智能騎行頭盔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃琪瑤 等

張弛? 陳榆章? 伍華琎? 羅裕烜? 李林靜

摘? 要：數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為現(xiàn)代人生活中不可或缺的一部分。數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級已經(jīng)成為騎行裝備發(fā)展的必然趨勢，尤其是在國家“一盔一帶”政策的要求下，頭盔成為騎行者的必需品。該項(xiàng)目以出行頭盔為切入點(diǎn)，布局“騎行裝備”產(chǎn)業(yè)，通過物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、APP和周邊商圈，實(shí)現(xiàn)頭盔實(shí)時(shí)定位、SOS緊急求救、導(dǎo)航、自動(dòng)亮起轉(zhuǎn)向燈等功能。APP平臺提供頭盔管理、家長模式、騎行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、活動(dòng)推薦和俱樂部建設(shè)等支持。另外，生活圈通過招募有資質(zhì)的商家入駐，聯(lián)合周邊商圈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展和數(shù)據(jù)共享，讓“數(shù)據(jù)流”形成“價(jià)值流”，打造騎行周邊的平臺經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)智能騎行多彩生活圈生態(tài)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字經(jīng)濟(jì)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型；騎行裝備；智能騎行；APP平臺

中圖分類號：TP311.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）24-0029-04

Design and Implementation of an Intelligent Riding Helmet System

HUANG Qiyao， ZHANG Chi， CHEN Yuzhang， WU Huajin， LUO Yuxuan， LI Linjing

（College of Electrical and Information Engineering， Quzhou University， Quzhou? 324000， China）

Abstract： The digital economy has become an indispensable part of modern people's lives. Digital transformation and upgrading has become an inevitable trend of cycling equipment development. Especially under the requirements of the national “One Helmet One Belt” policy， the helmets have become a necessity for cyclists. The project takes the travel helmet as the starting point， and lays out the “riding equipment” industry. Through the Internet of Things， cloud services， APP and surrounding business circles， it realizes the functions of helmet real-time positioning， SOS emergency rescue， navigation and automatic lighting of turn signal. The APP platform provides support for helmet management， parental mode， cycling data statistics， event recommendations and club construction. In addition， the life circle recruits qualified merchants to settle in， collaborates with surrounding business circles， achieves industrial coordinated development and data sharing， forms a “value stream” from the “data stream”， creates a platform economy for cycling around， and realizes a colorful life circle ecosystem for intelligent cycling.

Keywords： digital economy; digital transformation; cycling equipment; intelligent cycling; APP platform

0? 引? 言

隨著人們對健康和環(huán)保意識的提高，騎行成為一種受歡迎的運(yùn)動(dòng)方式。在國家“一盔一帶” 政策的要求下，頭盔成為騎行者的必需品。然而騎行中存在一些問題和挑戰(zhàn)，如定位不準(zhǔn)確、鏡片容易生霧、強(qiáng)光影響和夜間騎行安全等。同時(shí)，騎手在騎行過程中也需要解決一些實(shí)際問題，如查找本地騎行線路和俱樂部、挑選適合自己的騎行裝備等。為了解決這些問題和挑戰(zhàn)，項(xiàng)目對現(xiàn)有的頭盔進(jìn)行智能化升級。通過科技賦能頭盔，以物聯(lián)網(wǎng)為核心，結(jié)合云服務(wù)、APP與周邊商圈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，打造騎行周邊的平臺經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)智能騎行多彩生活圈生態(tài)。

1? 項(xiàng)目介紹

項(xiàng)目以騎行頭盔為中心，梳理騎行者、優(yōu)質(zhì)商家、頭盔應(yīng)用管理、兒童安全騎行的數(shù)據(jù)流，搭建這些用戶數(shù)據(jù)流共享平臺，該平臺實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊如圖1所示。在該平臺，將EPS32芯片為核心，在其中加入語音識別和北斗、GPS雙模精確定位，解決專業(yè)或日常生活中的騎行需求，通過圖文推送滿足專業(yè)騎行活動(dòng)的發(fā)起和宣傳需求，運(yùn)用家長模式掌握兒童騎行的安全狀態(tài)及位置定位信息，防范頭盔失竊。同時(shí)APP平臺在頭盔管理、家長模式、騎行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、活動(dòng)推薦、組建俱樂部等方面提供支撐。通過招募有資質(zhì)、有品牌的商家入住，聯(lián)合周邊商圈，讓“數(shù)據(jù)流”形成“價(jià)值流”，打造騎行周邊的平臺經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字健康生態(tài)家園。

