基于嵌入式的群体感知骑行码表系统设计

袁新娣 陈恳

摘要：为了给骑行爱好者提供一种既能监测骑行数据，又能服务社交的设备，提出利用嵌入式技术开发群体自动感知骑行码表系统。该系统由感知码表和智能手机应用软件组成，感知码表以STM32为核心芯片，速度传感器采集运动数据，2.4 GHz无线通信模块自动感知群体，蓝牙模块实现码表与手机的通信。采集的运动数据信息及感知的骑友信息进入智能手机后，为骑友之间后续的社交提供方便。实验测试结果表明，该系统运行稳定，群体感知效果良好，具有较好的运用推广价值。

关键词：群体感知;骑行码表;嵌入式系统;智能手机;蓝牙通信;运行测试

中图分类号：TN98-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X（2019）24-0125-04

0 引言

近年来，骑行运动受到越来越多的人喜欢，并且正在从一个单人的骑行活动渐渐转变为趋向于集健身与社交一体的生活娱乐方式。骑行码表是骑行爱好者的一种必备检测设备，目前市面上的各类骑行码表主要集中在对运动数据，如速度、温度、里程等数据的监测[1-2]，最近也出现了结合手机APP对运动数据进行分析和分享的功能[3]，但都是针对个人使用的情况进行分析，定位单人骑行运动，没有考虑当下群体骑行运动中的互动社交需求。本系统正是基于这些需求，为了使人们更好地享受一种符合骑行情况的社交方式，实现社交与健身同时进行而设计的一个智能码表。

1 系统结构与功能

系统由两大部分组成：感知码表和智能手机应用软件（APP）。感知码表采用嵌入式芯片STM32作为主控CPU，2.4 GHz无线通信模块作为实现本系统自动群体感知、短距离握手连接传递信息的主要工具。工作过程中码表通过速度传感器持续采集数据，将数据转换成指定格式进行存储，并以一定频率刷新触摸显示屏的显示内容，期间若有对触摸屏的操作，将根据所按压的按键显示相应内容并执行相关操作;蓝牙模块将根据需要设置是否打开工作，一般只在与手机APP通信时选择打开，通信完毕则自动关闭以降低功耗;2.4 GHz无线通信模块时刻监测是否有可通信模块（其他相同功能码表），一旦监测到就发送设定好的社交信息，如呢称、车型、个性标签、性别以及社交平台账号等，并接收对方的社交信息显示在触摸显示屏上。运动数据和社交信息都存储在FLASH闪存芯片中，掉电可保存。

在智能手机客户端，基于Android操作系统开发了专属的应用软件（ Application，APP），该软件可以通过蓝牙读取码表获取的历史运动数据，以及码表感知到的其他骑车人的信息，并通过加为好友，实现骑友间网络聊天功能;还可以通过该APP向码表写入信息，如个人的呢称、格言、爱好等，作为个人愿意与其他骑车人分享的信息。完成首次设置以后，骑行过程中智能码表将自动采集运动数据和感知骑友信息，待蓝牙连接上手机后自动将所有数据上传至手机APP端，这样骑行者就可以通过相关信息开展后期交友活动。系统结构框图见图1。

2 硬件设计

硬件是感知码表部分，主要包括CPU、无线收发模块、蓝牙、触摸显示屏和速度传感器，其中触摸显示屏和速度传感器与其他运动码表类似[4-5]，所以本节主要介绍CPU、无线收发模块、蓝牙模块。

2.1 码表CPU-STM32

CPU采用基于ARM Cortex - M3内核的STM32F103RCT6c6]，具有48 KB RAM和256 KB FLASH，能够满足正常情况下中型规模程序设计，外设丰富，具有64个引脚，可做51个通用1/0，内部具有8个16位定时器，3个12位ADC转换单元，3路SPI和2路I2C，能够满足基本的功能设计要求，同时还可以确保后期功能的改进拓展。芯片最高主频可以达到72 MHz，能够满足对屏幕的稳定刷新以及对各类传感器的信息采集和存储。芯片工作温度范围为-40-85℃，符合户外工作时的温差变化要求。芯片的工作电压范围是2-3.3 V，电源设计方便，锂电池选择空间大，占用空间小。同時由于STM32 M3系列芯片功耗低，定位为工业控制芯片，因此能够在很好地保持续航的同时保证系统工作的稳定性和抗干扰性，在自行车骑行码表应用中有较好的实际意义。

