智能骑行头盔系统的设计与实现

黄琪瑶 等

张弛  陈榆章  伍华琎  罗裕烜  李林静

摘  要：数字经济已成为现代人生活中不可或缺的一部分。数字化转型升级已经成为骑行装备发展的必然趋势，尤其是在国家“一盔一带”政策的要求下，头盔成为骑行者的必需品。该项目以出行头盔为切入点，布局“骑行装备”产业，通过物联网、云服务、APP和周边商圈，实现头盔实时定位、SOS紧急求救、导航、自动亮起转向灯等功能。APP平台提供头盔管理、家长模式、骑行数据统计、活动推荐和俱乐部建设等支持。另外，生活圈通过招募有资质的商家入驻，联合周边商圈，实现产业协同发展和数据共享，让“数据流”形成“价值流”，打造骑行周边的平台经济，实现智能骑行多彩生活圈生态。

关键词：数字经济；数字化转型；骑行装备；智能骑行；APP平台

中图分类号：TP311.1  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）24-0029-04

Design and Implementation of an Intelligent Riding Helmet System

HUANG Qiyao， ZHANG Chi， CHEN Yuzhang， WU Huajin， LUO Yuxuan， LI Linjing

（College of Electrical and Information Engineering， Quzhou University， Quzhou  324000， China）

Abstract： The digital economy has become an indispensable part of modern people's lives. Digital transformation and upgrading has become an inevitable trend of cycling equipment development. Especially under the requirements of the national “One Helmet One Belt” policy， the helmets have become a necessity for cyclists. The project takes the travel helmet as the starting point， and lays out the “riding equipment” industry. Through the Internet of Things， cloud services， APP and surrounding business circles， it realizes the functions of helmet real-time positioning， SOS emergency rescue， navigation and automatic lighting of turn signal. The APP platform provides support for helmet management， parental mode， cycling data statistics， event recommendations and club construction. In addition， the life circle recruits qualified merchants to settle in， collaborates with surrounding business circles， achieves industrial coordinated development and data sharing， forms a “value stream” from the “data stream”， creates a platform economy for cycling around， and realizes a colorful life circle ecosystem for intelligent cycling.

Keywords： digital economy; digital transformation; cycling equipment; intelligent cycling; APP platform

0  引  言

随着人们对健康和环保意识的提高，骑行成为一种受欢迎的运动方式。在国家“一盔一带” 政策的要求下，头盔成为骑行者的必需品。然而骑行中存在一些问题和挑战，如定位不准确、镜片容易生雾、强光影响和夜间骑行安全等。同时，骑手在骑行过程中也需要解决一些实际问题，如查找本地骑行线路和俱乐部、挑选适合自己的骑行装备等。为了解决这些问题和挑战，项目对现有的头盔进行智能化升级。通过科技赋能头盔，以物联网为核心，结合云服务、APP与周边商圈，实现产业协同发展，打造骑行周边的平台经济，实现智能骑行多彩生活圈生态。

1  项目介绍

项目以骑行头盔为中心，梳理骑行者、优质商家、头盔应用管理、儿童安全骑行的数据流，搭建这些用户数据流共享平台，该平台实现的主要功能模块如图1所示。在该平台，将EPS32芯片为核心，在其中加入语音识别和北斗、GPS双模精确定位，解决专业或日常生活中的骑行需求，通过图文推送满足专业骑行活动的发起和宣传需求，运用家长模式掌握儿童骑行的安全状态及位置定位信息，防范头盔失窃。同時APP平台在头盔管理、家长模式、骑行数据统计、活动推荐、组建俱乐部等方面提供支撑。通过招募有资质、有品牌的商家入住，联合周边商圈，让“数据流”形成“价值流”，打造骑行周边的平台经济，实现智能数字健康生态家园。

该系统的主要功能模块包括：

1）设备管理。该系统支持连接和配对蓝牙设备，如节奏传感器、速度传感器心率监测器等。它可以显示电池电量和信号状态，并允许用户使用屏幕触摸或按钮进行操作。

2）骑行模式。在该模式下，系统可以实时显示车速、里程、时间和海拔高度。它不仅记录最近骑行路线和里程，还允许用户自定义设置，例如单位和声音提示。

3）导航模式。导航模式可以提供实时地图和导航指示，显示目的地距离和预计到达时间，并提供多种路径选项。它还可以兼容其他导航应用程序。

4）团队骑行。系统支持创建和团队组建，可视化和管理你的队员、分享位置和消息并记录你的团队历史和统计数据。

5）社交功能。社交功能包括分享照片和视频、记录骑行历史和旅途、查看好友的信息和活动以及添加评论和点赞。

6）SOS紧急呼叫：SOS紧急呼叫是一项重要的安全功能，可以让用户在紧急情况下快速寻求帮助。这个功能可以向紧急联系人发送位置信息和求救信号，激活警报并通知当地应急服务。

