人機交互智能騎行頭盔設計

胡文霞,何 宇,丁小榮,段文洋

(安徽三聯學院 電子電氣工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

智能頭盔作為一種結合了計算機網絡和嵌入式系統的高科技產品,近年來被廣泛應用于交通行駛、運動、工作和軍事等領域[1]。電動自行車因其駕駛操作便捷、購買成本較低等特點,逐漸成為我國居民短途通勤的首選交通工具。然而,在看似方便的背后,電動自行車交通事故頻發,給人們的生命安全帶來嚴重威脅。隨著我國居民對出行安全的意識逐漸提高,對頭盔的智能安全需求也隨之增加。這為頭盔行業帶來了發展契機。

1 國內外研究現狀

1.1 國內現狀

(1)市場規模:隨著中國政府對交通安全的重視,智能安全頭盔市場逐漸崛起。根據相關數據顯示,2019年中國智能安全頭盔市場規模達到了約10億元人民幣,預計到2025年將達到30億元人民幣。

(2)技術發展:中國智能安全頭盔企業主要集中在浙江、廣東等地,產品涵蓋了電動自行車、摩托車、電動汽車等多種類型。

(3)政策支持:中國政府對智能安全頭盔產業給予了一定的政策支持,如補貼、稅收優惠等。此外,政府還鼓勵企業加大研發投入,推動產業技術創新。

1.2 國外現狀

(1)市場規模:歐美國家是智能安全頭盔的主要消費市場,市場規模較大。根據相關數據顯示,2019年全球智能安全頭盔市場規模約20億美元,預計到2025年將達到40億美元。

(2)技術發展:美國、德國等國家的智能安全頭盔技術較為成熟,功能豐富。此外,這些國家還注重產品的舒適性和外觀設計。

(3)政策支持:歐美國家政府對智能安全頭盔產業也給予了一定的政策支持,如補貼、稅收優惠等。同時,這些國家還鼓勵企業加強國際合作,推動產業發展。

2 人機交互智能頭盔總體設計方案

2.1 硬件架構

(1)主控芯片(BXC6332A):作為頭盔的核心處理單元,負責協調各個模塊的工作,處理數據,并執行主要計算任務。

(2)藍牙版塊:使用低功耗藍牙技術(如Bluetooth 5.0或以上),用于與智能手機或其他藍牙設備通信。

(3)語音控制模塊:集成先進的語音識別算法,能夠理解用戶的指令,并作出響應,如撥打電話、更改音樂等。

(4)BDS/GPS雙定位模塊:提供精確的位置追蹤功能,確保在各種環境下都能獲取準確的位置數據。

(5)MEMS壓力傳感器:監測頭盔內部的壓力變化,檢測可能發生的碰撞或沖擊。

(6)電源管理:設計高效的電源管理系統,確保較長的使用壽命和待機時間。

(7)狀態指示燈:通過LED燈顯示頭盔的狀態,如充電狀態、藍牙連接狀態、安全警告等。

2.2 軟件構架

(1)設備配對與管理:通過手機應用實現頭盔設備的快速配對和管理。

(2)導航與路線規劃:結合BDS/GPS數據,提供實時導航和路線規劃服務。

(3)語音控制界面:開發語音控制的用戶界面,允許用戶通過語音命令操作頭盔的各種功能。

(4)緊急救援系統:當MEMS壓力傳感器檢測到異常沖擊時,自動發送求救信號和位置信息至預設聯系人。

(5)健康監控:記錄用戶的行駛習慣,分析可能存在的風險行為,并提供改善建議。

3 基于BXC6332A芯片智能頭盔具體設計

3.1 系統總體設計結構

頭盔殼體層如圖1所示。

圖1 頭盔殼體層

3.2 系統硬件電路

3.2.1 BXC6332A芯片

BXC6332A芯片是一款集成了藍牙音頻和語音識別功能的智能芯片。BXC6332A芯片可以通過其提供的硬件接口與SPI、I2C或UART通信協議進行連接。

(1)SPI。SPI是一種高速、全雙工、同步的通信總線,通常使用4根線進行數據傳輸[2]。1個主設備輸出/從設備輸入(MOSI);1個主設備輸入/從設備輸出(MISO),1個時鐘信號(SCLK)和1個片選信號(CS)。BXC6332A芯片通過其SPI接口可以作為主機或從機與其他SPI設備進行通信。作為主機時,可以控制數據的傳輸和時鐘信號;作為從機時,接收來自主機的指令和數據。

(2)I2C。I2C是一種半雙工、同步通信協議,使用2根線進行數據傳輸:1根數據線(SDA)和1根時鐘線(SCL)。

BXC6332A芯片的I2C接口可與其他I2C設備進行數據交換,既可以作為主機發送數據,又可以作為從機接收數據。

(3)UART。UART是一種全雙工、異步通信協議,使用2根線進行數據傳輸:1根發送線(TX)和1根接收線(RX)。

3.2.2 BDS/GPS雙定位

AT-GM336H是一款支持北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satelite System,BDS)和全球定位系統(Gloloal Positioning System,GPS)的雙模定位模塊[3]。該模塊能夠接收來自北斗和GPS的衛星信號,并通過內置算法處理這些信號,最終計算出設備的精確地理位置坐標。