2.2 2.4 GHz无线收发模块

无线收发采用NRF24LOI无线模块[7]。该无线模块工作在2.4 GHz全球开放的ISM （Industrial ScientificMedical）频段，不需要特殊许可证便可以使用，最高工作速率达2 Mb/s，具有高效的GFSK（ Gauss frequencyShift Keying）调制，能够应对较为复杂的干扰环境。其次，具有125个可选频道，能够满足多点通信和调频通信的需要，内置CRC（Cyclic Redundancy Check）检错和点对多点的通信地址控制，能够满足稳定复杂的应用要求;还可设置自动应答，确保数据可靠传输。硬件设计上，工作电压低（1.9-3.3 V），能够兼容STM32 M3信号接口，电路设计方便。

2.3 蓝牙模块及其通信格式

蓝牙模块使用的是USR-BLEI01串口转蓝牙模块[8-9]，该模块支持标准的蓝牙协议，能够满足市面上各类手机的蓝牙硬件连接要求，具有1.3 μA低功耗广播模式和150 μA体眠模式，以及多种唤醒方式。蓝牙模块在确定和手机配对后根据一套严格的通信协议格式进行数据交换，完成运动数据及感知的社交信息由码表端到手机端的传输。通信的数据内容分为两大部分：第一是由码表上传给手机APP的数据，包括感知到的运动信息数据和社交信息数据;第二是从手机下载到码表的数据，如个人社交信息。其中上传的社交信息数据格式如表1所示。软件。

3.1 STM32上的软件流程框架

系统启动后先执行初始化，开启定时器。根据定时器来周期刷新4个应用程序函数，即速度传感器数据采集函数、屏幕显示内容刷新函数、无线通信数据交流函数及蓝牙通信函数。其中最后两个函数具有高优先级，以保证现实情况中使用的稳定性，总体流程框图如图2所示。

3.2 手机端APP开发框架流程

手机端APP是基于底层Android系统开发的一款应用软件，通过对Activity，Content Provider，Service，BroadcastReceiver四大基本組件搭建开发而成。Activi-ty用于显示界面;Content Provider主要在不同的应用程序之间实现数据共享的功能;Service是Android中实现程序后台运行的解决方案，它非常适合用于去执行那些不需要和用户交互而且还要求长期运行的任务，任务的运行不依赖于任何用户界面，即使程序被切换到后台，或者用户打开了另外一个应用程序，任务仍然能够保持正常运行;Broadcast Receiver对外部事件进行过滤，只对感兴趣的外部事件进行接收并做出响应[10]。

APP利用Android的官方蓝牙应用程序编程接口（ Application Programming Interface.API），当手机端蓝牙在与设备的蓝牙连接后，即可实现数据通信。手机APP主要包含骑行数据展示、交友聊天、用户个人数据设置3个主要功能。该APP功能主要有两大部分与感知码表进行数据交互和进行社交。其中第一部分有蓝牙连接、骑行数据记录、个人信息设置等模块，第二部分包括消息记录和联系人模块。

APP主页面如图3所示。

4 系统运行测试

测试时使用两套该系统设备，其中感知码表部分应用STM32开发板。首先将码表蓝牙与各自手机蓝牙绑定，即打开APP首页，点击左上角搜索设备按钮进入设备搜索页面，搜索到对应码表的蓝牙设备和其地址，并点击绑定。当两个码表在30 m范围内移动时，能互相感知对方，并在各自码表里显示对方信息，如图4所示。可以通过触摸屏幕的“考虑做骑友”对该骑友标记，以备以后查看。如果周围没有有关骑友通过，码表自动更新显示当前速度、距离、里程信息，如图5所示。

