基于STM32智能騎行頭盔的設計

韋雪波 劉俊景

摘 要：本項目旨在設計一款功能強大的智能騎行頭盔，主要解決人們在騎行過程中枯燥乏味，路況查看，與同行騎友交流不方便等問題。通過頭盔中內嵌的STM32芯片與頭盔上的無線設備，使得頭盔智能化，并實現頭盔與手機以及互聯網的連接，讓頭盔具有方向指示、藍牙通訊及播放、路況監控、GPS導航定位、語音提示等功能。這些功能的實現，使得頭盔不僅具有智能化、現代化，同時也提高了人們騎行過程的安全性，使人們出門騎行時可以得到更安全更舒適的騎行體驗。

關鍵詞：頭盔;STM32;智能化;嵌入式系統

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

0 引言

隨著工業不斷發展，近幾年物聯網及智能化產業的不斷發展，智能化的產品已經應用到日常生活各個領域，而在智能穿戴領域，騎行頭盔的智能化顯然是一個十分值得探討的問題。騎行頭盔一直以來起到的作用往往只是當發生意外時候起到保護騎行者頭部，但是如今它也可以隨著時代的發展在其主要的基礎上變得功能多元化。它完全可以像手機逐漸智能化，滿足人們越來越多的需求。

1 系統總體設計

本系統分為控制系統、無線發送接收以及手機APP設計三大模塊。

控制系統：數據集指令采集處理中心，負責處理各類指令信息，實現所需的功能。無線發送接收：在系統中各個不同模塊需要協同實現功能時需要進行信息交換，無線網絡將作為信息交換的載體。手機APP：手機端通過無線網絡與控制系統連接從而實現GPS定位、導航等功能。

2 系統硬件設計

本系統的硬件部分主要包括：STM32嵌入式系統的構建和無線通信處理模塊的設計。使用者通過手機APP和按鍵向控制系統發送指令信息，控制系統接收到指令信息后經過判斷和處理。

2.1 STM32F103系統設計

本系統選擇STM32F103ZET6芯片作為主控芯片。

STM32F103ZET6是一款高性能32位單片機，擁有多達五個USART、三個SPI和兩個IIC接口資源以及512KB的FLASH和64KB的RAM以及其他十分豐富的資源[1]。本系統充分利用其內部資源進行UCOSII的系統移植使的系統更安全穩定可靠。系統設計如圖1所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包含 STM32 上的基于 UCOSii 的軟件設計、藍牙通訊模塊、GPS定位模塊、OV767 0攝像模塊和安卓手機 APP 的設計五部分。系統流程圖如圖2所示。

3.1 基于 UCOSii 的單片機程序

系統移植了 UCOSii 系統， μC/OS-II 由 Micrium 公司提供（簡稱 UCOSii），是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務實時內核，它適用于多種微處理器， 微控制器和數字處理芯片， 該系統源代碼開放整潔、一致，注釋詳盡，適合系統開發[2]。在系統設計時，為 UCOSii 創建了多個線程任務，把控制輸入處理程序及各個通訊模塊數據傳輸部分放在不同線程，每個線程有各自的任務，任務與任務自建用消息郵箱進行通信， 設計中涉及了優先級、?？臻g大小的問題，根據每一個線程任務所占用資源大小來定義，得到最優的優先級別以及所要設置的?？臻g大小，同時使得程序整體更加清晰明了并且使程序結構化而更加穩定。

3.2 藍牙通訊模塊

藍牙通訊在系統中的兩個部分，一個是芯片與芯片之間的通訊，一個是與手機端的通訊。芯片與芯片之間通訊主要實現的功能是通過遙控實現LED燈的指示功能，通過主控芯片的USART 2串行端口（PA2、PA3）實現通訊。外設芯片通過藍牙模塊像主控芯片發送相應指令，主控芯片接收到之后開始進行操作。在程序實現中主控芯片接收到“0”，“1”，“L”，“R”， “F”字符指令分別會操作LED燈全滅、全亮、左燈亮、右燈亮和閃爍[3]。與手機端通訊的部分接入的是主控芯片的USART 1串行端口，用于將數據傳給手機端進行顯示處理。

3.3 GPS模塊

目前市面上主要運行的“GPS”系統是由 24顆工作衛星和 4 顆備用衛星組成，它們分布在 6 個等間距的軌道平面上，每個軌道面上有 4 顆工作衛星，衛星軌道接近圓形，用戶在任何時間都至少能看到 4-6 顆衛星，定位一次僅需幾秒鐘，可實現全球范圍連續的、近實時的定位、測速與授時。GPS模塊同外部設備的通信接口采用UART（串口）

方式，輸出的GPS定位數據采用NMEA-0183協議（默認），控制協議為UBX協議[4]。定位的地理信息就必須要按照NMEA-0183協議數據格式對接收到的字符串進行解析，提取其中需要用到的經度緯度信息和UTC時間信息以及相關的衛星信息。

在設計中主控芯片通過USART 3與ATK-NEO-6M GPS模塊讀取到GPS的定位信息后，通過編程解析數據幀，將定位信息$GPRMC通過USART 1傳送到手機APP進行定位數據顯示，以此達到實現定位的功能。

3.4 攝像模塊

攝像頭模塊用的是OV7670集成模塊，OV7670 是一個能夠提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器，它可以輸出整幀，子采樣，取窗口等方式的各種分辨率 8/10 位圖像數據，支持的數據格式有很多種，包括 RAW RGB ，RGB （GRB 4：2：2， RGB565/555/444） 以及 YCbCr （4：2：2） 等格式[5]。通過相關寄存器來切換選擇把測試圖案發生器產生的圖形數據送入DSP 處理器處理，DSP 模塊控制著從原始信號插值到 RGB 信號的整個過程，再進入一個 FIFO，最后通過視頻端口將數據傳遞給單片機。

3.5 手機APP設計

APP 開發選擇了目前用戶最多且最容易開發的安卓系統平臺（Android）。在APP中設計了8個按鍵，不同的按鍵被點擊，則會發出相應的代碼指令給單片機，單片機接收到指令后通過對比判斷做出相對應的操作。

4 總結

本系統設計了一款以STM32芯片為主控平臺，以安卓APP作交互的智能騎行頭盔系統。系統實現了視頻傳輸，衛星定位，音頻播放，轉向提示等功能，通過設計及智能傳感器綜合應用，將傳統騎行頭盔變為應用更廣泛的智能穿戴設備。

參考文獻：

[1]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出社，2012

：13-27.

[2]陳鍵.基于嵌入式的無線視頻監控系統研究[D].北京：北方工業大學，2009.

[3]余勝生，李治國，范曄斌.基于藍牙WPAN的TCP性能研究[J].計算機仿真，2003，5（09）：24-26.

[4]黃向華，辛濱，許剛.智能手機藍牙轉紅外抄表的應用[J].數字技術與應用，2012，9（08）：13-14.

[5]廖芝逸，敖銀輝.基于STM32的消防遠程監控系統[J].機電工程技術，2016，28（04）：3-5.

項目類型：廣西區大學生創新創業計劃項目（201710595168）

作者簡介：韋雪波（1993-），男，壯族，廣西南寧人，本科，研究方向：嵌入式技術。