基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的iBag智能背包的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

諸雅欣　李金一　于鵬博　馬濤　楊嘉琛　楊晶

摘 要：iBag是一款智能背包，其設(shè)計(jì)初衷是為青少年提供一種兼具時(shí)尚、科技和健康保障元素的全新背負(fù)體驗(yàn)。本作品集成了MEMS陀螺、靈敏應(yīng)變片組、GPS芯片、SIM卡通信模塊、藍(lán)牙模塊、LED顯示屏以及微控制器，開發(fā)了基于Android、iOS和Web的軟硬件通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了個(gè)性圖案顯示、實(shí)時(shí)安全定位和超重檢測提示三大功能，并突破了傳統(tǒng)背包的局限性，不僅可使用戶成為產(chǎn)品個(gè)性化的參與者，還可以與背包進(jìn)行實(shí)時(shí)人機(jī)交互，這一創(chuàng)新點(diǎn)為背包的個(gè)性化設(shè)計(jì)、青少年脊柱保護(hù)和出行安全提供了有趣的解決方案。

關(guān)鍵詞：智能背包；人機(jī)交互；個(gè)性圖案顯示；實(shí)時(shí)安全定位；超重檢測提示

中圖分類號(hào)：TP212；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-0-03

0 引 言

目前，市場上銷售的背包種類繁多、外觀多樣，但大多數(shù)背包在設(shè)計(jì)時(shí)僅滿足了用戶基本的負(fù)重和審美需求，而智能化、個(gè)性化的背包價(jià)位居高不下，令普通青少年消費(fèi)者望而卻步。市場需要一款真正價(jià)格合宜又富有創(chuàng)意的背包?；诖?，本作品提出了一種基于智能穿戴理念的背包設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。

1 作品功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 個(gè)性圖案顯示功能

夜間光線條件差，行人不容易被來往車輛發(fā)現(xiàn)，交通事故頻發(fā)。為解決這一問題，本作品基于AVR單片機(jī)，通過MEMS陀螺檢測角速度[1-3]，在用戶轉(zhuǎn)向時(shí)自動(dòng)顯示轉(zhuǎn)向箭頭[4]，LED屏使轉(zhuǎn)向提示醒目個(gè)性，有效保障了青少年的出行安全。夜間自動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)嵨飯D如圖1所示。

在用戶直行時(shí)，本作品可呈現(xiàn)繽紛多彩的圖案。用戶可以在iBag預(yù)設(shè)的圖案庫中挑選喜歡的圖案，也可以使用手機(jī)App自行設(shè)計(jì)圖案。所有圖案都會(huì)實(shí)時(shí)顯示在背包上，讓有限的點(diǎn)陣煥發(fā)出無限的創(chuàng)意。個(gè)性化圖案設(shè)計(jì)與顯示實(shí)物圖如圖2所示。

同時(shí)，為鼓勵(lì)青少年自己創(chuàng)作創(chuàng)意作品，本作品還開發(fā)了基于智能手機(jī)和Web的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，允許用戶進(jìn)行圖案分享和其他網(wǎng)絡(luò)社交活動(dòng)，通過運(yùn)營青少年社群提供全方位的用戶體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)社區(qū)App示意圖如圖3所示。

1.2 實(shí)時(shí)安全定位功能

突發(fā)緊急狀況時(shí)，本作品還可用于輔助定位和緊急呼救。背包內(nèi)置的GPS芯片與單片機(jī)進(jìn)行串口通信并實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶位置[5，6]，將數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)安全定位模塊發(fā)送到終端，以供查閱；同時(shí)，用戶還能夠通過緊急呼救按鈕及時(shí)向終端發(fā)送求救指令[7]，進(jìn)一步保障青少年群體的出行安全。

1.3 超重檢測提示功能

本作品能夠自動(dòng)檢測背包全方位承重狀況，并人性化提示青少年進(jìn)行姿勢矯正。該款作品首先會(huì)根據(jù)用戶輸入的年齡、身高、體重等指標(biāo)計(jì)算用戶的負(fù)重安全值上限，其次采用靈敏應(yīng)變片組與微控制器實(shí)時(shí)計(jì)算背包負(fù)重大小[8]，如果背包持續(xù)超重，警報(bào)裝置會(huì)發(fā)出提示音。此外，用戶可以通過手機(jī)App查看負(fù)重?cái)?shù)據(jù)記錄，接收健康知識(shí)和其他生活信息的推送。超重提示功能可以幫助用戶養(yǎng)成積極關(guān)注、主動(dòng)保護(hù)脊柱健康的好習(xí)慣，合理安排負(fù)重。

