智能语音头盔

李炎森，冯准若，杨海峰

（宝鸡文理学院 物理与光电技术学院，陕西宝鸡，721000）

0 引言

随着居民生活水平的提高，居民机动车的拥有量增长较快，交通安全对于人们来说越发重要。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”法律处罚制度，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[1]。随着科技的进步普通头盔的功能不再满足人们对于头盔佩戴的需要，而多功能的智能头盔在头盔技术方面有了很多的积累，对于头盔的应用场景也有了很大的改变，智能化头盔具备潜在的市场价值，符合头盔未来的发展趋势。

本设计为一款智能语音头盔，通过骨传导蓝牙耳机实现信息接受，利用MAX30102 心率传感器检测驾驶员的心跳脉搏，利用WTGPS+BD 北斗定位驾驶员位置以及车辆行驶的速度，可以实时在OLED 液晶显示驾驶信息，关注驾驶员的状态。从而满足客户对智能头盔的新需求，为消费者安全出行提供一定的保障，同时使得头盔更加地多功能化、多样化，图1 为智能语音头盔设计模型图[3]。

图1 智能语音头盔设计模型

1 系统功能框图的设计

本设计以STM32F103 单片机为在主控芯片，再加上北斗定位、蓝牙模块、心率传感器、光感式雨滴传感器以及骨传导蓝牙耳机和OLED 液晶显示等多个辅助子模块.除符合国家对于头盔的规定外，为了使头盔方便携带，重量更轻，占据空间小，在选择器件时尽可能都选择体积小、品质高、价格合适的电子器件。子模块分别对速度、骑行者位置信息的多次采集和数据处理，将最终的信息在显示屏上显示并通过骨传导蓝牙耳机告知骑行者本人，便于其调整骑行状态，更好地保护其安全，图2 为系统结构示意图。

图2 系统结构示意图

2 各模块电路介绍

■2.1 WTGPS+BD-288 北斗定位模块

测量位置和速度。本产品使用AT6558 BDS/GNSS 全星座定位导航WTGPS+BD 模块，该模块灵敏度高，成本低，功耗低，有着特色的定位导航功能。其在3.3～5V 的电压下工作，具有三通道射频，支持全星座GPS、GLONASS 和BDS 同时接收信号，定位精度＜2.5m，定位更新率1Hz。WTGPS+BD 北斗定位模块上有预留串口接口，模块中的TX 引脚连接单片机PB7 引脚，RX 引脚连接单片机PB6 引脚。卫星系统正常工作时，用二进制伪码发射导航电文，当WTGPS+BD 北斗定位模块的定位系统接收机接收到导航电文，提取出卫星时间与自己的时钟作比较获悉卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84 大地坐标系中的位置速度即经纬度信息.将自身采集到的经纬度信息寄存到内部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显示屏上[1]，同时通过骨传导耳机播报给骑行者，图3 为BD-228 电路图。

图3 北斗导航电路图

■2.2 MAX30100 心率传感器

测量心率信号和血氧饱和度。该模块可靠性高，功耗低，采样率高，数据输出快，可与常规的单片机开发板进行通信。其在3.3V～5V 的电压下工作，检测的是光反射信号，输出信号接口为I2C 接口。MAX301000（见图4）心率传感器上的SCL 接I2C 总线的时钟单片机的PB6 引脚，SDA 接I2C总线的数据单片机的PB5 引脚。模块工作过程为利用人体组织在血管搏动时造成的透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度的测量，传感器由光源和光电变换器组成，与骑行者耳垂相接触，人体动脉搏动充血容积会发生比较明显的变化从而导致光源这束光的透光率发生改变，同时光电变换器会接收到来自人体反射的光泽，并将其转变成电信号输入给单片机，通过信号采集电路，对于光信号发射接收、AD 转换、数字滤波部分以及环境光干扰消除，将数字接口接入头盔芯片中，对接到单片机I2C 接口，用于内部读写，从而转化出光强度数值，再加上相应的计算公式，求出相应的心率值和血氧饱和度通过放大后输出，最后显示在显示屏以及通过骨传导耳机播报给骑行者[4]。

图4 MAX30100 心率传感器

■2.3 红外雨滴传感器

红外雨滴传感器模块处理。基于红外线雨点传感器，采用IRM-3638 一体化红外遥控接收头，接受940nm 的波长、接收38kHz 的频率、3～5V 的电压，2A 的电流。以及采用L298N 双H 桥直流电机驱动，通道A 输出，连接电机；通道B 输出，连接12V 供电，可用于给MCU 供电ENA。其中A使能ENB，通道B 使能IN1～IN4；逻辑输入IN1～IN2 控制通道A，逻辑输入IN3～IN4 控制通道B 使用此电机驱动可以实现电机正反转及调速并且起动性能好，启动转矩大。

当雨滴打到智能语音头盔上时，通过红外光线检测雨滴，检测反射回来的红外光线来判断雨滴的大小。雨点传感器向挡风玻璃放射红外线，通过挡风玻璃向内反馈回来红外线情况，来判断是否启动电机进行雨刮器的开启。

在打开雨刮器时，根据光敏二极管所转化的电信号，通过L298N 来驱动其相应的动作。倘若雨点过大，那么通过所反馈回来的红外光线便很少，从而更换对应的电机挡位进行雨刮；假若雨点很小或者无雨，那么通过所反馈回来的红外光线便很多，从而更换对应的电机挡位进行雨刮，电路图如图5 所示。

