基于STM32单片机的骑行者智能头盔系统设计

郇雨龙 陈慧娟 田宝琦 王红梅

摘 要：文章讨论了一款适合骑行者使用的多功能智能头盔的设计。系统采用MLX90614作为温度传感器，MAX30102芯片作为脉搏和心率传感器，ATK1216-BD芯片作为GPS定位传感器，并将采集数据显示在SSD13060LED屏上。经验证，该设计不仅能够保护骑行者的人身安全，还能够实现人体温度测量、心率测量、GPS定位、数据显示等功能。在当前疫情反复的情况下，该设计对防疫、抗疫具有重要的实用价值。

关键词：智能头盔;心率;温度;GPS定位

0 引言

随着国民经济收入、生活水平、教育程度的不断提高，人均交通工具拥有量日益增多，人们对出行安全愈发看重。我国公安部交通管理局发文规定，自2020年6月1日起执行“一盔一带”执法处罚制度，尽可能地减少有关电动车、摩托车等交通事故发生时的人身伤害。在使用头盔过程中，普通頭盔渐渐无法满足佩戴者的需求，市场上急需一种具有多功能的智能头盔，为自行车、电动车、摩托车等没有外在保障的骑手们保驾护航。

本文涉及的智能头盔具有测试心率、测量体温、GPS定位等功能。它可将获得的温度、心率和定位数据显示在OLED屏上，实时监测骑行者的身体情况，定位所处位置，降低人身意外和风险。本设计可以在一定的程度上满足消费者对多功能头盔的需求，保障骑行者的出行安全，使头盔样式更加智能化、多样化。

1 系统功能框图设计

本设计以STM32单片机为核心，辅以温度模块、心率模块、GPS定位模块等多个子模块构成。为了方便放置在头盔里，使其不占太大空间，本研究尽可能地选择了体型小、精度适合的电子器件。各模块分别采集数据，经多次处理，最终显示在OLED屏上，便于人们读取[1]。系统功能如图1所示。

2 各模块电路介绍

2.1  温度模块

测量体温。本研究使用的芯片为MLX90614非接触式红外测温传感器。其体积小，精度较高，可以测量本研究温度范围约为 20 ～85 ℃，读取分辨率为 0.02 ℃。通过SMBus两线式串行总线传输，由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线，SDA引脚连接单片机PA1引脚，SCL引脚连接PA4引脚[2]。其工作过程为：当SCL显示为低电平时，SDA会将产生的下降沿来表示起始信号的产生。同样，当SCL显示为高电平时，SDA将产生的上升沿来表示终止信号的产生。而数据传送时，数据的最高位会优先被传送，且后面跟随一位应答位。整个过程达到发送、接收数据的目的。电路如图2所示。

2.2  心率模块

测量心率。本研究使用集成脉搏血氧仪和心率监测的MAX30102生物传感器，其使用1.8 V电源和单独3.3 V的内部LED电源，通过I2C兼容接口沟通。工作温度范围为             ﹣40～+85 ℃。SCL引脚连接I2C总线的时钟PB8，SDA引脚连接I2C总线的数据PB9，INT连接MAX30102芯片的中断引脚PB7[3]。其工作过程为：通过自带的有选择性的特定波长的发光二极管采集对透光率变化的信息，心率模块处理诸多信息数据后，将含有可读取的数据信息发送给单片机，辅以OLED显示屏便可更方便地读取。电路如图3所示。

2.3  GPS模块

GPS定位。本研究采用ATK1216F8-BD GPS/北斗模块[4]，其定位精度高，性能佳，定位速度快。其工作在3.3 V电压下，定位精度为2.5 m，捕获时间为1～29 s。GPS/北斗模块中的RXD引脚连接单片机PA2引脚，TXD引脚连接PA4引脚。其工作过程为：GPS/北斗模块利用双模块来消除电离层延迟误差，联合定位出所在位置，并得到经纬度信息，将自身采集到的经纬度信息存放到内部FLASH，再通过串口将信息发送给单片机，从而将经纬度整数值数据显示在OLED显示屏上。电路如图4所示。

2.4  显示模块

所测得的数据经接收处理均实时显示在OLED屏上，心率参数取整数，温度参数取小数点后两位，GPS经纬度的参数取整数，实物显示格式如图5所示。

3 软件设计

本设计包含3个模块：心率、温度、定位模块。首先进行数据的初始化，设置各个模块的参数，然后分别获取3个模块所测数据，设定时器捕获心率频率，处理并计算心率信号;利用北斗定位获取位置数据[5]，选取位置经纬度;测量温度，设置温度显示取值范围，读取数据。对所得3组数据进行采样、处理、计算，之后将所获得的数据暂存，然后把数据一同发送出去。经接收、检测，是否检测到OLED屏，如果否，则重新将数据初始化;如果是，则显示数据。接下来继续检测是否接收下一次数据，如果否，重新检测，如果是，刷新数据，存储新接收的信息，重新发送、检测、接收、显示，依次重复循环。主程序流程如图6所示。

4 结语

该项目经过不断研究，既保留了传统头盔的安全性能，又对传统头盔进行了创新改变，具有了测量体温、测试心率、GPS定位等功能，满足了现代人们对头盔智能化的需求。因暴发疫情，体温的测量成为人们生活中的通行证，该头盔新添的此项功能可以帮助人们实时监测体温，增加了该头盔的市场需求量。该头盔虽为骑行者设计，但其适用范围不仅局限于骑行者，也适用于爱好滑板、跳伞、攀岩等刺激类运动的人们，还有警察、消防员、高空作业、煤矿等工作人员。由此可见，该设计的发展前景十分可观，未来对此类智能头盔功能的需求会更加广泛，本研究会继续完善并添加更多功能，为人们的生活提供舒适和便利。

[参考文献]

[1]韦雪波，刘俊景.基于STM32智能骑行头盔的设计[J].山东工业技术，2019（4）：172.

[2]曾德志.ML90614系列红外测温模块的原理及应用[D].南京：南京航空航天大学，2019.

[3]白鹏飞，刘强，段飞波，等.基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J].激光与红外，2017（10）：1276-1280.

[4]罗洁，骆楠楠.自行车智能户外骑行服的设计研究[J].艺术与设计，2018（4）：96-98.

[5]夏鄂，刘啸宇.实时监测骑行信息的智能头盔安全系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020（7）：76-82.

（编辑 王永超）