基于Arduino 的碰撞報(bào)警與監(jiān)測(cè)智能頭盔

陳楚婷，黎靜雯，梁仲良，施嘉柱

（東莞理工學(xué)校，廣東 東莞 523470）

1 概述

“一盔一帶”安全守護(hù)行動(dòng)在全國(guó)開展。從頭盔價(jià)格到頭盔原材料的價(jià)格都水漲船高，而與之相對(duì)的，是頭盔質(zhì)量的層次和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，市場(chǎng)上出現(xiàn)頭盔亂象。另外，發(fā)生交通事故肇事逃逸至人死亡的事時(shí)有發(fā)生，我們強(qiáng)烈譴責(zé)、抨擊肇事逃逸者，同時(shí)也讓我們思考如何才能及時(shí)救助在交通事故中受傷的人，于是有了研發(fā)“基于Arduino 的碰撞報(bào)警與監(jiān)測(cè)頭盔”這一產(chǎn)品的想法，希望群眾佩戴有質(zhì)量保證的安全頭盔，保護(hù)生命安全。

2 總體設(shè)計(jì)

（1）采取太陽能充電的方式，遵循節(jié)能環(huán)保原則。只要能獲得光照，就可以使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能資源取之不盡，用之不竭，不污染空氣。使用壽命長(zhǎng)，太陽電池組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕，便于運(yùn)輸和安裝，建設(shè)周期短。（2）在硬件設(shè)計(jì)上，采用了集成化模塊，不斷改進(jìn)縮小使用空間，安裝最合適的位置，既做到不影響頭盔的使用，也可以接收采集到數(shù)據(jù)。（3）戴上頭盔駕駛者在發(fā)生交通事故后，我們頭盔第一時(shí)間自動(dòng)檢測(cè)駕駛者是否被碰撞，進(jìn)行分析計(jì)算顯示收發(fā)數(shù)據(jù)。（4）當(dāng)檢測(cè)到駕駛者被碰撞后，該智能頭盔會(huì)發(fā)送信息到手機(jī)，手機(jī)APP 通過高德地圖網(wǎng)頁獲取位置，給原先我們?cè)谳斎肟蛑刑顚懙脑捥?hào)碼（緊急聯(lián)系人）發(fā)送短信，讓緊急聯(lián)系人知道駕駛者發(fā)生碰撞事故的位置。（5）在駕駛者確認(rèn)被撞后，頭盔實(shí)時(shí)采集駕駛員的溫度與脈搏心率，并且獲取當(dāng)前位置到手機(jī)APP 上，讓緊急聯(lián)系人可以了解駕駛者被撞后當(dāng)前情況，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。功能介紹圖見圖1。

圖1 功能介紹圖

3 硬件設(shè)計(jì)

（1）Arduino 單片機(jī)：Arduino 更傾向于創(chuàng)意，它弱化了具體的硬件的操作，它的函數(shù)和語法都非常簡(jiǎn)單。因此，Arduino 在創(chuàng)客的世界是一個(gè)非常方便輕松實(shí)現(xiàn)“想法”的神器。Arduino 可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。Arduino 項(xiàng)目可以是單獨(dú)的，也可以在運(yùn)行時(shí)和電腦中運(yùn)行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）進(jìn)行通訊。Arduino 代碼是開源的。因此，我們使用Arduino UNO R3 作為主模塊編程，控制方向與速度的集成模塊（MPU6050，6 軸陀螺儀模塊），溫度傳感器模塊，心脈傳感器模塊和藍(lán)牙模塊，同時(shí)借助APP invento 這個(gè)平臺(tái)編寫手機(jī)軟件。（2）藍(lán)牙模塊：用于短距離無線通訊，按功能分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語音模塊。之所以選擇藍(lán)牙模塊兩個(gè)原因：a.在產(chǎn)品功耗來說藍(lán)牙＜WiFi＜GSM;b. 在通信產(chǎn)生的額外費(fèi)用藍(lán)牙=WiFi＜GSM。綜合這兩個(gè)因素選擇藍(lán)牙模塊。（3）充電模塊：設(shè)計(jì)該部分電路的初衷是為了減少日常充電的次數(shù)、節(jié)能環(huán)保、綠色出行的目的。該部分電路采用了太陽能板、太陽能升壓模塊、鋰電池充放電模塊和鋰電池。通過各個(gè)模塊之間的應(yīng)用配合，即可充分利用了太陽光的能量，從而達(dá)到很大程度上減少使用者對(duì)其充電的次數(shù)，甚至可源源不斷的供電給智能頭盔。（4）加速度陀螺儀傳感器：加速度陀螺儀傳感器將方向與速度集成在一個(gè)模塊上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳2（作為中斷觸發(fā)），引腳A4 和A5 作為模擬輸入端用于Arduino 主模塊讀取當(dāng)前速度和角度。（5）人體測(cè)溫傳感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳3，進(jìn)行讀取實(shí)際數(shù)值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，將讀到的模擬量轉(zhuǎn)換，從而顯示。（6）脈搏心率傳感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳4 進(jìn)行讀取實(shí)際數(shù)值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式。