該系統(tǒng)的主要功能模塊包括：

1）設(shè)備管理。該系統(tǒng)支持連接和配對藍(lán)牙設(shè)備，如節(jié)奏傳感器、速度傳感器心率監(jiān)測器等。它可以顯示電池電量和信號狀態(tài)，并允許用戶使用屏幕觸摸或按鈕進(jìn)行操作。

2）騎行模式。在該模式下，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示車速、里程、時(shí)間和海拔高度。它不僅記錄最近騎行路線和里程，還允許用戶自定義設(shè)置，例如單位和聲音提示。

3）導(dǎo)航模式。導(dǎo)航模式可以提供實(shí)時(shí)地圖和導(dǎo)航指示，顯示目的地距離和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，并提供多種路徑選項(xiàng)。它還可以兼容其他導(dǎo)航應(yīng)用程序。

4）團(tuán)隊(duì)騎行。系統(tǒng)支持創(chuàng)建和團(tuán)隊(duì)組建，可視化和管理你的隊(duì)員、分享位置和消息并記錄你的團(tuán)隊(duì)歷史和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

5）社交功能。社交功能包括分享照片和視頻、記錄騎行歷史和旅途、查看好友的信息和活動(dòng)以及添加評論和點(diǎn)贊。

6）SOS緊急呼叫：SOS緊急呼叫是一項(xiàng)重要的安全功能，可以讓用戶在緊急情況下快速尋求幫助。這個(gè)功能可以向緊急聯(lián)系人發(fā)送位置信息和求救信號，激活警報(bào)并通知當(dāng)?shù)貞?yīng)急服務(wù)。

7）附近信息。附近信息可以顯示周邊商家、餐館和景點(diǎn)信息，提供用戶評分和評論以及導(dǎo)航到目的地的選項(xiàng)。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

這款智能頭盔采用ESP32作為主控芯片，并集成語音識別、GPS導(dǎo)航和LED燈光等多種功能。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，項(xiàng)目基于Arduino框架，使用Vscode+PlatformIO開發(fā)，使用ESP32接入百度云實(shí)現(xiàn)在線語音識別。同時(shí)配有GPS/北斗雙模定位、咪頭麥克風(fēng)和LED燈光模塊等。智能頭盔實(shí)現(xiàn)在線語音交互，當(dāng)用戶掃碼注冊錄入用戶信息后，登錄APP，開啟藍(lán)牙，將智能頭盔與手機(jī)綁定，錄用喚醒詞。下面分別介紹在線語音識別、語音控制LED轉(zhuǎn)向燈、APP的實(shí)現(xiàn)。

2.1? 基于百度云的在線語音識別

百度云對語音識別的步驟主要包括：

1）在百度云控制端選擇“語音識別”并創(chuàng)建應(yīng)用獲取API Key和Secret Key。

2）根據(jù)創(chuàng)建應(yīng)用生成的API Key和Secret Key來獲取token。

3）采集音頻數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包成規(guī)定的格式，POST發(fā)送到請求API。

4）接收返回的數(shù)據(jù)。

當(dāng)手機(jī)與頭盔藍(lán)牙連接成功后，麥克風(fēng)隨時(shí)采集周圍聲源信息，用戶通過自己的本地語音喚醒WakeNet如喚醒詞“小智”喚醒手機(jī)，開啟語音交互。在ESP32被喚醒后就開始錄音，通過VAD音量檢測，判斷用戶是否在講話，若講話停止或達(dá)到錄音最大時(shí)間則停止錄音，將錄音數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化語音降噪處理，處理后的音頻文件通過HTTP請求發(fā)送到百度云實(shí)時(shí)語音識別接口，調(diào)用接口函數(shù)進(jìn)行語音識別，返回語音識別的文本后，還需要對文本進(jìn)行語義分析，提取文本中關(guān)鍵詞，得到執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)語音交互。其語音識別的流程如圖2所示。

