蘭鴻旺，吳超瓊，李國懌，覃文捐，劉振貴，覃鐘耀，陳守旺

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

近年來，電動自行車因其便捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)，成為城鄉(xiāng)居民的主要出行工具之一。隨著電動自行車數(shù)量越來越多的同時(shí)，因行人或駕駛員隨意闖紅燈、駕駛員駕駛技術(shù)低等復(fù)雜因素造成的交通事故也在逐年增長。因此騎乘電動自行車、摩托車佩戴安全頭盔的問題引發(fā)了社會的關(guān)注。隨后廣西、上海等地也出臺相應(yīng)規(guī)定明確騎行電動自行車也要佩戴安全頭盔，因此不佩戴頭盔不僅是對自己的不負(fù)責(zé)任，同時(shí)也可能觸犯到法律。

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

裝置分為兩大部分，分別為下位機(jī)與上位機(jī)。下位機(jī)又分為兩個(gè)部分：裝置車載部分與裝置頭盔部分。裝置車載部分分為：電源模塊、STM32主控模塊、座椅檢測模塊、蜂鳴器模塊、顯示屏模塊、紅外接收模塊、WiFi模塊、拓展傳感器接口。裝置頭盔部分分為：電源模塊、STC15主控模塊、頭盔佩戴檢測模塊、紅外發(fā)射模塊。上位機(jī)是由Android設(shè)計(jì)的手機(jī)APP。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。裝置頭盔部分使用STC15F104W單片機(jī)作為主控制器，微動開關(guān)采集駕駛員頭盔佩戴信息頭盔部分主控芯片進(jìn)行處理將處理結(jié)果通過紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信息給裝置車載部分。裝置車載部分采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控制器，紅外測距傳感器GP2Y0A21YK0F采集距離信息，紅外接收管HS0038參集裝置頭盔部分發(fā)送的紅外信息，ESP8266模塊參集上位機(jī)的指令信息，將采集到的信息匯入車載部分主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過程序算法得出駕駛員頭盔佩戴情況。如果駕駛員未佩戴頭盔則通過裝置車載部分的蜂鳴器、顯示屏提醒駕駛員。實(shí)現(xiàn)頭盔佩戴提醒功能。擴(kuò)展接口即預(yù)留數(shù)據(jù)接口可以用于采集記錄裝置工作狀態(tài)信息也可以拓展傳感器等[1]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

裝置車載部分選擇高性能、低功耗、低成本的STM32 F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片。電路由以下個(gè)部分構(gòu)成：電源電路、濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路、BOOT電路。裝置車載部分主控模塊電路如圖2所示。

圖2 裝置車載部分主控模塊電路圖

裝置頭盔部分需要體積小、功耗低、高新能的主控。綜合考慮使用STC15F104W單片機(jī)作為主控芯片。這款單片機(jī)只有8個(gè)引腳其中6個(gè)通用I/O口足夠設(shè)計(jì)使用。并且不需外部晶振和外部復(fù)位，只需要電源電路、濾波電路就可使用。裝置頭盔部分主控模塊電路如圖3所示。

圖3 裝置頭盔部分主控模塊電路圖

■2.2 核心傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

各類傳感器電路主要采用模塊化設(shè)計(jì)，通過+5V、+3 3V電源和GND組成直流供電輸入給各傳感器模塊，模塊之間采用去耦電容減少干擾。核心傳感器模塊電路如圖4所示。

圖4 核心傳感器模塊電路圖

DS18B20是一個(gè)數(shù)字溫度傳感器，采用的是單總線時(shí)序與主機(jī)通信，只需要一根線就可以完成溫度數(shù)據(jù)讀取。溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。

火焰?zhèn)鞲衅魇抢眉t外線對火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為電壓的變化后，通過裝置車載部分的STM32檢測AD值就可以判斷出火光的強(qiáng)弱做出相應(yīng)的程序處理。

傳感器MP-2采用多層厚膜制造工藝,當(dāng)環(huán)境空氣中有被檢測氣體存在時(shí)傳感器電導(dǎo)率發(fā)生變化，該氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化后，通過裝置車載部分的STM32檢測AD值就可以判斷出煙霧的濃度和DS18B20、火焰?zhèn)鞲衅骶涂梢越M成一個(gè)簡易的警報(bào)器。

紅外測距傳感器GP2Y0A21YK0F傳感器由信號處理電路、紅外發(fā)射二極管和位置探測器組成，物體的反射率、環(huán)境溫度和工作時(shí)間的變化不受影響。該裝置輸出與檢測距離相對應(yīng)的電壓。通過單片機(jī)的AD檢測和和相應(yīng)的公式即可算出距離。將傳感器放置在座椅前方就可以用于座椅檢測，當(dāng)傳感器檢測到后裝置車載部分主控就可以做出相應(yīng)的程序處理。

■2.3 頭盔佩戴檢測模塊電路設(shè)計(jì)