2 工作原理設(shè)計(jì)

本作品由個(gè)性圖案顯示模塊、安全定位模塊和超重檢測提示模塊組成。整體設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

2.1 個(gè)性圖案顯示模塊

個(gè)性圖案顯示模塊包含傳感器、微控制器、顯示屏、電源、控制端。其中傳感器用于檢測用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以根據(jù)不同的精度要求和環(huán)境需求，采用微加速度計(jì)、微陀螺儀等[3]。微控制器作為整體功能的交互中心，包含有微控制器芯片和附帶的串口通訊模塊、E2PROM存儲(chǔ)器等[1，5]，根據(jù)設(shè)計(jì)需要和程序語言環(huán)境進(jìn)行選擇，可采用單片微控制器和藍(lán)牙組件等。顯示屏用于個(gè)性化圖案的顯示，可以根據(jù)像素需要和特性需要選擇單色或者全彩的點(diǎn)陣LED屏幕、柔性LED屏幕等?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對(duì)整體功能的集成控制，包含移動(dòng)端App[9，10]和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件[11]兩種方式，具有多種功能模式，在圖案編輯狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)個(gè)性圖案顯示的控制。

個(gè)性圖案顯示模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）用戶通過微控制器的通訊接口與控制端進(jìn)行連接，在圖案編輯模式下自行設(shè)計(jì)圖案，或者從互聯(lián)網(wǎng)上下載圖案，并傳輸給微控制器。

（2）關(guān)閉通訊接口，圖案自動(dòng)保存在微控制器內(nèi)，等待調(diào)用。

（3）通過傳感器判斷用戶行走狀態(tài)后做相應(yīng)反饋并顯示在顯示屏上。當(dāng)用戶處于直行狀態(tài)時(shí)，顯示屏交替顯示用戶存儲(chǔ)在設(shè)備中的所有圖案，實(shí)現(xiàn)個(gè)性圖案顯示功能；當(dāng)用戶處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，顯示屏自動(dòng)切換為轉(zhuǎn)向箭頭及相應(yīng)提示語言，實(shí)現(xiàn)隨身轉(zhuǎn)向燈功能。

2.2 安全定位模塊

實(shí)時(shí)安全定位模塊包含GPS信息接收單元、微控制器、GSM信息發(fā)送單元、電源、控制端。其中GPS信息接收單元包括GPS芯片和接收主機(jī)、接收天線等，能夠?qū)崟r(shí)接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)[6]，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求選用各類型號(hào)的單元設(shè)備。GSM信息發(fā)送單元包含SIM900A通信模塊[12]，能夠?qū)⒔邮盏降腉PS信息傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)移動(dòng)通信終端，以供解析，同時(shí)作為緊急呼救的載體?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對(duì)整體功能的集成控制，包含移動(dòng)端App和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

實(shí)時(shí)安全定位模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）GPS信息接收單元通過內(nèi)部芯片的程序?qū)崟r(shí)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并定位。

（2）GPS信息接收單元與微控制器進(jìn)行串行通信，將接收到的GPS數(shù)據(jù)在微控制器中進(jìn)行解析，識(shí)別判斷后輸入GSM信息發(fā)送單元。

（3）通過GSM的短消息業(yè)務(wù)把自身的位置和狀態(tài)信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的控制端，通過呼叫業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)緊急呼救。

2.3 超重檢測提示模塊

超重檢測提示模塊包含微控制器、應(yīng)力檢測裝置、超重提示裝置、電源、控制端。其中應(yīng)力檢測裝置用于檢測負(fù)重過程中用戶不同部位的受力，可以根據(jù)精度要求和經(jīng)濟(jì)因素選擇不同的應(yīng)變片、微壓力傳感器等。并選用蜂鳴器警示音提示、不同點(diǎn)位受力反饋、ISD1760語音提示等[13]或其組合提醒用戶背包負(fù)重過大，存在健康威脅等問題?？刂贫擞糜趯?shí)現(xiàn)對(duì)整體功能的集成控制，包含移動(dòng)端App和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件兩種方式，具有多種功能模式。

