人机交互智能骑行头盔设计

胡文霞,何 宇,丁小荣,段文洋

(安徽三联学院 电子电气工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

智能头盔作为一种结合了计算机网络和嵌入式系统的高科技产品,近年来被广泛应用于交通行驶、运动、工作和军事等领域[1]。电动自行车因其驾驶操作便捷、购买成本较低等特点,逐渐成为我国居民短途通勤的首选交通工具。然而,在看似方便的背后,电动自行车交通事故频发,给人们的生命安全带来严重威胁。随着我国居民对出行安全的意识逐渐提高,对头盔的智能安全需求也随之增加。这为头盔行业带来了发展契机。

1 国内外研究现状

1.1 国内现状

(1)市场规模:随着中国政府对交通安全的重视,智能安全头盔市场逐渐崛起。根据相关数据显示,2019年中国智能安全头盔市场规模达到了约10亿元人民币,预计到2025年将达到30亿元人民币。

(2)技术发展:中国智能安全头盔企业主要集中在浙江、广东等地,产品涵盖了电动自行车、摩托车、电动汽车等多种类型。

(3)政策支持:中国政府对智能安全头盔产业给予了一定的政策支持,如补贴、税收优惠等。此外,政府还鼓励企业加大研发投入,推动产业技术创新。

1.2 国外现状

(1)市场规模:欧美国家是智能安全头盔的主要消费市场,市场规模较大。根据相关数据显示,2019年全球智能安全头盔市场规模约20亿美元,预计到2025年将达到40亿美元。

(2)技术发展:美国、德国等国家的智能安全头盔技术较为成熟,功能丰富。此外,这些国家还注重产品的舒适性和外观设计。

(3)政策支持:欧美国家政府对智能安全头盔产业也给予了一定的政策支持,如补贴、税收优惠等。同时,这些国家还鼓励企业加强国际合作,推动产业发展。

2 人机交互智能头盔总体设计方案

2.1 硬件架构

(1)主控芯片(BXC6332A):作为头盔的核心处理单元,负责协调各个模块的工作,处理数据,并执行主要计算任务。

(2)蓝牙版块:使用低功耗蓝牙技术(如Bluetooth 5.0或以上),用于与智能手机或其他蓝牙设备通信。

(3)语音控制模块:集成先进的语音识别算法,能够理解用户的指令,并作出响应,如拨打电话、更改音乐等。

(4)BDS/GPS双定位模块:提供精确的位置追踪功能,确保在各种环境下都能获取准确的位置数据。

(5)MEMS压力传感器:监测头盔内部的压力变化,检测可能发生的碰撞或冲击。

(6)电源管理:设计高效的电源管理系统,确保较长的使用寿命和待机时间。

(7)状态指示灯:通过LED灯显示头盔的状态,如充电状态、蓝牙连接状态、安全警告等。

2.2 软件构架

(1)设备配对与管理:通过手机应用实现头盔设备的快速配对和管理。

(2)导航与路线规划:结合BDS/GPS数据,提供实时导航和路线规划服务。

(3)语音控制界面:开发语音控制的用户界面,允许用户通过语音命令操作头盔的各种功能。

(4)紧急救援系统:当MEMS压力传感器检测到异常冲击时,自动发送求救信号和位置信息至预设联系人。

(5)健康监控:记录用户的行驶习惯,分析可能存在的风险行为,并提供改善建议。

3 基于BXC6332A芯片智能头盔具体设计

3.1 系统总体设计结构

头盔壳体层如图1所示。

图1 头盔壳体层

3.2 系统硬件电路

3.2.1 BXC6332A芯片

BXC6332A芯片是一款集成了蓝牙音频和语音识别功能的智能芯片。BXC6332A芯片可以通过其提供的硬件接口与SPI、I2C或UART通信协议进行连接。

(1)SPI。SPI是一种高速、全双工、同步的通信总线,通常使用4根线进行数据传输[2]。1个主设备输出/从设备输入(MOSI);1个主设备输入/从设备输出(MISO),1个时钟信号(SCLK)和1个片选信号(CS)。BXC6332A芯片通过其SPI接口可以作为主机或从机与其他SPI设备进行通信。作为主机时,可以控制数据的传输和时钟信号;作为从机时,接收来自主机的指令和数据。

(2)I2C。I2C是一种半双工、同步通信协议,使用2根线进行数据传输:1根数据线(SDA)和1根时钟线(SCL)。

BXC6332A芯片的I2C接口可与其他I2C设备进行数据交换,既可以作为主机发送数据,又可以作为从机接收数据。

(3)UART。UART是一种全双工、异步通信协议,使用2根线进行数据传输:1根发送线(TX)和1根接收线(RX)。

3.2.2 BDS/GPS双定位

AT-GM336H是一款支持北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satelite System,BDS)和全球定位系统(Gloloal Positioning System,GPS)的双模定位模块[3]。该模块能够接收来自北斗和GPS的卫星信号,并通过内置算法处理这些信号,最终计算出设备的精确地理位置坐标。