頭盔佩戴檢測模塊由兩個(gè)微動開關(guān)來檢測，1號微動開關(guān)位于頭盔內(nèi)襯頭頂部，2號微動開關(guān)位于頭盔帽帶卡扣內(nèi)側(cè)。當(dāng)駕駛員佩戴頭盔時(shí)駕駛員的頭部會于頭盔內(nèi)襯貼合1號微動開關(guān)就會按下，駕駛員將卡扣插銷插入時(shí)會頂住裝在卡扣內(nèi)側(cè)的微動開關(guān)并將其按下。裝置頭盔部分STC15主控通過獲取這兩個(gè)微動開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)頭盔佩戴的檢測，如果兩個(gè)微動開關(guān)都未按下或只按下一個(gè)時(shí)則認(rèn)為駕駛員沒有規(guī)范佩戴安全頭盔。裝置頭盔部分模塊安裝位置示意如圖5所示。

圖5 裝置頭盔部分模塊安裝位置示意圖

■2.4 紅外發(fā)送模塊與紅外接收模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)兩個(gè)微動開關(guān)都處于按下狀態(tài)時(shí)，裝置頭盔部分單片機(jī)將頭盔已佩戴安全佩戴的信息對應(yīng)的二進(jìn)制編碼調(diào)制為一系列的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)送以RC5位格式的信號。

紅外測距傳感器GP2Y0A21YK0F檢測到駕駛員以上車后，裝置車載部分一體化紅外接收頭HS0038開始接收RC5格式的紅外信號，經(jīng)裝置車載部分單片機(jī)解碼后并執(zhí)行對應(yīng)程序。

■2.5 蜂鳴器模塊與顯示屏模塊電路設(shè)計(jì)

壓電無源蜂鳴器，其內(nèi)部沒有激勵(lì)源，只有給它一定頻率的方波信號，才能讓蜂鳴器的振動裝置起振，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)聲。蜂鳴器所需的驅(qū)動電流比較大，直接使用單片機(jī)IO直接驅(qū)動蜂鳴器比較吃力，需要搭配一個(gè)放大電路使用。

1 44寸 TFT SPI彩屏，分辨率 128×128，只需 4個(gè)IO口即可完成驅(qū)動，具有豐富多樣的接口、編程方便、易于擴(kuò)展等良好性能。當(dāng)紅外測距傳感器GP2Y0A21YK0F檢測到駕駛員以上車后連續(xù)三個(gè)檢測周期沒有接收到裝置頭盔部分發(fā)來的佩戴安全佩戴的信息對應(yīng)的二進(jìn)制編碼則通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，顯示屏也會顯示相關(guān)提醒。

根據(jù)沃爾特·艾薩克森執(zhí)筆的《史蒂夫·喬布斯傳》改編的電影《喬布斯》使得當(dāng)代大學(xué)生更加清楚地了解了他們的偶像——蘋果公司創(chuàng)辦人和前總裁喬布斯的輝煌一生：活著只為改變世界。喬布斯的火爆使當(dāng)代大學(xué)生深刻地理解了“改變世界”的意義和人生努力的方向。然而，很少有同學(xué)知道“改變世界”來自馬克思“新世界觀萌芽的第一個(gè)天才文件”（恩格斯語）——《關(guān)于費(fèi)爾巴哈的提綱》；這就是寫在馬克思墓碑上的名言——“哲學(xué)家們只是用不同的方式解釋世界，問題在于改變世界?！保?］502面對當(dāng)代大學(xué)生只知喬布斯、不知馬克思的現(xiàn)狀，高校思政教育迫切需要闡明馬克思主義是“改變世界”的理論，既是“實(shí)踐的理論”，又是“理論的實(shí)踐”。

■ 2.6 WiFi模塊作用

摩托車頭盔佩帶提醒裝置車載部分啟動后ESP8266 WiFi模塊進(jìn)入服務(wù)器模式并開啟一個(gè)名為“EPS_SmartHelmet”的熱點(diǎn)供手機(jī)連接，在手機(jī)下載并安裝應(yīng)用程序后，使用手機(jī)去連接熱點(diǎn)，即可通過WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。手機(jī)軟件的功能是通過WiFi模塊與裝置車載部分STM32主控通訊使其開啟或關(guān)閉頭盔佩戴提醒功能；調(diào)整頭盔傳感器的靈敏度，改變發(fā)出警報(bào)的閾值，如溫度過高的警報(bào)等；裝置車載部分出現(xiàn)異常時(shí)可以查看裝置發(fā)出的故障碼。調(diào)整的閾值及功能啟停的設(shè)置會存入裝置車載部分的EEPROM存儲芯片內(nèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 車載部分主體程序設(shè)計(jì)

