基于STM32單片機的騎行者智能頭盔系統設計

郇雨龍 陳慧娟 田寶琦 王紅梅

摘 要：文章討論了一款適合騎行者使用的多功能智能頭盔的設計。系統采用MLX90614作為溫度傳感器，MAX30102芯片作為脈搏和心率傳感器，ATK1216-BD芯片作為GPS定位傳感器，并將采集數據顯示在SSD13060LED屏上。經驗證，該設計不僅能夠保護騎行者的人身安全，還能夠實現人體溫度測量、心率測量、GPS定位、數據顯示等功能。在當前疫情反復的情況下，該設計對防疫、抗疫具有重要的實用價值。

關鍵詞：智能頭盔;心率;溫度;GPS定位

0?引言

隨著國民經濟收入、生活水平、教育程度的不斷提高，人均交通工具擁有量日益增多，人們對出行安全愈發看重。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”執法處罰制度，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。在使用頭盔過程中，普通頭盔漸漸無法滿足佩戴者的需求，市場上急需一種具有多功能的智能頭盔，為自行車、電動車、摩托車等沒有外在保障的騎手們保駕護航。

本文涉及的智能頭盔具有測試心率、測量體溫、GPS定位等功能。它可將獲得的溫度、心率和定位數據顯示在OLED屏上，實時監測騎行者的身體情況，定位所處位置，降低人身意外和風險。本設計可以在一定的程度上滿足消費者對多功能頭盔的需求，保障騎行者的出行安全，使頭盔樣式更加智能化、多樣化。

1?系統功能框圖設計

本設計以STM32單片機為核心，輔以溫度模塊、心率模塊、GPS定位模塊等多個子模塊構成。為了方便放置在頭盔里，使其不占太大空間，本研究盡可能地選擇了體型小、精度適合的電子器件。各模塊分別采集數據，經多次處理，最終顯示在OLED屏上，便于人們讀取[1]。系統功能如圖1所示。

2?各模塊電路介紹

2.1? 溫度模塊

測量體溫。本研究使用的芯片為MLX90614非接觸式紅外測溫傳感器。其體積小，精度較高，可以測量本研究溫度范圍約為 20 ～85 ℃，讀取分辨率為 0.02 ℃。通過SMBus兩線式串行總線傳輸，由數據線SDA和時鐘SCL構成串行總線，SDA引腳連接單片機PA1引腳，SCL引腳連接PA4引腳[2]。其工作過程為：當SCL顯示為低電平時，SDA會將產生的下降沿來表示起始信號的產生。同樣，當SCL顯示為高電平時，SDA將產生的上升沿來表示終止信號的產生。而數據傳送時，數據的最高位會優先被傳送，且后面跟隨一位應答位。整個過程達到發送、接收數據的目的。電路如圖2所示。

2.2? 心率模塊

測量心率。本研究使用集成脈搏血氧儀和心率監測的MAX30102生物傳感器，其使用1.8 V電源和單獨3.3 V的內部LED電源，通過I2C兼容接口溝通。工作溫度范圍為? ? ? ? ? ? ?﹣40～+85 ℃。SCL引腳連接I2C總線的時鐘PB8，SDA引腳連接I2C總線的數據PB9，INT連接MAX30102芯片的中斷引腳PB7[3]。其工作過程為：通過自帶的有選擇性的特定波長的發光二極管采集對透光率變化的信息，心率模塊處理諸多信息數據后，將含有可讀取的數據信息發送給單片機，輔以OLED顯示屏便可更方便地讀取。電路如圖3所示。

2.3? GPS模塊

GPS定位。本研究采用ATK1216F8-BD GPS/北斗模塊[4]，其定位精度高，性能佳，定位速度快。其工作在3.3 V電壓下，定位精度為2.5 m，捕獲時間為1～29 s。GPS/北斗模塊中的RXD引腳連接單片機PA2引腳，TXD引腳連接PA4引腳。其工作過程為：GPS/北斗模塊利用雙模塊來消除電離層延遲誤差，聯合定位出所在位置，并得到經緯度信息，將自身采集到的經緯度信息存放到內部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OLED顯示屏上。電路如圖4所示。

2.4? 顯示模塊

所測得的數據經接收處理均實時顯示在OLED屏上，心率參數取整數，溫度參數取小數點后兩位，GPS經緯度的參數取整數，實物顯示格式如圖5所示。

3?軟件設計

本設計包含3個模塊：心率、溫度、定位模塊。首先進行數據的初始化，設置各個模塊的參數，然后分別獲取3個模塊所測數據，設定時器捕獲心率頻率，處理并計算心率信號;利用北斗定位獲取位置數據[5]，選取位置經緯度;測量溫度，設置溫度顯示取值范圍，讀取數據。對所得3組數據進行采樣、處理、計算，之后將所獲得的數據暫存，然后把數據一同發送出去。經接收、檢測，是否檢測到OLED屏，如果否，則重新將數據初始化;如果是，則顯示數據。接下來繼續檢測是否接收下一次數據，如果否，重新檢測，如果是，刷新數據，存儲新接收的信息，重新發送、檢測、接收、顯示，依次重復循環。主程序流程如圖6所示。

4?結語

該項目經過不斷研究，既保留了傳統頭盔的安全性能，又對傳統頭盔進行了創新改變，具有了測量體溫、測試心率、GPS定位等功能，滿足了現代人們對頭盔智能化的需求。因暴發疫情，體溫的測量成為人們生活中的通行證，該頭盔新添的此項功能可以幫助人們實時監測體溫，增加了該頭盔的市場需求量。該頭盔雖為騎行者設計，但其適用范圍不僅局限于騎行者，也適用于愛好滑板、跳傘、攀巖等刺激類運動的人們，還有警察、消防員、高空作業、煤礦等工作人員。由此可見，該設計的發展前景十分可觀，未來對此類智能頭盔功能的需求會更加廣泛，本研究會繼續完善并添加更多功能，為人們的生活提供舒適和便利。

[參考文獻]

[1]韋雪波，劉俊景.基于STM32智能騎行頭盔的設計[J].山東工業技術，2019（4）：172.

[2]曾德志.ML90614系列紅外測溫模塊的原理及應用[D].南京：南京航空航天大學，2019.

[3]白鵬飛，劉強，段飛波，等.基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統[J].激光與紅外，2017（10）：1276-1280.

[4]羅潔，駱楠楠.自行車智能戶外騎行服的設計研究[J].藝術與設計，2018（4）：96-98.

[5]夏鄂，劉嘯宇.實時監測騎行信息的智能頭盔安全系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020（7）：76-82.

（編輯 王永超）