基于主動(dòng)預(yù)警的智能穿戴設(shè)備

萬(wàn)啟東 王澤學(xué) 秦楊梅 樊森清 肖澤儀

摘 要：參與道路交通的行人會(huì)受車(chē)輛和其他快速移動(dòng)物體的威脅，且行人規(guī)避車(chē)輛撞擊傷害的方式幾乎都是被動(dòng)的。從行人的角度出發(fā)，提出了一種智能穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)，使行人可以對(duì)運(yùn)動(dòng)車(chē)輛或物體的撞擊做出早期預(yù)警，主動(dòng)規(guī)避撞擊傷害的風(fēng)險(xiǎn)。該智能穿戴設(shè)備采用毫米波雷達(dá)傳感器測(cè)得移動(dòng)物體的各種物理參數(shù)，通過(guò)STM32藍(lán)牙系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至APP進(jìn)行安全算法運(yùn)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)撞擊風(fēng)險(xiǎn)做出評(píng)估并向穿戴者進(jìn)行早期預(yù)警。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)安全預(yù)警;智能穿戴設(shè)備;毫米波雷達(dá);藍(lán)牙通信;STM32;APP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.27億輛[1]，2018年全國(guó)道路交通事故死亡人數(shù)為63 194人[2-3]，其中汽車(chē)對(duì)行人造成的傷害占據(jù)很大比例，而行人中相當(dāng)比例的受害者是道路交通的從業(yè)人員，比如道路施工、維護(hù)、巡查、檢測(cè)人員，交通運(yùn)輸秩序和法規(guī)的檢查執(zhí)法人員等。一般而言，固定的道路設(shè)施中為行人設(shè)置了紅綠燈、斑馬線、人行道等;對(duì)于隨機(jī)出現(xiàn)的道路交通路面工作人員，有反光服、臨時(shí)警示標(biāo)示物等。這些設(shè)施或措施的基本特征是向機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員發(fā)出注意警示，使其能夠采取恰當(dāng)?shù)牟僮鱽?lái)避免對(duì)行人造成接觸或非接觸傷害，即主動(dòng)權(quán)都?xì)w屬于機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員，而行人則居于完全被動(dòng)的狀態(tài)。此外，當(dāng)前的智能穿戴設(shè)備基本集中在對(duì)穿戴者身體健康特征的檢測(cè)，比如通過(guò)瞬時(shí)心率判斷心臟脈搏的細(xì)微差別，從而衡量心臟及相關(guān)血管系統(tǒng)的健康狀態(tài)[4]。如果能構(gòu)造一種智能穿戴設(shè)備，具有可主動(dòng)探測(cè)和識(shí)別穿戴者附近道路上的運(yùn)動(dòng)車(chē)輛并評(píng)估其對(duì)自己可能造成的撞擊傷害風(fēng)險(xiǎn)，使自己獲得早期預(yù)警，則行人就可獲得規(guī)避車(chē)輛撞擊傷害的主動(dòng)權(quán)。

本文提出一種融合雷達(dá)傳感器模塊、藍(lán)牙傳輸模塊、報(bào)警模塊和安全算法的可主動(dòng)探測(cè)和識(shí)別危險(xiǎn)并報(bào)警的智能可穿戴設(shè)備。

雷達(dá)傳感器可主動(dòng)探測(cè)移動(dòng)物體的距離和速度等參數(shù);藍(lán)牙模塊可將參數(shù)傳輸至APP，APP結(jié)合內(nèi)置安全算法判定該參數(shù)的綜合效應(yīng)是否會(huì)對(duì)參與道路交通人員造成危險(xiǎn)，并輸出特定值決定是否報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)的預(yù)知和判斷，使穿戴者可以主動(dòng)進(jìn)行有效規(guī)避。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括四個(gè)模塊，分別為內(nèi)置于穿戴設(shè)備的毫米波雷達(dá)模塊，傳輸雷達(dá)數(shù)據(jù)的藍(lán)牙模塊，內(nèi)置于手機(jī)的APP，以及內(nèi)置于穿戴設(shè)備的報(bào)警模塊。將藍(lán)牙模塊配置為STA模式后，智能穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)即可與手機(jī)APP連接，實(shí)現(xiàn)信息交互。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括4個(gè)重要組成部分，以下簡(jiǎn)單介紹它們的基本屬性和設(shè)計(jì)考慮。