码表停止移动后，打开码表蓝牙，能顺利上传感知到的骑友信息到绑定手机。测试过程系统运行正常，各项功能效果良好。

5 结语

考虑到骑行爱好者骑行运动中的互动社交需求，本系统应用嵌入式技术，采用软硬件相结合的方法开发。系统包括两部分：第一是嵌入式感知码表;第二是手机APP软件。当自行车上安装该码表系统时，不仅可以实现骑行速度、距离实时监测、显示与储存，更重要的是，该码表为骑行者提供了智能群体感知的功能，即感知近距离并且配备了同样码表设备的骑行者，与其无线自动交换个人社交信息。感知码表与智能手机的APP连接后，各类信息通过蓝牙上传到智能手机，智能手机进入移动公网后，众多的骑友就能够在该APP平台里进行更好更多的交流，从而达到互动社交目的。通过不断的实验测试，该系统运行稳定，较好地实现了各项功能效果。

参考文献

[1]杨凯，周岳斌，基于STC51单片机的白行车码表设计[J]机械管理开发，2015（3）：13-15.

YANG Kai. ZHOU Yuebin. Design of the bicycle speed meterbased on STC15 MCU[J]. Mechanical manangment and devel-opment， 2015（3）： 13-15.

[2]赵小兰，胡征，王培坤，等，多功能白行车码表设计[J]电子测试，2013（ 20）：1-2.

ZHAO Xiaolan. HU Zheng， WANG Peikun， et al.Design ofthe multi-functional bike computer [J]. Electronic test. 2013（20）：1-2.

[3]谭穗妍，卢芷君，智能白行车数字里程表设计[J].科技创新与应用，2016（19）：62.

TAN Suiyan， LU Zhijun. Design of intelligent bicycle digitalodometer [J]. Technological innovation and application， 2016（19）：62.

[4]刘国兰，基于霍尔元件的测速装置设计[J].电子技术，2017（6）：40-42.

LIU Guolan. Design of speed measuring device based on hallsensor [J]. Electronics design&application， 2017（6）： 40-42.

[5]孙佳明，基于FPGA的霍尔测速传感器系统[D].镇江：江苏科技大学，2016.

SUN Jiaming. Hall speed sensor system based on FPGA [D].Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology，2016.

[6]姚文详.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

YAO Wenxiang. ARM Cortex-M3 authoritative guide [Ml. Bei-jing： Beihang University Press， 2008.

[7] NORDIC V A.nRF24L01 Single Chip 2.4 GHz transceiverproduct specification [EB/OL]. [2006 - 04 - 24]. http： //www. semi-conductorstore.com/pdf/newsite/nordic/nRF24LOI .pdf.2006.

[8]欧阳骏，陈子龙，黄宁淋，蓝牙4.OBLE开发完全手册：物联网开发技术实战[M].北京：化学T业出版社，2013.

OUYANG Jun， CHEN Zilong， HUANG Ninglin. Bluetooth4.OBLE development complete manual： internet of things devel-opment technology combat [M]. Beijing： Chemical IndustryPress. 2013.

[9]万燕，李丽丽.基于Android与BLE的蓝牙通信系统的实现[J]科技创新与应用，2018（ 16）：15-17.

WAN Yan， LI Lili. Implementation of Bluetooth communica-tion system based on Android and BLE [J]. Technological inno-vation and application， 2018（16）： 15-17.

[10]徐正华，毛鹏军，丁月华，等.基于Android系统的温室环境监控APP研究与开发[J].农业T程，2015，5（5）：33-37.

XU Zhenghua， MAO Pengjun， DING Yuehua. et al.Re-search and development on Android APP of greenhouse envi-ronment monitoring [J]. Agricultural engineering. 2015， 5（5）：33-37.

作者简介：袁新娣（1974-），女，硕士，副教授，主要从事电子信息技术方面的科研与教学工作。