超重檢測提示模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）嵌在背帶及背部接觸面內(nèi)的應(yīng)力檢測裝置檢測背包內(nèi)部各點(diǎn)應(yīng)力，并傳輸給微控制器，間接測算出背包負(fù)重。

（2）當(dāng)背包負(fù)重超過預(yù)設(shè)安全值時(shí)，超重提示裝置會(huì)自動(dòng)發(fā)出提示音，并給控制端發(fā)送各檢測點(diǎn)位的實(shí)時(shí)負(fù)重?cái)?shù)據(jù)。

（3）根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)重?cái)?shù)據(jù)，控制端控制超重提示裝置提醒用戶合理安排負(fù)重，給出合理的背負(fù)姿態(tài)建議，有助于用戶保護(hù)脊柱。

3 創(chuàng)新點(diǎn)分析

本作品包含如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）利用基于智能穿戴和人機(jī)交互的思想重新定義了傳統(tǒng)背包。背包不再是靜態(tài)產(chǎn)品，而是可以采集用戶信息、與用戶交互的動(dòng)態(tài)產(chǎn)品；用戶不再是被動(dòng)接受產(chǎn)品設(shè)計(jì)的終端消費(fèi)者，而是可以自由設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀的參與者。利用這一點(diǎn)，我們建立起了青少年和產(chǎn)品之間的情感關(guān)聯(lián)。

（2）發(fā)展了基于物聯(lián)網(wǎng)思想的“背包-軟件-用戶”交互方式。通過軟硬件通信，本作品有效地采集了背包數(shù)據(jù)；通過軟件，本作品既實(shí)現(xiàn)了用戶和背包之間的互動(dòng)，又方便用戶基于數(shù)據(jù)指導(dǎo)自身行為。

（3）創(chuàng)新了背包外觀設(shè)計(jì)方案。背包外觀是動(dòng)態(tài)可變的，通過在背包的正面嵌入柔性LED屏，切換顯示創(chuàng)意圖案來保障用戶的出行安全；外觀設(shè)計(jì)的方式是用戶友好的，通過手機(jī)App或Web可直接改變背包的外觀。

（4）改進(jìn)了傳統(tǒng)背包無法檢測背包重量的情況。在背帶內(nèi)加入應(yīng)變片，創(chuàng)新性地通過檢測背帶拉伸微小形變，間接檢測背包負(fù)重，給使用者合理提示，使其關(guān)注背負(fù)健康。

（5）延伸了基于產(chǎn)品社群思想的作品內(nèi)涵。本作品不僅僅是一個(gè)背包，還在背包的背后有數(shù)據(jù)、社群，更有基于以上二者的iCommunity線上創(chuàng)意交流社區(qū)。我們利用云端處理技術(shù)開發(fā)了Web社區(qū)[14]，用戶通過創(chuàng)作圖案、分享圖案等用戶生成內(nèi)容（User Generated Content）行為，既能享受與背包交互的趣味，又能建立和社群的聯(lián)系，用戶黏度得以增強(qiáng)。

4 結(jié) 語

在智能可穿戴設(shè)備的熱潮下，追求個(gè)性時(shí)尚、強(qiáng)調(diào)歸屬感的青少年消費(fèi)者對(duì)背包這一日常用品也提出了新的要求。本產(chǎn)品既延續(xù)了傳統(tǒng)背包基本的負(fù)載功能，又創(chuàng)新性地突破了傳統(tǒng)背包外觀和功能的局限性，基于智能穿戴、人機(jī)交互、產(chǎn)品社群等思想，與青少年消費(fèi)者建立了良好的互動(dòng)關(guān)系和情感關(guān)聯(lián)，在很大程度上滿足了目標(biāo)市場的需求。同時(shí)，青少年消費(fèi)市場體量龐大，消費(fèi)能力也日益攀升，因此本作品擁有廣闊的市場前景。

5 致 謝

特別感謝西北工業(yè)大學(xué)虞益挺、馬炳和老師對(duì)論文的指導(dǎo)！

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