圖2? 基于百度云的在線語音識別流程

2.2? 語音控制頭盔LED左右轉(zhuǎn)向燈

語音控制LED左右轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中，當(dāng)語音輸入后，聲音信號由話筒轉(zhuǎn)化為電信號輸送給語音芯片，經(jīng)過芯片識別后將指令傳送給單片機(jī)，控制單片機(jī)三個(gè)I/0端口輸出高低兩種電平，三路放大后的電平信號傳送給各個(gè)恒流源電路，分別控制燈光的開斷，實(shí)現(xiàn)語音控制恒流LED燈的開關(guān)，來達(dá)到顯示轉(zhuǎn)向和提醒他人作用。

圖3? 語音識別LED左右轉(zhuǎn)向燈

2.3? APP的實(shí)現(xiàn)

該騎行APP提供騎行、功能、發(fā)現(xiàn)和我的四個(gè)主要導(dǎo)航功能，如圖4所示。

（a）騎行主界面? ? ? ? ? （b）功能界面

（c）發(fā)現(xiàn)查詢界面? ? ? ?（d）用戶信息界面

圖4? 騎行應(yīng)用程序的主要頁面

在圖4（a）中，主要包括添加頭盔、騎行和騎行數(shù)據(jù)3個(gè)模塊，首先利用藍(lán)牙技術(shù)，將智能頭盔與手機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)語音操控手機(jī)。其次，在騎行模塊是它允許用戶記錄他們的騎行路線和時(shí)間，并提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和語音助手功能。這個(gè)模塊可以幫助騎手輕松地規(guī)劃自己的騎行路線，從而在騎行中獲得更好的體驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和語音助手功能也可以幫助騎手更加安全地騎行，避免危險(xiǎn)和意外發(fā)生；最后，騎行數(shù)據(jù)模塊則旨在統(tǒng)計(jì)騎手的騎行數(shù)據(jù)，直觀地展現(xiàn)出展示騎手的騎行歷程、騎行速度、消耗能量等數(shù)據(jù)，騎行數(shù)據(jù)模塊可以幫助用戶更好地了解自己的健康狀況和騎行表現(xiàn)。

在圖4（b）中，設(shè)備管理模塊可以讓騎手查看和管理自己的騎行設(shè)備，包括電動(dòng)車、自行車等。用戶可以在該模塊中綁定設(shè)備、修改設(shè)備信息、查看設(shè)備狀態(tài)等，并隨時(shí)掌握自己設(shè)備的使用情況；設(shè)備搜索模塊允許用戶搜索周圍的騎行設(shè)備，包括共享單車、電動(dòng)車租賃等不同類型的設(shè)備。用戶可以通過地圖或搜索功能快速找到周圍的設(shè)備，并了解其位置、狀態(tài)和使用說明；語音助手模塊為騎手提供便捷的語音交互功能，騎手可以通過語音輸入指令，如“導(dǎo)航到某個(gè)地方”“播放音樂”等，來實(shí)現(xiàn)各種操作，提高騎行的安全性和便利性；家長模式則是針對青少年騎手推出的一項(xiàng)功能，在該模式下，家長可以遠(yuǎn)程了解孩子的騎行位置和行駛記錄，以保證孩子的騎行安全；騎行界面模塊則是提供一個(gè)專門的騎行UI界面，包括速度、里程、時(shí)間、海拔高度等多項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，方便騎手隨時(shí)查看自己的騎行狀態(tài)和表現(xiàn)；導(dǎo)航模式則是針對騎手出行所需推出的一項(xiàng)導(dǎo)航功能，用戶可以輸入目的地或通過語音助手進(jìn)行導(dǎo)航，系統(tǒng)將為用戶規(guī)劃最優(yōu)路線，并提供詳細(xì)的導(dǎo)航指引；附近騎行模塊可以讓用戶查找周圍的騎行路線和景點(diǎn)，比如山區(qū)、公園、梯田等不同類型的景點(diǎn)，幫助騎手發(fā)現(xiàn)更多的騎行體驗(yàn)和樂趣；緊急呼叫模塊則是為騎手提供一個(gè)緊急情況下求救平臺，當(dāng)遇到危險(xiǎn)或意外事件時(shí)，騎手可以通過該功能向社區(qū)呼叫求救，得到及時(shí)的支援和幫助。

