基于STM32智能骑行头盔的设计

韦雪波 刘俊景

摘 要：本项目旨在设计一款功能强大的智能骑行头盔，主要解决人们在骑行过程中枯燥乏味，路况查看，与同行骑友交流不方便等问题。通过头盔中内嵌的STM32芯片与头盔上的无线设备，使得头盔智能化，并实现头盔与手机以及互联网的连接，让头盔具有方向指示、蓝牙通讯及播放、路况监控、GPS导航定位、语音提示等功能。这些功能的实现，使得头盔不仅具有智能化、现代化，同时也提高了人们骑行过程的安全性，使人们出门骑行时可以得到更安全更舒适的骑行体验。

关键词：头盔;STM32;智能化;嵌入式系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.149

0 引言

随着工业不断发展，近几年物联网及智能化产业的不断发展，智能化的产品已经应用到日常生活各个领域，而在智能穿戴领域，骑行头盔的智能化显然是一个十分值得探讨的问题。骑行头盔一直以来起到的作用往往只是当发生意外时候起到保护骑行者头部，但是如今它也可以随着时代的发展在其主要的基础上变得功能多元化。它完全可以像手机逐渐智能化，满足人们越来越多的需求。

1 系统总体设计

本系统分为控制系统、无线发送接收以及手机APP设计三大模块。

控制系统：数据集指令采集处理中心，负责处理各类指令信息，实现所需的功能。无线发送接收：在系统中各个不同模块需要协同实现功能时需要进行信息交换，无线网络将作为信息交换的载体。手机APP：手机端通过无线网络与控制系统连接从而实现GPS定位、导航等功能。

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分主要包括：STM32嵌入式系统的构建和无线通信处理模块的设计。使用者通过手机APP和按键向控制系统发送指令信息，控制系统接收到指令信息后经过判断和处理。

2.1 STM32F103系统设计

本系统选择STM32F103ZET6芯片作为主控芯片。

STM32F103ZET6是一款高性能32位单片机，拥有多达五个USART、三个SPI和两个IIC接口资源以及512KB的FLASH和64KB的RAM以及其他十分丰富的资源[1]。本系统充分利用其内部资源进行UCOSII的系统移植使的系统更安全稳定可靠。系统设计如图1所示。

3 系统软件设计

系统软件设计包含 STM32 上的基于 UCOSii 的软件设计、蓝牙通讯模块、GPS定位模块、OV767 0摄像模块和安卓手机 APP 的设计五部分。系统流程图如图2所示。

3.1 基于 UCOSii 的单片机程序

系统移植了 UCOSii 系统， μC/OS-II 由 Micrium 公司提供（简称 UCOSii），是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它适用于多种微处理器， 微控制器和数字处理芯片， 该系统源代码开放整洁、一致，注释详尽，适合系统开发[2]。在系统设计时，为 UCOSii 创建了多个线程任务，把控制输入处理程序及各个通讯模块数据传输部分放在不同线程，每个线程有各自的任务，任务与任务自建用消息邮箱进行通信， 设计中涉及了优先级、栈空间大小的问题，根据每一个线程任务所占用资源大小来定义，得到最优的优先级别以及所要设置的栈空间大小，同时使得程序整体更加清晰明了并且使程序结构化而更加稳定。

3.2 蓝牙通讯模块

蓝牙通讯在系统中的两个部分，一个是芯片与芯片之间的通讯，一个是与手机端的通讯。芯片与芯片之间通讯主要实现的功能是通过遥控实现LED灯的指示功能，通过主控芯片的USART 2串行端口（PA2、PA3）实现通讯。外设芯片通过蓝牙模块像主控芯片发送相应指令，主控芯片接收到之后开始进行操作。在程序实现中主控芯片接收到“0”，“1”，“L”，“R”， “F”字符指令分别会操作LED灯全灭、全亮、左灯亮、右灯亮和闪烁[3]。与手机端通讯的部分接入的是主控芯片的USART 1串行端口，用于将数据传给手机端进行显示处理。

3.3 GPS模块

目前市面上主要运行的“GPS”系统是由 24颗工作卫星和 4 颗备用卫星组成，它们分布在 6 个等间距的轨道平面上，每个轨道面上有 4 颗工作卫星，卫星轨道接近圆形，用户在任何时间都至少能看到 4-6 颗卫星，定位一次仅需几秒钟，可实现全球范围连续的、近实时的定位、测速与授时。GPS模块同外部设备的通信接口采用UART（串口）

方式，输出的GPS定位数据采用NMEA-0183协议（默认），控制协议为UBX协议[4]。定位的地理信息就必须要按照NMEA-0183协议数据格式对接收到的字符串进行解析，提取其中需要用到的经度纬度信息和UTC时间信息以及相关的卫星信息。

在设计中主控芯片通过USART 3与ATK-NEO-6M GPS模块读取到GPS的定位信息后，通过编程解析数据帧，将定位信息$GPRMC通过USART 1传送到手机APP进行定位数据显示，以此达到实现定位的功能。

3.4 摄像模块

摄像头模块用的是OV7670集成模块，OV7670 是一个能够提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能的图像传感器，它可以输出整帧，子采样，取窗口等方式的各种分辨率 8/10 位图像数据，支持的数据格式有很多种，包括 RAW RGB ，RGB （GRB 4：2：2， RGB565/555/444） 以及 YCbCr （4：2：2） 等格式[5]。通过相关寄存器来切换选择把测试图案发生器产生的图形数据送入DSP 处理器处理，DSP 模块控制着从原始信号插值到 RGB 信号的整个过程，再进入一个 FIFO，最后通过视频端口将数据传递给单片机。

3.5 手机APP设计

APP 开发选择了目前用户最多且最容易开发的安卓系统平台（Android）。在APP中设计了8个按键，不同的按键被点击，则会发出相应的代码指令给单片机，单片机接收到指令后通过对比判断做出相对应的操作。

4 总结

本系统设计了一款以STM32芯片为主控平台，以安卓APP作交互的智能騎行头盔系统。系统实现了视频传输，卫星定位，音频播放，转向提示等功能，通过设计及智能传感器综合应用，将传统骑行头盔变为应用更广泛的智能穿戴设备。

参考文献：

[1]蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出社，2012

：13-27.

[2]陈键.基于嵌入式的无线视频监控系统研究[D].北京：北方工业大学，2009.

[3]余胜生，李治国，范晔斌.基于蓝牙WPAN的TCP性能研究[J].计算机仿真，2003，5（09）：24-26.

[4]黄向华，辛滨，许刚.智能手机蓝牙转红外抄表的应用[J].数字技术与应用，2012，9（08）：13-14.

[5]廖芝逸，敖银辉.基于STM32的消防远程监控系统[J].机电工程技术，2016，28（04）：3-5.

项目类型：广西区大学生创新创业计划项目（201710595168）

作者简介：韦雪波（1993-），男，壮族，广西南宁人，本科，研究方向：嵌入式技术。