172 基于 STM32 智能骑行头盔的设计 韦雪波 , 刘俊景 （桂林电子科技大学 , 广西 桂林 541004） 摘　要：本项目旨在设计一款功能强大的智能骑行头盔，主要解决人们在骑行过程中枯燥乏味，路况查看，与同行骑友交流不方便等问题。通 过头盔中内嵌的 STM32 芯片与头盔上的无线设备，使得头盔智能化，并实现头盔与手机以及互联网的连接，让头盔具有方向指示、蓝牙通讯及 播放、路况监控、GPS 导航定位、语音提示等功能。这些功能的实现，使得头盔不仅具有智能化、现代化，同时也提高了人们骑行过程的安全性， 使人们出门骑行时可以得到更安全更舒适的骑行体验。 关键词：头盔；STM32；智能化；嵌入式系统 DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.149 0　引言 　　随着工业不断发展，近几年物联网及智能化产业的不断发展，智 能化的产品已经应用到日常生活各个领域，而在智能穿戴领域，骑行 头盔的智能化显然是一个十分值得探讨的问题。骑行头盔一直以来起 到的作用往往只是当发生意外时候起到保护骑行者头部，但是如今它 也可以随着时代的发展在其主要的基础上变得功能多元化。它完全可 以像手机逐渐智能化，满足人们越来越多的需求。 1　系统总体设计 　　本系统分为控制系统、无线发送接收以及手机 APP 设计三大模块。 　　控制系统：数据集指令采集处理中心，负责处理各类指令信息， 实现所需的功能。无线发送接收：在系统中各个不同模块需要协同实 现功能时需要进行信息交换，无线网络将作为信息交换的载体。手机 APP: 手机端通过无线网络与控制系统连接从而实现 GPS 定位、导航 等功能。 2　系统硬件设计 　　本系统的硬件部分主要包括：STM32 嵌入式系统的构建和无线通 信处理模块的设计。使用者通过手机 APP 和按键向控制系统发送指令 信息，控制系统接收到指令信息后经过判断和处理。 2.1　STM32F103 系统设计 　　本系统选择 STM32F103ZET6 芯片作为主控芯片。 　　STM32F103ZET6 是 一 款 高 性 能 32 位 单 片 机， 拥 有 多 达 五 个 USART、三个 SPI 和两个 IIC 接口资源以及 512KB 的 FLASH 和 64KB 的 RAM 以及其他十分丰富的资源 [1]。本系统充分利用其内部资源进行 UCOSII 的系统移植使的系统更安全稳定可靠。系统设计如图 1 所示。 图 1 STM32F103ZET6 系统设计 3　系统软件设计 　　系统软件设计包含 STM32 上的基于 UCOSii 的软件设计、蓝牙通 讯模块、GPS 定位模块、OV767 0 摄像模块和安卓手机 APP 的设计五 部分。系统流程图如图 2 所示。 图 2　软件系统流程图 3.1　基于 UCOSii 的单片机程序 　　系统移植了 UCOSii 系统， μC/OS-II 由 Micrium 公司提供（简称 UCOSii），是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时 内核，它适用于多种微处理器， 微控制器和数字处理芯片， 该系统 源代码开放整洁、一致，注释详尽，适合系统开发 [2]。在系统设计时， 为 UCOSii 创建了多个线程任务，把控制输入处理程序及各个通讯模 块数据传输部分放在不同线程，每个线程有各自的任务，任务与任务 自建用消息邮箱进行通信， 设计中涉及了优先级、栈空间大小的问题， 根据每一个线程任务所占用资源大小来定义，得到最优的优先级别以 及所要设置的栈空间大小，同时使得程序整体更加清晰明了并且使程 序结构化而更加稳定。 3.2　蓝牙通讯模块 　　蓝牙通讯在系统中的两个部分，一个是芯片与芯片之间的通讯， 一个是与手机端的通讯。芯片与芯片之间通讯主要实现的功能是通 过遥控实现 LED 灯的指示功能，通过主控芯片的 USART 2 串行端口 （PA2、PA3）实现通讯。外设芯片通过蓝牙模块像主控芯片发送相 应指令，主控芯片接收到之后开始进行操作。在程序实现中主控芯片 接收到“0”,“1”，“L”,“R”, “F”字符指令分别会操作 LED 灯 全灭、全亮、左灯亮、右灯亮和闪烁 [3]。与手机端通讯的部分接入的 是主控芯片的 USART 1 串行端口，用于将数据传给手机端进行显示处 理。 3.3　GPS 模块 　　目前市面上主要运行的“GPS”系统是由 24 颗工作卫星和 4 颗备 （下转第 163 页） 电子技术

163 3　仿真结果 　　本文采用 Matlab 软件平台进行仿真求解，理由是，Matlab 软件平 台功能强大，计算效率高。 　　采用本文引入的 QSS 方法对式（2）进行仿真求解，得到图 2 所 示的仿真轨迹。从图 2 可以直观看到，状态变量 x2 作为“刚性”较大 的变量并未发生振荡，仿真过程平稳进行。 　　各数值积分方法对方程实例的求解结果如表 1 所示，从表中可 以直观看到，在仿真效率上，对比传统方法中求解最好的 ODE15s， QSS 方法是它的 4 倍；在仿真精度上，对比传统方法中求解最好的 ODE23s，QSS 方法是它的 12 倍。因此，综合这两方面都可以得出本 文所引入的 QSS 方法的可行性和优越性。 青岛科技大学 ,2016. [2] 王振荣 . 七自由度机械臂动力学分析与仿真 [J]. 计量与测试技 术 ,2018,45(04):18-27. [3] 于清 , 洪嘉振 . 柔性多体系统动力学的若干热点问题 [J]. 