4 工作流程

該產(chǎn)品用Arduino UNO R3 來作為控制核心，通過對(duì)加速度陀螺儀傳感器、人體溫度傳感器、脈搏心率傳感器對(duì)產(chǎn)品使用者相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集（產(chǎn)品使用者發(fā)生碰撞時(shí)的加速度變化數(shù)據(jù)、碰撞后的溫度和脈搏心率數(shù)據(jù)），采集到產(chǎn)品使用者的數(shù)據(jù)后，通過藍(lán)牙模塊向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在手機(jī)端開發(fā)了相對(duì)應(yīng)的APP 負(fù)責(zé)解析產(chǎn)品上傳的數(shù)據(jù)，并在APP 界面顯示數(shù)據(jù)解析后的產(chǎn)品使用者狀態(tài)（體溫、脈搏心率、事發(fā)位置），同時(shí)發(fā)信息告知緊急聯(lián)系人，我們產(chǎn)品采用鋰電池供電，對(duì)鋰電池充電方式除了用線直接沖電，還可以利用太陽能充電。

圖2 硬件框圖

加速度陀螺儀傳感器將方向與速度集成在一個(gè)模塊上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳2（作為中斷觸發(fā)），引腳A4 和A5 作為模擬輸入端用于Arduino 主模塊讀取當(dāng)前速度和角度（默認(rèn)使用A4，A5），MPU6050傳感器，6 軸分為兩部分，一部分是 3 軸的 x，y，z 方向，另一部分的3 軸分為x，y，z 移動(dòng)速度（一個(gè)時(shí)間里點(diǎn)到點(diǎn)的移動(dòng)速度），方向與速度傳感器作用：當(dāng)頭盔帶上后，Arduino UNO R3 的程序初始化，先進(jìn)行檢查一遍（使用了accelgyro.getMotion6 和map 指令來顯示數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換相應(yīng)數(shù)值范圍），再每隔0.5s 都進(jìn)行檢查并且向手機(jī)發(fā)送現(xiàn)在信息是否正常，如果出現(xiàn)碰撞，主模塊設(shè)定了相關(guān)值，速度達(dá)到且突然停下，判斷為撞車，進(jìn)行對(duì)手機(jī)發(fā)送相關(guān)信息（mySerial.println（“1”）向手機(jī)發(fā)送一個(gè) 1），同時(shí)啟動(dòng)相關(guān)傳感器檢查（這個(gè)時(shí)候Arduino UNO R3 主板的7腳（Kongzhi）為高電平，傳感器電源接通進(jìn)行工作）。如果失去平衡時(shí)間還沒有回到正常坐標(biāo)點(diǎn)的范圍，判斷為摔跤，同樣對(duì)手機(jī)進(jìn)行發(fā)送相關(guān)信息（mySerial.println（“2”）向手機(jī)發(fā)送一個(gè)2）；另外上面兩個(gè)條件同時(shí)成立，程序判斷為嚴(yán)重撞車，對(duì)手機(jī)進(jìn)行發(fā)送相關(guān)信息。

藍(lán)牙模塊在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳8 和引腳9 作為讀和寫（使用SoftwareSerial mySerial（9，10）指令定義）;用于與手機(jī)通訊，首先要設(shè)置好波特率與手機(jī)匹配（指令：Serial.begin（9600）;和 mySerial.begin（9600）;設(shè)置通訊都是 9600 波特率），連接 ID 和密碼（默認(rèn)SPP-CA 密碼1234，需要使用TTL 改變參數(shù)），藍(lán)牙模塊作用是，將主模塊Arduino UNO R3 要發(fā)送或者接受的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成，再發(fā)送到手機(jī)，或者接受到數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，從而做到了通訊正常配對(duì)（讀取指令Serial.read（），發(fā)送手機(jī)指令mySerial.println（），串口讀取指令Serial.println（））。

溫度傳感器在Arduino UNO R3的程序中使用了引腳3（溫度傳感器，程序名稱定義為Tiwen），進(jìn)行讀取實(shí)際數(shù)值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，將讀到的模擬量轉(zhuǎn)換，從而顯示出我們?nèi)粘？吹降闹?。溫度傳感器作用是，帶上頭盔每隔一段時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)人體，對(duì)比數(shù)據(jù)是否正常，然后通過主模塊的 9，10 腳（RX 讀，TX 寫），使用藍(lán)牙進(jìn)行與手機(jī)通訊，然后發(fā)送到手機(jī)。