（1）主控板：基于具備高性能、高容量STM32F103 ZET6MCU芯片的核心控制板，使用高性能、低成本、低功耗的嵌入式Cortex-M3內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸和警報(bào)響應(yīng)。

（2）電源模塊：STM32核心控制板工作電壓為3.3～5.0 V，在實(shí)際研究控制中，可通過(guò)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供CPU所需的1.8 V電源。當(dāng)主電源掉電后，通過(guò)Vbat（電池電壓）腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和備份寄存器提供電源。后續(xù)使用的藍(lán)牙模塊的電源管腳電壓范圍亦在3.3～5.0 V之間，可以很方便地實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信。

（3）RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘：RTC是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，提供內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。

（4）蜂鳴器模塊：采用有源式蜂鳴器，即電磁式蜂鳴器，由直流電壓供電。接通3.3 V電源后，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下周期性振動(dòng)，蜂鳴器發(fā)聲。電源接通的響應(yīng)來(lái)自手機(jī)APP在通過(guò)安全算法的運(yùn)算后發(fā)送出的早期預(yù)警信號(hào)。

1.2 雷達(dá)傳感器和藍(lán)牙

1.2.1 毫米波雷達(dá)模塊

CAR28F毫米波雷達(dá)擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、基帶處理設(shè)計(jì)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作于24 GHz ISM波段，通信速率為500 Kb/s，可對(duì)周?chē)?0 m距離范圍內(nèi)的移動(dòng)物體進(jìn)行探測(cè)，并獲得距離、速度和角度等參數(shù)，每隔200 ms刷新一次，目標(biāo)數(shù)據(jù)將以十六進(jìn)制形式經(jīng)USBCAN適配器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

1.2.2 藍(lán)牙模塊

毫米波雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換后進(jìn)入STM32主控板，此時(shí)與手機(jī)APP或藍(lán)牙串口助手配對(duì)完成的藍(lán)牙模塊將把數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP或藍(lán)牙串口助手，預(yù)置安全算法的手機(jī)APP將通過(guò)算法判斷該組數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生危險(xiǎn)信號(hào)，并將運(yùn)算值通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至STM32主控板，與此同時(shí)，藍(lán)牙串口助手也會(huì)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)。

2 數(shù)據(jù)傳輸

2.1 雷達(dá)與STM32的通信

毫米波雷達(dá)接口輸出的信號(hào)為十六進(jìn)制形式，包括距離、速度和方位角數(shù)據(jù)。毫米波雷達(dá)與STM32接口均采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)接口，如圖2所示。2，3和5針腳分別代表接收數(shù)據(jù)（RXD）、發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）和信號(hào)接地（GND），STM32的USART包含TTL電平的串口和RS 232電平的串口，使用公對(duì)公直連的RS 232數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和STM32的通信。

雷達(dá)和STM32采用串行異步全雙工通信，串行通信較并行通信具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，異步通信設(shè)備要求簡(jiǎn)單、成本低，全雙工通信可以同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，提高通信效率。

2.2 藍(lán)牙和APP通信

由于STM32無(wú)法支持藍(lán)牙功能，因此借助串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊可以使STM32具備藍(lán)牙通信功能。調(diào)試程序，將藍(lán)牙模塊的串口波特率和STM32的串口波特率設(shè)置為同一數(shù)值，STM32從雷達(dá)接收到的數(shù)據(jù)可通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，STM32串口的初始化流程如圖3所示。

同時(shí)，作為接收端的手機(jī)APP選用Android操作系統(tǒng)，支持藍(lán)牙傳輸協(xié)議。本機(jī)使用的Android 7.0提供了BlueZ的RFCOMM協(xié)議封裝，利用該協(xié)議可完成Android設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備之間的串口通信[5]，藍(lán)牙通信流程如圖4所示。