3.2.3 MEMS壓力傳感器

壓阻式MEMS壓力傳感器通過硅晶應變計的彈性變形來檢測外界壓力。這種傳感器的工作原理建立在“電阻-應變”效應上。具體來說,壓阻式MEMS壓力傳感器內部有一個惠斯通電橋,它由4個電阻-應變片組成。當受到壓力作用時,這些應變片的電阻會發生改變,導致電橋兩端的電勢不平衡,從而產生一個與施加壓力成比例的電壓信號,MEMS傳感器原理如圖2所示。

圖2 MEMS傳感器原理

3.3 各個模塊協同規劃

3.3.1 硬件接口規劃

(1)主控芯片(BXC6332A):作為系統的大腦,該芯片負責處理來自各個模塊的數據,并執行相應的控制指令,通過SPI、I2C或UART等通信協議與其他模塊連接。

(2)藍牙版塊:通過UART或SPI與主控芯片相連,實現數據的無線傳輸。

(3)語音控制模塊:可通過專用的音頻處理接口(如PDM/I2S)與主控芯片連接,確保高清晰度的語音輸入、輸出。

(4)BDS/GPS雙定位模塊:使用UART接口與主控芯片通信,提供定位數據。

(5)MEMS壓力傳感器:通過模擬或數字接口(如SPI或I2C)與主控芯片連接,傳遞壓力數據。

所有模塊都需要考慮電源管理,包括電源分配、電壓調節和功耗監控。

3.3.2 軟件邏輯規劃

(1)固件開發:為主控芯片編寫固件以管理各個模塊的工作,包括初始化、數據采集、處理和傳輸。

(2)通信協議:設計一套通信協議來標準化數據交換格式,使得主控芯片能夠正確解析從藍牙版塊、GPS/BDS模塊和壓力傳感器接收到的數據。

(3)數據處理:利用算法來分析定位數據、語音命令和壓力讀數以及在必要時觸發警報或其他響應。

(4)設備管理和故障診斷:開發自我檢測程序用以監控系統的健康狀態,包括電池電量、傳感器狀態和通信質量。

4 智能頭盔用戶需求分析

4.1 市場分析

本文所設計的智能頭盔通過與科技相結合,旨在提供更安全、便捷的騎行體驗。它可以最大程度地保護佩戴者,并在發生意外時提供即時的救治求助。智能頭盔已經應用于多個領域,如工業、礦業、國家安全、醫療、家居、軍用等[4]。不同領域中的智能頭盔具有不同的功能和應用需求。

4.2 市場目標用戶分析

確定精確的目標用戶群體是定性研究的關鍵步驟。了解目標用戶的生理特征、生活環境和習慣等要素至關重要。在對頭盔使用者進行調研時,可以大致分為3個主要群體:外賣配送員、通勤上班族和騎行愛好者。

4.2.1 針對外賣配送員調研需求

(1)安全性:由于高風險的工作環境,頭盔需要提供額外的安全保護,如更強的抗沖擊能力和更穩固的固定性。

(2)舒適性:長時間佩戴需要良好的通風系統以避免頭部過熱以及合適的內襯和調節機制以適應不同頭型。

(3)耐用性:頭盔應能抵抗日常磨損,包括惡劣天氣和頻繁使用。

(4)通信便捷:集成藍牙或其他通信設備,方便接打電話和收聽導航指令。

4.2.2 針對通勤上班族調研需求

(1)時尚性:頭盔設計要符合職場形象,可以有多種顏色和樣式選擇。

(2)便利性:容易脫戴和攜帶,適合快速換乘公交或地鐵。

(3)智能功能:集成智能交通導航、緊急求助按鈕等,提高通勤效率和安全性。

4.2.3 針對騎行愛好者調研需求

(1)高性能:適合長途騎行的設計,具有良好的風阻性能和耐久性。

(2)舒適性:高級內襯和可調節配件,提供長時間騎行的舒適度。

(3)智能化:集成心率監測、速度計、GPS追蹤等智能設備,豐富騎行體驗。

5 結語

本文基于BXC6332A芯片設計了一款人機交互智能騎行頭盔,融合了安全、技術與用戶體驗等過程。先從研究背景、研究目的和國內外現狀分析了解現代智能頭盔發展狀況。再從智能頭盔總體設計方案中闡述各個模塊的功能以及硬軟件設計的主體架構。之后,從了解各個模塊電路原理圖闡述了各個模塊的協同規劃。最后,從市場調研了解到智能頭盔用戶以及用戶需求。本次研究雖然取得了一定成果,但仍存在不足之處,有待進一步深化和完善。