在圖4（c）中，商業(yè)圈是騎手們了解周圍商業(yè)設(shè)施和服務(wù)的重要途徑。通過該功能，用戶可以輕松查詢到周圍的商鋪、餐廳、咖啡館、便利店等各種商業(yè)設(shè)施，并查看它們的詳細(xì)信息，比如地址、營業(yè)時(shí)間、評價(jià)等。此外，商業(yè)圈也可以提供促銷信息、優(yōu)惠券等福利活動(dòng)，讓用戶更方便地享受周邊服務(wù)；活動(dòng)推薦則是為用戶推薦適合他們的騎行活動(dòng)。除了常規(guī)的騎行路線推薦外，該功能還可以根據(jù)用戶的興趣愛好、體能水平等個(gè)人因素，建議一些定制化的活動(dòng)，如休閑騎行、山地越野、夜間探險(xiǎn)等不同主題的騎行活動(dòng)。同時(shí)，活動(dòng)推薦還可以告知用戶當(dāng)前熱門的騎行活動(dòng)，以及參加這些活動(dòng)所需的注意事項(xiàng)和報(bào)名方式等；俱樂部功能則是一個(gè)社區(qū)交流平臺，允許用戶與其他騎手交流和分享經(jīng)驗(yàn)。用戶可以在俱樂部內(nèi)發(fā)布自己的騎行心得、經(jīng)驗(yàn)分享、問題求助等帖子，與志同道合的騎手共同探討騎行技巧和相關(guān)話題。俱樂部還可以組織線下活動(dòng)、比賽等集體活動(dòng)，增進(jìn)騎手之間的溝通和交流，豐富用戶的騎行體驗(yàn)。

在圖4（d）中，用戶信息模塊是用戶在注冊時(shí)填寫的個(gè)人資料，包括姓名、性別、年齡、身高、體重等基本信息。用戶可以隨時(shí)修改自己的個(gè)人資料，以保證其準(zhǔn)確性和完整性；照片模塊允許用戶上傳并管理自己的個(gè)人照片，包括騎行照片和生活照片等。用戶可以創(chuàng)建自己的相冊，并將照片分享到社交媒體上，與朋友們分享自己的騎行體驗(yàn)和趣事；騎行圈子則是一個(gè)社交功能，允許用戶加入不同的騎行圈子，如山地車騎行、公路車騎行、城市單車騎行等不同類型的騎行圈子。用戶可以在圈子內(nèi)發(fā)帖、評論、點(diǎn)贊等，與志同道合的騎手進(jìn)行交流和互動(dòng)；騎行日記功能允許用戶記錄自己的騎行經(jīng)歷和感受，包括騎行時(shí)間、里程、速度、消耗卡路里等各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)。用戶可以根據(jù)自己的需要選擇是否公開日記內(nèi)容，并隨時(shí)查看自己的騎行歷史和成長軌跡；騎行軌跡功能可以記錄用戶的騎行軌跡，并在地圖上展示出來。用戶可以查看自己的騎行路徑、速度和海拔等信息，并與其他用戶分享自己的騎行軌跡，以獲取更多的騎行建議和體驗(yàn)；設(shè)置模塊包括用戶賬戶的安全設(shè)置、通知設(shè)置、隱私設(shè)置等各項(xiàng)設(shè)置內(nèi)容。用戶可以根據(jù)自己的需求和喜好進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，保障自己的賬戶和信息安全，并獲得最佳的使用體驗(yàn)。

3? 結(jié)? 論

頭盔的智能化不僅提升了頭盔行業(yè)專業(yè)度和便捷性，也提升了頭盔的品牌影響力。建立的智能數(shù)字健康生態(tài)騎行生活圈，不僅保障騎手的行車安全，也給騎手提供了一個(gè)良好的生活服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了讓用戶“行得安全、吃得放心、住得舒心”，是市民工作、休閑、生活、娛樂、運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中不可或缺的伙伴。

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作者簡介：黃琪瑤（2002—），女，漢族，浙江慈溪人，本科在讀，研究方向：智能信息處理；通訊作者：李林靜（1976—），女，漢族，四川遂寧人，副教授，碩士研究生，研究方向：智能信息處理。