牌形象和先進的示范效應。