3.2.3 MEMS压力传感器

压阻式MEMS压力传感器通过硅晶应变计的弹性变形来检测外界压力。这种传感器的工作原理建立在“电阻-应变”效应上。具体来说,压阻式MEMS压力传感器内部有一个惠斯通电桥,它由4个电阻-应变片组成。当受到压力作用时,这些应变片的电阻会发生改变,导致电桥两端的电势不平衡,从而产生一个与施加压力成比例的电压信号,MEMS传感器原理如图2所示。

图2 MEMS传感器原理

3.3 各个模块协同规划

3.3.1 硬件接口规划

(1)主控芯片(BXC6332A):作为系统的大脑,该芯片负责处理来自各个模块的数据,并执行相应的控制指令,通过SPI、I2C或UART等通信协议与其他模块连接。

(2)蓝牙版块:通过UART或SPI与主控芯片相连,实现数据的无线传输。

(3)语音控制模块:可通过专用的音频处理接口(如PDM/I2S)与主控芯片连接,确保高清晰度的语音输入、输出。

(4)BDS/GPS双定位模块:使用UART接口与主控芯片通信,提供定位数据。

(5)MEMS压力传感器:通过模拟或数字接口(如SPI或I2C)与主控芯片连接,传递压力数据。

所有模块都需要考虑电源管理,包括电源分配、电压调节和功耗监控。

3.3.2 软件逻辑规划

(1)固件开发:为主控芯片编写固件以管理各个模块的工作,包括初始化、数据采集、处理和传输。

(2)通信协议:设计一套通信协议来标准化数据交换格式,使得主控芯片能够正确解析从蓝牙版块、GPS/BDS模块和压力传感器接收到的数据。

(3)数据处理:利用算法来分析定位数据、语音命令和压力读数以及在必要时触发警报或其他响应。

(4)设备管理和故障诊断:开发自我检测程序用以监控系统的健康状态,包括电池电量、传感器状态和通信质量。

4 智能头盔用户需求分析

4.1 市场分析

本文所设计的智能头盔通过与科技相结合,旨在提供更安全、便捷的骑行体验。它可以最大程度地保护佩戴者,并在发生意外时提供即时的救治求助。智能头盔已经应用于多个领域,如工业、矿业、国家安全、医疗、家居、军用等[4]。不同领域中的智能头盔具有不同的功能和应用需求。

4.2 市场目标用户分析

确定精确的目标用户群体是定性研究的关键步骤。了解目标用户的生理特征、生活环境和习惯等要素至关重要。在对头盔使用者进行调研时,可以大致分为3个主要群体:外卖配送员、通勤上班族和骑行爱好者。

4.2.1 针对外卖配送员调研需求

(1)安全性:由于高风险的工作环境,头盔需要提供额外的安全保护,如更强的抗冲击能力和更稳固的固定性。

(2)舒适性:长时间佩戴需要良好的通风系统以避免头部过热以及合适的内衬和调节机制以适应不同头型。

(3)耐用性:头盔应能抵抗日常磨损,包括恶劣天气和频繁使用。

(4)通信便捷:集成蓝牙或其他通信设备,方便接打电话和收听导航指令。

4.2.2 针对通勤上班族调研需求

(1)时尚性:头盔设计要符合职场形象,可以有多种颜色和样式选择。

(2)便利性:容易脱戴和携带,适合快速换乘公交或地铁。

(3)智能功能:集成智能交通导航、紧急求助按钮等,提高通勤效率和安全性。

4.2.3 针对骑行爱好者调研需求

(1)高性能:适合长途骑行的设计,具有良好的风阻性能和耐久性。

(2)舒适性:高级内衬和可调节配件,提供长时间骑行的舒适度。

(3)智能化:集成心率监测、速度计、GPS追踪等智能设备,丰富骑行体验。

5 结语

本文基于BXC6332A芯片设计了一款人机交互智能骑行头盔,融合了安全、技术与用户体验等过程。先从研究背景、研究目的和国内外现状分析了解现代智能头盔发展状况。再从智能头盔总体设计方案中阐述各个模块的功能以及硬软件设计的主体架构。之后,从了解各个模块电路原理图阐述了各个模块的协同规划。最后,从市场调研了解到智能头盔用户以及用户需求。本次研究虽然取得了一定成果,但仍存在不足之处,有待进一步深化和完善。