基于Arduino的智慧自行車測控系統

◎首都師范大學附屬中學初三（3）班 王子暢

本期點評專家

譚迪熬中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

一、項目背景

上中學以來，我一直騎自行車上下學。在騎行過程中，經常有汽車開上非機動車道，我感到很不安全。背著沉重的書包騎車上橋上坡，我有時感覺比較吃力。能否讓我的自行車自己主動觀察周圍情況，有危險時及時提醒，上坡吃力時幫我一把呢？因此我萌發了設計基于Arduino的智慧自行車測控系統的想法。

二、總體方案

基于Arduino的智慧自行車測控系統被安裝在自行車上，可以使普通自行車變為“智慧自行車”，解決騎行過程中安全、省力和便捷性這三個方面存在的問題。

安全方面：安裝在自行車尾部的雙超聲波傳感器監測后方半徑450 cm120°扇面范圍內的物體，并識別車輛和行人。之后根據危險程度提醒騎行者注意安全，并警示后方車輛保持安全距離。

省力方面：薄膜壓力傳感器監測騎行者的蹬力和蹬踏頻率，傾角傳感器監測道路坡度，根據需要智能電動助力。

圖1 總體方案圖

便捷性方面：在燈控手柄、助力手柄完成手動控制的基礎上，用離線語音識別技術實現語音指令控制和科普內容的輸出，其中科普內容包括綠色出行、自行車相關的科普知識。

三、硬件組裝

我用SolidWorks繪圖軟件設計裝配模型，3D打印后分別安裝在自行車的頭部、車架中部、尾部、腳蹬等四個部位，然后在模型內裝配電子器件，最后進行硬件的集成。

1.車頭建模裝配

3D打印出車頭模型后，我將其固定在車把中央的位置。接著，我把前置Trig/Echo接口的超聲波傳感器、駐極體咪頭、腔體喇叭、大燈轉接板和助力轉接板等電子器件裝配固定在模型內。

2.尾部建模裝配

我將3D打印的尾部模型固定在自行車尾部，再把夾角可調節的防水型雙超聲波傳感器、左右動態轉向燈、環形天使眼閃爍燈、激光防追尾燈等電子器件固定在模型外表面，模型內部固定電源升壓模塊、轉接端子排等器件。

3.腳蹬建模裝配

3D打印出腳蹬模型后，我將其替換原有的腳蹬，然后把薄膜壓力傳感器、信號調理模塊、無線采集發送模塊、18350可充電鋰電池、電源管理模塊等電子器件固定在模型內部和表面。

4.車架中部建模裝配

圖2 電子器件被固定在車頭模型內

圖3 尾部模型及裝配的器件

圖4 腳蹬模型及器件實物圖

圖5 中部建模圖及實物

中部模型固定在車架中部，分內側和外側兩個倉。我在內側倉放置5 V/12 V雙電源輸出鋰電池，在外側倉放置主控板Mega2560、擴展板、6路繼電器板、離線語音識別模塊、三軸傾角傳感器和薄膜壓力傳感器的無線接收模塊等電子器件。

5.電動助力器選配

電動助力器電機功率為350 W，配備48 V、7.8 Ah的電池，特點是自動離合，無需干預，通過手柄控制助力速度。我將它安裝在腳蹬軸下方。

6.整機設備集成

我用電源線、信號線、控制線等將各組件與主控部分連接，使系統集成為一個整體。

圖6 系統集成后的整機

四、測控軟件編程

測控軟件包括Arduino Mega2560主控軟件和離線語音識別軟件。

1.主控軟件

我把系統程序分成六個獨立的功能模塊，分別完成編程后集成為一個整體。

初始化模塊對使用到的系統軟硬件資源進行初始化配置。

讀取輸入設備數據和狀態模塊每隔100毫秒讀取所有輸入設備的數據和狀態，包括尾部雙超聲波傳感器監測的后方物體距離數據、車架中部三軸傾角傳感器監測的道路坡度數據等。

人車識別、提醒警示模塊判斷分析尾部雙超聲波傳感器的數據，進行人車識別并提醒警示：如果尾部單個超聲波傳感器監測到物體且距離較近，則判定是行人，通過IO口控制喇叭模擬音樂聲提醒騎行者注意；如果尾部兩個超聲波傳感器同時監測到物體，且雙超聲波傳感器監測到的數據的距離差小于30 cm，則判定是車輛，通過IO口控制蜂鳴器模擬警笛聲提醒騎行者注意，同時打開尾部天使眼閃爍燈和激光防追尾燈，警示后方車輛保持安全距離。