力学进 展 ,1999,29(02):145-153. [4]Hairer E,Wanner G.Solving ordinary differential equations II: stiff and differential-Alge-braic problems[M].Springer- Verlag,Berlin,1993. [5]Hairer E,Wanner G.Solving ordinary differential equations I: nonstiff problems [M]. Spri- nger, Berlin,1991. [6]Joan Aguilar Mayans.Numerical Integration and Optimization 表 1　各数值积分方法结果对比图 of Motions for Multibody Dynamic Systems[D].American: University of California,2017. [7]Zeigier B, Lee J S.Theory of quantized systems: formal basis for DEVS/HLA distributed simulation environment[J].In Proceedings of SPIE,1998:49-58. [8]Kofman E, Junco S.Quantized-State Systems: a DEVS approach for continuous system simulation[J].Transications of the Society for Modeling and Simulation International, 2001,18(01):2-8. [9]Dipietro F,Migoni G,Kofman E. Improving a linearly implcit quantized state system method[C].Proceedings of Winter Simulation Conference, Virginia,2016:1084-1095. 作者简介：吴晨佳（1993-）, 女 , 浙江湖州人 , 硕士研究生 , 研究方 向：多领域统一建模与仿真优化。 4　结语 　　（1）在面对刚性常微分方程时，QSS 方法无论是在仿真精度上 还是在仿真效率上，都比传统数值积分方法更为优越。 　　（2）QSS 方法为刚性常微分方程的求解提供了借鉴意义。 参考文献： [1] 高磊 . 多体系统动力学时间离散最优控制方法研究 [D]. 青岛 : （上接第 172 页） 用卫星组成，它们分布在 6 个等间距的轨道平面上，每个轨道面上有 4 颗工作卫星，卫星轨道接近圆形，用户在任何时间都至少能看到 4 － 6 颗卫星，定位一次仅需几秒钟，可实现全球范围连续的、近实时的 定位、测速与授时。GPS 模块同外部设备的通信接口采用 UART（串口） 方式，输出的 GPS 定位数据采用 NMEA-0183 协议（默认），控制协 议为 UBX 协议 [4]。定位的地理信息就必须要按照 NMEA-0183 协议数 据格式对接收到的字符串进行解析，提取其中需要用到的经度纬度信 息和 UTC 时间信息以及相关的卫星信息。 　　在设计中主控芯片通过 USART 3 与 ATK-NEO-6M GPS 模块读取 到 GPS 的定位信息后，通过编程解析数据帧，将定位信息 $GPRMC 通过 USART 1 传送到手机 APP 进行定位数据显示，以此达到实现定 位的功能。 3.4　摄像模块 　　摄像头模块用的是 OV7670 集成模块，OV7670 是一个能够提 供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能的图像传感器，它可 以输出整帧，子采样，取窗口等方式的各种分辨率 8/10 位图像数 据，支持的数据格式有很多种，包括 RAW RGB ，RGB (GRB 4:2:2, RGB565/555/444) 以及 YCbCr (4:2:2) 等格式 [5]。通过相关寄存器来切 换选择把测试图案发生器产生的图形数据送入 DSP 处理器处理，DSP 模块控制着从原始信号插值到 RGB 信号的整个过程，再进入一个 FIFO，最后通过视频端口将数据传递给单片机。 3.5　手机 APP 设计 　　APP 开发选择了目前用户最多且最容易开发的安卓系统平台 （Android）。在 APP 中设计了 8 个按键，不同的按键被点击，则会 发出相应的代码指令给单片机，单片机接收到指令后通过对比判断做 出相对应的操作。 4　总结 　　本系统设计了一款以 STM32 芯片为主控平台，以安卓 APP 作交 互的智能骑行头盔系统。系统实现了视频传输，卫星定位，音频播放， 转向提示等功能，通过设计及智能传感器综合应用，将传统骑行头盔 变为应用更广泛的智能穿戴设备。 参考文献： [1] 蒙博宇 .STM32 自学笔记 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出社 ,2012 :13-27. [2] 陈键 . 基于嵌入式的无线视频监控系统研究 [D]. 北京 : 北方工业 大学 ,2009. [3] 余胜生 , 李治国 , 范晔斌 . 基于蓝牙 WPAN 的 TCP 性能研究 [J]. 计算机仿真 ,2003,5(09):24-26. [4] 黄向华 , 辛滨 , 许刚 . 智能手机蓝牙转红外抄表的应用 [J]. 数字 技术与应用 ,2012,9(08):13-14. [5] 廖芝逸 , 敖银辉 . 基于 STM32 的消防远程监控系统 [J]. 机电工程 技术 ,2016,28(04):3-5. 项目类型：广西区大学生创新创业计划项目（201710595168） 作者简介：韦雪波（1993-）, 男 , 壮族 , 广西南宁人 , 本科 , 研究方 向：嵌入式技术。 电子技术