图5 电路图

■2.4 DX-BT24-T 蓝牙模块

此模块用来提供蓝牙信号。该模块性能高、集成度高、体积小、可以通过AT 命令配置模块参数使用容易高效，可以同时支持SPP GATT HID 协议 UART 主从一体串口透传。其在2.5～5.5V 的电压下工作，传输速率为80KB/s。DXBT24-T 蓝牙模块上的串口数据输出UART_TX 引脚连接单片机的PC1 引脚，串口数据输入UART_RX 引脚连接单片机的PC10 引脚，其工作工程为DX-BT24-T 蓝牙模块（具体电路图如图6 所示）和单片机相连进入工作状态后发出配对信息，当骨传导蓝牙耳机与其配对后，骨传导耳机可以接收到单片机发出的信息，从而使骑行者能过获取信息，保障其安全。

图6 蓝牙模块电路原理图

■2.5 OLED 液晶显示（SSD1315）模块

此模块用来显示骑行的速度、位置以及骑行者的心率等信息。该模块轻薄、省电该模块在3.3～5V 的电压下工作采用I2C 通信，时钟线引脚D0 接单片机的PB6 引脚，数据线引脚接单片机的PB7 引脚，复位引脚接RES 接单片机的NRST 引脚，SPI 数据/命令选择引脚DC 接单片机的PB5引脚，CS 引脚接地。

■2.6 骨传导蓝牙耳机

骨传导蓝牙耳机和蓝牙模块配对后接收WTGPS+BD 北斗定位模块和MAX30100 心率传感器发送来的信息。骨传导蓝牙耳机因为不用往耳道内塞入耳塞，所以佩戴要比一般耳机舒服，在头盔中使用骨传导蓝牙耳机，骑行者不仅可以得到骑行的信息，同时还能正常听到外界环境的信息，相比其他耳机更加地安全。其工作原理为声波由空气传导、骨传导两条路径，借助人体头部骨头的振动将声音传入内耳。然后搭载南卡AF 全震指向性振子有效提高35%震子振动面积，提高骨传导蓝牙的效率。在头盔表面设计音量调节按钮，方便控制音量大小，戴着骨传导蓝牙耳机仍然可以听到周围环境的声响，加大了佩戴者对周围环境的判断，更好的保护了驾乘者的安全。在此过程中可以完全脱离双手的操作，以降低佩戴者的危险隐患[5]。

3 软件设计

软件设计主要包括4 个板块：定位模块、心率传感器模块、蓝牙播报模块、雨刮器模块。本设计首先对系统数据进行初始化处理，根据现实需求，进行各个模块参数的设置，通过检测，获取4 个模块之中所要求测得的数据，根据指令进行AD 信号转换，STM32 根据所接收到的数据进行模块响应，进行GPS+BD 定位模块数据获取；MAX30100 心率传感器模块心率测量，计算并且处理心率信号；当雨滴落至头盔表面时，红外雨点传感器进行信号收集、处理；遇见危险时，通过蓝牙模块进行远程报警。对所得到的4 组数据，进行采样、收集、处理、计算、归纳、总结，之后把数据进行存储，最后进行响应。数据进行传送，OLED 屏进行显示，如果发现并未显示，则重新将数据初始化，重新进行该系列操作，直到可以显示为止。在模块中，将信号进行处理，在各模块中响应、解析并且转化成相应功能，使得骑行者更加安全和合理地应用头盔，从而使得减小安全隐患，平安骑行。具体流程见图7。

图7 智能语音头盔具体软件设计流程

■3.1 GPS+BD 模块

地图模块使用GPS+BD，该模块方便轻巧且功能强大，被大量用于地图方面的导航与定位。根据输入信号的输送、处理，进行相关位置的标记，从而规划出相关路线，规划好路线之后，可以更加精准地进行骑行导航，给骑行者带来极大地方便[6]。

■3.2 心率传感器模块

对传输的数据进行采样、分割、处理，进行程序的初始化设置。利用MAX10300 的光电容积法采集相关数据，根据微分方程进行微分阈值法提取特征相关点，从而计算相关单次心率，根据心率传感器来判断心率是否正常。此时，如果正常的话，则移动平均算法获取最终心率，在系统连接的显示屏上显示信息，输出周期数据。反之，则发送心率异常的显示报警处理[7]。

■3.3 蓝牙播报模块

该模块首先进行初始化处理，根据外界输入的信号，将声波传导到人体骨头部，搭载南卡AF 全震指向性振子，进行高效震动，进行传导。

■3.4 雨刮器模块

在本系统设计中，选定60ms 的定时器，起初对定时器进行初始化处理，然后启动定时器。根据电平的高低进行数值加法运算。期间38 kHz 的脉冲信号进行128 分频操作，周期为3ms，在选定的时间之中，最多可接受20 个脉冲信号，最后根据脉冲个数进行相关雨量大小的分配。

4 结语

伴随着国家“一人一盔”政策的出台，加之交通事故频发，智能语音头盔便应运而生了。本设计基于传统的普通头盔，进行创新改造，应用了较为先进的骨传导、心率传感器、北斗定位等模块。将头盔的发展与国情、人们的需求结合一起，创新出可以实时定位、雨刮、遇险报警的智能语音头盔，减少骑行和作业时的潜在隐患，加大了发生危险时的救援时，具有较强的实用性。本设计虽然针对骑行者而设计，但是对于煤矿、井下等场所作业的工人，高层建筑施工及寒冷地区施工作业的工人同样具有重要意义。随着科技的不断进步，智能语音头盔会不断地创新，应用于市场。本设计也会进一步优化改善，添加更多的模块，为人们的出行提供便利[1]。