7）附近信息。附近信息可以显示周边商家、餐馆和景点信息，提供用户评分和评论以及导航到目的地的选项。

2  系统设计与实现

这款智能头盔采用ESP32作为主控芯片，并集成语音识别、GPS导航和LED灯光等多种功能。为了实现这些功能，项目基于Arduino框架，使用Vscode+PlatformIO开发，使用ESP32接入百度云实现在线语音识别。同时配有GPS/北斗双模定位、咪头麦克风和LED灯光模块等。智能头盔实现在线语音交互，当用户扫码注册录入用户信息后，登录APP，开启蓝牙，将智能头盔与手机绑定，录用唤醒词。下面分别介绍在线语音识别、语音控制LED转向灯、APP的实现。

2.1  基于百度云的在线语音识别

百度云对语音识别的步骤主要包括：

1）在百度云控制端选择“语音识别”并创建应用获取API Key和Secret Key。

2）根据创建应用生成的API Key和Secret Key来获取token。

3）采集音频数据，将数据打包成规定的格式，POST发送到请求API。

4）接收返回的数据。

当手机与头盔蓝牙连接成功后，麦克风随时采集周围声源信息，用户通过自己的本地语音唤醒WakeNet如唤醒词“小智”唤醒手机，开启语音交互。在ESP32被唤醒后就开始录音，通过VAD音量检测，判断用户是否在讲话，若讲话停止或达到录音最大时间则停止录音，将录音数据进行轻量化语音降噪处理，处理后的音频文件通过HTTP请求发送到百度云实时语音识别接口，调用接口函数进行语音识别，返回语音识别的文本后，还需要对文本进行语义分析，提取文本中关键词，得到执行指令实现语音交互。其语音识别的流程如图2所示。

图2  基于百度云的在线语音识别流程

2.2  语音控制头盔LED左右转向灯

语音控制LED左右转向灯的结构如图3所示。在图3中，当语音输入后，声音信号由话筒转化为电信号输送给语音芯片，经过芯片识别后将指令传送给单片机，控制单片机三个I/0端口输出高低两种电平，三路放大后的电平信号传送给各个恒流源电路，分别控制灯光的开断，实现语音控制恒流LED灯的开关，来达到显示转向和提醒他人作用。

图3  语音识别LED左右转向灯

2.3  APP的实现

该骑行APP提供骑行、功能、发现和我的四个主要导航功能，如图4所示。

（a）骑行主界面          （b）功能界面

（c）发现查询界面       （d）用户信息界面

图4  骑行应用程序的主要页面

在图4（a）中，主要包括添加头盔、骑行和骑行数据3个模块，首先利用蓝牙技术，将智能头盔与手机相连，实现语音操控手机。其次，在骑行模块是它允许用户记录他们的骑行路线和时间，并提供实时的导航和语音助手功能。这个模块可以帮助骑手轻松地规划自己的骑行路线，从而在骑行中获得更好的体验。同时，实时的导航和语音助手功能也可以帮助骑手更加安全地骑行，避免危险和意外发生；最后，骑行数据模块则旨在统计骑手的骑行数据，直观地展现出展示骑手的骑行历程、骑行速度、消耗能量等数据，骑行数据模块可以帮助用户更好地了解自己的健康状况和骑行表现。