脈搏心率傳感器在Arduino UNO R3 的程序中使用了引腳4（心脈傳感器，程序名稱定義為Xinmai）進(jìn)行讀取實(shí)際數(shù)值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 輸出方式，心脈傳感器作用是，每一次帶上頭盔（程序啟動(dòng)），或者程序條件成立（如方向不正確，速度到達(dá)一定程度后突然停止等），都會(huì)用一分鐘進(jìn)行測(cè)試是否正常，都通過主模塊的藍(lán)牙，進(jìn)行發(fā)送到手機(jī)上。

我們使用APP inventor 編寫手機(jī)軟件：使用了我們自己的標(biāo)簽圖標(biāo)，用按鍵作為藍(lán)牙的通斷，并且顯示，使用了標(biāo)簽作為當(dāng)前速度，便宜角度，人體溫度，脈搏速率，緊急聯(lián)系人電話，當(dāng)前位置以及顯示文字，在緊急聯(lián)系人電話中，使用多一個(gè)輸入框，方便給予家人發(fā)送短信/電話。

圖3 初始化界面圖

圖4 短信界面

要使用藍(lán)牙通訊在這里要藍(lán)牙客戶端（也可以作為服務(wù)器）用于與Arduino UNO R3 通信，收發(fā)代碼。首先是否連接成功。藍(lán)牙連接成功會(huì)提示連接成功，不成功會(huì)提示藍(lán)牙連接失敗，點(diǎn)擊斷開，顯示藍(lán)牙斷開連接。當(dāng)藍(lán)牙連接成功后，就可以行讀取Arduino UNO R3 的信息。計(jì)時(shí)器用于每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)操作（如，當(dāng)前的速度是否正常），防止只讀一次數(shù)據(jù)，或者無限讀取數(shù)據(jù)。

位置傳感器和web 客戶端：用于打開高德地圖（在web 客戶端先設(shè)定好 https：//www.amap.com/網(wǎng)址）和定位（要通過高德地圖開發(fā)平臺(tái)認(rèn)可的代碼才可使用，通過地圖的緯度計(jì)算，求出所在位置，在這個(gè)過程中，首先get是否成立，成立后，需要使用編碼器，獲取通道，請(qǐng)求獲取相關(guān)文本內(nèi)容，進(jìn)行挑選等，最終獲取需要內(nèi)容的文字），獲取相關(guān)字節(jié)轉(zhuǎn)換成文本，再進(jìn)行保存。

短信：當(dāng)Arduino UNO R3 發(fā)送的信息是1 和4 時(shí)，通過輸入框填寫到的電話號(hào)碼，然后獲取輸入框的文本進(jìn)行發(fā)送相關(guān)短信（假設(shè)Arduino UNO R3 發(fā)送的信息是1，APP inventor 設(shè)為普通碰車，先讀取輸入框所輸入的電話號(hào)碼，再進(jìn)行發(fā)送到這個(gè)號(hào)碼上，內(nèi)容為：“我撞車了需要求助”并且發(fā)送所獲取的地理位置。同樣，如果Arduino UNO R3 發(fā)送的信息是 4 時(shí)，Arduino 的引腳 7接通，此刻APP inventor 認(rèn)為嚴(yán)重事故，發(fā)送“我撞車了需要求助”發(fā)送所獲取的地理位置，當(dāng)前體溫；一分鐘后，再次發(fā)送同樣的信息，且多了個(gè)脈搏速率多少）。

5 結(jié)束語

“一盔一帶”相關(guān)政策宣傳期間，多地的交警公安部門，開展“一盔一帶”宣傳送頭盔活動(dòng)，活動(dòng)期間遵守交通規(guī)則的、了解“一盔一帶”相關(guān)政策的騎行市民均可得到免費(fèi)獲贈(zèng)頭盔。而違反“一盔一帶”相關(guān)政策的市民，在接受批評(píng)教育之后，也可得到頭盔。

頭盔對(duì)頭部有非常好的保護(hù)作用，而該產(chǎn)品不僅具有安全頭盔的保護(hù)功能，還能檢測(cè)產(chǎn)品使用者在行駛過程中是否發(fā)生碰撞（交通事故）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者的溫度和脈搏心率情況。并且當(dāng)產(chǎn)品使用者發(fā)生事故后，該頭盔將會(huì)通過藍(lán)牙連接手機(jī)，發(fā)送短信提醒緊急聯(lián)系人，緊急聯(lián)系人在APP 上可以知道駕駛者的定位和實(shí)時(shí)的身體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

我們可以向政府部分宣傳推廣我們的產(chǎn)品，聯(lián)合行業(yè)主管部門、行業(yè)協(xié)會(huì)推廣“買電動(dòng)自行車送頭盔”“買保險(xiǎn)送頭盔”模式等，參與社會(huì)公益、公益捐助等活動(dòng)，讓更多人可以使用我們的產(chǎn)品。政企合作，推進(jìn)頭盔新業(yè)態(tài)有序發(fā)展。希望“基于Arduino 的碰撞報(bào)警與監(jiān)測(cè)智能頭盔”能為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，樹立良好的品牌形象和先進(jìn)的示范效應(yīng)。