車載部分有兩個(gè)模式，工作模式與調(diào)試模式。程序啟動初始化各個(gè)模塊后默認(rèn)進(jìn)入工作模式，等待紅外測距模塊檢測到駕駛員上車，再判斷紅外接收管接收到的信號是否為頭盔已正確配戴的信號，如果沒有收到信號或是接受到錯(cuò)誤信號，則發(fā)出警報(bào)后進(jìn)行下一次接收。調(diào)試模式則負(fù)責(zé)將裝置的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP。裝置車載部分程序流程如圖6所示。

圖6 車載程序流程圖

■3.2 頭盔部分主體程序

裝置啟動后系統(tǒng)開始初始化，完成后等待微動開關(guān)被按下。如果只有一個(gè)微動開關(guān)被按下則發(fā)送未正確佩戴頭盔信號給主機(jī)，發(fā)送完畢繼續(xù)檢測微動開關(guān)是否被按下；兩個(gè)微動開關(guān)同時(shí)被按下發(fā)出頭盔已正確佩戴信號給主機(jī)。發(fā)送完畢繼續(xù)檢測微動開關(guān)是否被按下。頭盔部分程序流程如圖7所示。

圖7 頭盔部分程序流程圖

■3.3 手機(jī) APP 主體程序

該APP作為客戶端通過基于TCP/IP的Socket通信，與主機(jī)模塊上的WiFi進(jìn)行通信。因WiFi模組在出廠時(shí)，已自動燒錄AT指令SDK，故可以直接通過AT指令進(jìn)行二次開發(fā)。在APP程序設(shè)計(jì)中，給定IP地址與端口號，通過IsConnected()方法[2]查看是否連接服務(wù)器成功。成功則獲取Socket流對象里的輸入流數(shù)據(jù)，將其解析并顯示在手機(jī)上。還可通過輸出流將附加模塊傳感器靈敏度設(shè)置發(fā)送給主機(jī)模塊。APP程序流程如圖8所示。

圖8 APP程序流程圖

由于主機(jī)模塊的傳感器眾多，數(shù)據(jù)傳輸與解析難度大大增加?？紤]到眾多數(shù)據(jù)的解析問題，由此設(shè)計(jì)了一款專門用于本裝置于手機(jī)APP的傳輸協(xié)議[3]，共八位數(shù)據(jù)組成幀格式，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式表

幀頭：用于判斷是否有數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到S時(shí)，代表接收到數(shù)據(jù)。

類型：每一個(gè)模塊代表一種類型。溫度模塊WD；頭盔檢測TK；煙霧模塊YW；火焰模塊HY；座椅檢測ZY。

狀態(tài)：分有正常與異常，數(shù)據(jù)分別為Z和Y。

數(shù)據(jù)：溫度模塊的數(shù)據(jù)范圍為00~99，單位為攝氏度℃；頭盔檢測的數(shù)據(jù)有ZC與YC，分別代表正常與異常；煙霧模塊與火焰模塊的數(shù)據(jù)范圍為00~99，是以數(shù)據(jù)百分比的形式進(jìn)行傳輸，單位百分比%；座椅檢測的數(shù)據(jù)有YR與WR，分別代表有人與無人。

幀尾：用于判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢。當(dāng)接收到E時(shí)，代表數(shù)據(jù)接收完畢。

例如SwdZ26E，代表溫度傳感器正常，并檢測到溫度26℃；SywZ50E,代表煙霧傳感器正常，并檢測到煙霧濃度50%；StkYYCE,代表頭盔檢測異常，沒有檢測到從機(jī)的紅外信號。

4 裝置調(diào)試

將裝置車載部分、頭盔部分和軟件平臺進(jìn)行聯(lián)合測試。首先，在手機(jī)上安裝頭盔佩戴提醒裝置調(diào)試工具APP；將設(shè)備通電，將手機(jī)連上車載部分的WiFi，進(jìn)行各項(xiàng)功能的測試。設(shè)備的實(shí)物圖如圖9所示。頭盔佩戴提醒裝置調(diào)試工具APP界面如圖10所示。

圖9 整體設(shè)備實(shí)物

圖10 裝置APP

首先測試頭盔檢測功能，當(dāng)駕駛員坐上座椅后裝置進(jìn)行頭盔檢測，正常情況下駕駛員正確佩戴安全頭盔后裝置將不會發(fā)出警報(bào)。通過測試裝置頭盔部分紅外發(fā)送功能正常、裝置車載部分紅外接收功能正常，駕駛員佩戴安全頭盔后可以正常解除警報(bào)。其次測試在裝置調(diào)試模式下使用手機(jī)APP對裝置的安全頭盔佩戴提醒功能、安全頭盔佩戴記錄功能進(jìn)行啟停及附加傳感器的警報(bào)靈敏度調(diào)節(jié)和啟停。通過測試裝置車載部分與手機(jī)APP的通訊正常、裝置車載部分可以讀寫EEPROM存儲器上的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試裝置各部分的功能都達(dá)到預(yù)期設(shè)想。