在图4（b）中，设备管理模块可以让骑手查看和管理自己的骑行设备，包括電动车、自行车等。用户可以在该模块中绑定设备、修改设备信息、查看设备状态等，并随时掌握自己设备的使用情况；设备搜索模块允许用户搜索周围的骑行设备，包括共享单车、电动车租赁等不同类型的设备。用户可以通过地图或搜索功能快速找到周围的设备，并了解其位置、状态和使用说明；语音助手模块为骑手提供便捷的语音交互功能，骑手可以通过语音输入指令，如“导航到某个地方”“播放音乐”等，来实现各种操作，提高骑行的安全性和便利性；家长模式则是针对青少年骑手推出的一项功能，在该模式下，家长可以远程了解孩子的骑行位置和行驶记录，以保证孩子的骑行安全；骑行界面模块则是提供一个专门的骑行UI界面，包括速度、里程、时间、海拔高度等多项数据统计指标，方便骑手随时查看自己的骑行状态和表现；导航模式则是针对骑手出行所需推出的一项导航功能，用户可以输入目的地或通过语音助手进行导航，系统将为用户规划最优路线，并提供详细的导航指引；附近骑行模块可以让用户查找周围的骑行路线和景点，比如山区、公园、梯田等不同类型的景点，帮助骑手发现更多的骑行体验和乐趣；紧急呼叫模块则是为骑手提供一个紧急情况下求救平台，当遇到危险或意外事件时，骑手可以通过该功能向社区呼叫求救，得到及时的支援和帮助。

在图4（c）中，商业圈是骑手们了解周围商业设施和服务的重要途径。通过该功能，用户可以轻松查询到周围的商铺、餐厅、咖啡馆、便利店等各种商业设施，并查看它们的详细信息，比如地址、营业时间、评价等。此外，商业圈也可以提供促销信息、优惠券等福利活动，让用户更方便地享受周边服务；活动推荐则是为用户推荐适合他们的骑行活动。除了常规的骑行路线推荐外，该功能还可以根据用户的兴趣爱好、体能水平等个人因素，建议一些定制化的活动，如休闲骑行、山地越野、夜间探险等不同主题的骑行活动。同时，活动推荐还可以告知用户当前热门的骑行活动，以及参加这些活动所需的注意事项和报名方式等；俱乐部功能则是一个社区交流平台，允许用户与其他骑手交流和分享经验。用户可以在俱乐部内发布自己的骑行心得、经验分享、问题求助等帖子，与志同道合的骑手共同探讨骑行技巧和相关话题。俱乐部还可以组织线下活动、比赛等集体活动，增进骑手之间的沟通和交流，丰富用户的骑行体验。

在图4（d）中，用户信息模块是用户在注册时填写的个人资料，包括姓名、性别、年龄、身高、体重等基本信息。用户可以随时修改自己的个人资料，以保证其准确性和完整性；照片模块允许用户上传并管理自己的个人照片，包括骑行照片和生活照片等。用户可以创建自己的相册，并将照片分享到社交媒体上，与朋友们分享自己的骑行体验和趣事；骑行圈子则是一个社交功能，允许用户加入不同的骑行圈子，如山地车骑行、公路车骑行、城市单车骑行等不同类型的骑行圈子。用户可以在圈子内发帖、评论、点赞等，与志同道合的骑手进行交流和互动；骑行日记功能允许用户记录自己的骑行经历和感受，包括骑行时间、里程、速度、消耗卡路里等各项数据指标。用户可以根据自己的需要选择是否公开日记内容，并随时查看自己的骑行历史和成长轨迹；骑行轨迹功能可以记录用户的骑行轨迹，并在地图上展示出来。用户可以查看自己的骑行路径、速度和海拔等信息，并与其他用户分享自己的骑行轨迹，以获取更多的骑行建议和体验；设置模块包括用户账户的安全设置、通知设置、隐私设置等各项设置内容。用户可以根据自己的需求和喜好进行个性化设置，保障自己的账户和信息安全，并获得最佳的使用体验。

3  结  论

头盔的智能化不仅提升了头盔行业专业度和便捷性，也提升了头盔的品牌影响力。建立的智能数字健康生态骑行生活圈，不仅保障骑手的行车安全，也给骑手提供了一个良好的生活服务平台，实现了让用户“行得安全、吃得放心、住得舒心”，是市民工作、休闲、生活、娱乐、运动领域中不可或缺的伙伴。

参考文献：

[1] 李茂恩，张雨兰，唐羽，等.便于外卖公司监管的骑手智能头盔设计 [J].无线互联科技，2022，19（8）：83-84+95.

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[5] 冯奇.智能骑行头盔设计研究 [D].上海：上海工程技术大学，2021.

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作者简介：黄琪瑶（2002—），女，汉族，浙江慈溪人，本科在读，研究方向：智能信息处理；通讯作者：李林静（1976—），女，汉族，四川遂宁人，副教授，硕士研究生，研究方向：智能信息处理。