圖7 主控軟件流程圖

圖8 超聲波傳感器判斷后方有行人

圖9 雙超聲波傳感器判斷后方物體是車輛

蹬力、坡度綜合分析模塊統計最近3次蹬力的最大值。如果有兩次超過294 N，則判斷騎行者有加速意圖，用語音詢問是否打開電動助力。如果傾角傳感器監測到正在上坡且坡度大于3%，則語音詢問是否打開電動助力；如果傾角傳感器監測到正在下坡且坡度大于3%，則語音提醒控制速度、注意安全。

燈控手柄輸入信號響應模塊和語音識別輸入信號響應模塊對燈控手柄操作和語音指令進行綜合響應。

2.離線語音識別軟件

離線語音識別軟件用來識別語音指令和科普指令，并將識別的控制指令傳送給主控軟件進行設備控制，或直接對科普指令做出響應。

離線語音識別軟件采用免代碼編程方式。我先在網絡開發平臺上用配置的方式完成編程，再上傳到服務器進行語音編譯，然后下載編譯的代碼，用燒錄器寫入芯片，實現離線語音識別、應答和控制。

設備控制指令

設備控制指令用來實現語音方式對設備的控制，采用一主一備的方式以提升兼容性。用戶說出指令，離線語音識別模塊識別后執行控制動作，并回復應答詞。安裝在自行車尾部、騎行時不易觀察的設備采用定時自動關閉模式，離線語音識別模塊識別語音后執行控制動作，并在10秒后給主控軟件發送關閉設備控制信息。

表1 設備控制指令及應答詞

科普指令

科普指令以語音響應的方式輸出，可在科普知識的同時提升騎行體驗。科普知識被燒錄在芯片中，與環保、綠色出行等有關，共有15條，在用戶提問時語音輸出。

五、系統測試

整機集成后，我在室內、室外進行整機試用，整體性能滿足設計要求，主要指標如下：

1.超聲波傳感器測量范圍為3～450 cm；

2.雙超聲波傳感器人車識別率為96%；

3.薄膜壓力傳感器測量范圍為0～490 N；

4.電動助力器工作狀態：在中等油門狀態下，無坡道路行駛距離為15.2 km；

5.語音識別成功率：室內安靜環境下成功率大于93%，室外騎行狀態下成功率大于85%。

圖10 我在室內、室外進行整機測試

六、創新點

基于Arduino的智慧自行車測控系統可以主動觀察分析自行車周圍的情況，有危險時提醒騎行者注意，并警示后方車輛保持安全距離；會主動監測騎行者蹬力、蹬踏頻率和道路坡度，在需要時電動助力；可通過語音指令控制設備，并答復執行情況；以語音對講方式輸出綠色出行、自行車等相關的科普知識。

七、完善設想

由于采用Arduino平臺開發，電路之間的連接大多采用杜邦線插接，導致連接不牢固，有時候會脫落。計劃之后用鎖扣型擴展板替換排針型擴展板，并對線路進行相應的改動，以提高作品的可靠性。增加GPS定位和GPRS移動通信功能，讓家人隨時知道騎行者所在的位置。

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專家點評

王子暢同學的基于Arduino的智慧自行車測控系統，是一件頗具技術應用性的創客作品。

自行車的發明源于“U形發明法”，也就是人們常說的“生氣發明法”。那是1790年的一天，法國人西弗拉克行走在巴黎的街道上。剛下過雨，路上有很多積水，突然一輛四輪馬車從身后滾滾而來，他被濺了一身的泥水。遇到這種倒霉事情，別人見了都替他難過，但特別愛動腦筋的西弗拉克卻反過來想：路這么窄，行人又那么多，為什么不可以把馬車的構造改一改呢？……對，應當把馬車順著切掉一半，四個輪子變成前后兩個輪子！他回家立馬動手設計。經過反復試驗，1791年，第一架代步的“木馬輪”小車造出來了。后來經過人們不斷改進，形成了現代自行車的樣式。

然而，自行車的功能還可以拓展么？王子暢同學依據自身需求所產生的創意，設計并物化，完成了這件作品。通過這一實踐過程，他的工程思維、創新能力等無疑都得到了實質性提高。