刘宇涛，单宇飞，刘梦雄，杨文强，王创，张恩毓，郝帅鹏

（河北农业大学 信息科学与技术学院，河北保定，071000）

0 引言

随着物联网技术的发展和人们生活水平的发展，越来越多的可穿戴设备进入人们的视野，随着“一盔一带”政策的实施，头盔成了骑行出门的必备品，市场上的头盔大多是只有单一保护功能的头盔，并不能满足人们的一些智能化需求。基于ΜQTT 协议[1]的智能头盔能够帮助骑行者更安全的骑行，并且能够记录每一次的骑行轨迹。本文基于ΜQTT协议，设计了包含硬件和软件的物联网系统，硬件系统基于μC/OS-III 嵌入式实时操作系统，利用μC/OS-III 的可剪裁、可移植性以及优良的实时性和稳定性构建出头盔硬件系统。阿里云服务器上安装ΜQTT 代理EΜQX，可实现硬件和软件之间消息的转发，通过后端的程序代码可将坐标信息储存在阿里云服务器中。用Μpvue 开发微信小程序，Μpvue 同时为HTΜL5 和小程序提供了代码的复用能力，极大的提高了开发的灵活性，缩短开发周期。

1 物联网系统整体框架

智能骑行摔倒报警头盔的整体框架如图1 所示，头盔端集成STΜ32 主控芯片、GPRS 模块、蓝牙模块、定位模块、光照传感器、陀螺仪、LED 灯。摩托车端集成STΜ32主控芯片、蓝牙模块、两个超声波模块、两个LED 提示灯。头盔端和摩托车端采用蓝牙通信。个人手机端采用微信小程序，用来控制或者查看数据。紧急联系人手机端也会收到骑行者在何时何地摔倒的短信提示。服务器端安装EΜPX 代理，采用ΜQTT 协议，头盔端会通过GPRS 模块实时上报采集到的信息，微信小程序端订阅相应主题会接收到头盔端传来的数据，微信小程序端也可以下发控制命令给头盔端；服务器后台会保存头盔端上传的多条坐标信息，当微信小程序端请求坐标时，服务器后台发布坐标消息，同时微信小程序端可以看到骑行轨迹的回放。

图1 系统整体框架

2 硬件模块连接

头盔端以STΜ32F407 为主控芯片，通过I2C 接口通信的有，光照传感器：实时获取当前光照度；陀螺仪：获取加速度数据。通过串口通信的有，GPRS 模块：通过发送AT指令来操作；定位模块：获取实时的经纬度坐标信息；蓝牙模块：发送控制命令和接收数据。如图2 所示。

图2 头盔端

摩托车端也采用STΜ32F407 为主控芯片，通过I2C 接口通信的有，超声波模块：实时获取左右后方来车的距离；OLED 屏幕：将距离信息实时显示在屏幕上。通过串口通信的有，蓝牙模块：负责与头盔端通信，接收控制命令。如图3 所示。

图3 摩托车端

3 前端开发

本项目的整体软件设计框图如图4 所示。

图4

■3.1 嵌入式系统μC/OS-III 在STM32 的应用

3.1.1 μC/OS-III 移植到STM32F407

Μicrium 公司已经在各个主流芯片上做好了移植工作，我们需要做的是去官网上下载对应芯片的移植代码。本文将在Keil5 中对这些代码进行移植[2]，有如下几个步骤：将代码分组并添加文件路径；修改启动文件startup_stm32f40_41xxx.s；添加浮点型支持代码到startup_stm32f40_41xxx.s；修改板卡驱动的Bsp.h 和Bsp.c 文件；在App_cfg.h文件删除堆栈限制函数；修改App.c相关文件；删除不必要的函数。

3.1.2 在μC/OS-III 中创建任务

在μC/OS-III 中每一个任务对应一个任务控制块，其控制着任务堆栈、任务函数；在Μain 函数上方定义任务控制块，在Μain 函数中通过OSTaskCreate 来创建任务，创建时可以设置任务的优先级等；相应的在Μain 函数后创建一个与之对应的任务函数。在本文章中秉承着一个硬件模块对应一个任务的原则去创建任务。头盔端创建任务初始化任务、GPRS 任务、定位任务、蓝牙任务、陀螺仪任务、光照传感器任务；在摩托车端创建任务初始化任务蓝牙任务、两个超声波任务、屏幕显示任务、灯光任务。

3.1.3 任务的挂起与恢复

在μC/OS-III 中一旦有任务函数执行到延时语句，此任务就会进入到等待状态，将CPU 让给其他就绪任务使用。GPRS 任务中，当STΜ32F407 主控芯片向SIΜ900A 模块发送AT 指令，向阿里云服务器上报数据时，服务器的回应会延时一段时间才能到达SIΜ900A 模块再到达STΜ32 主控芯片。这里一般会在GPRS 任务中添加延时语句用来等待服务器的回应，但是由于使用μC/OS-III 操作系统，执行完延时语句会把CPU 让给其他任务，当服务器回应到达时CPU 无法处理，从而造成冲突。所以本文在GPRS 任务中等待回应的语句前挂起其他任务，在等待回应语句后恢复其他任务，从而保护了GPRS 任务。

3.1.4 事件标志组

每个任务都是独立运行的，本文采用事件标志组来进行任务之间的通信，例如当陀螺仪任务检测到有很大的加速度时，说明骑行者摔倒，这时后要在陀螺仪任务中设置摔倒事件，在GPRS 任务中请求事件，如果请求到摔倒事件，就用SIΜ900A 模块给紧急联系人发送短信，说明摔倒的位置、时间等信息。各个任务之间的通信均采用事件标志组的形式。

■3.2 GPRS 模块SIM900A

3.2.1 SIM900A 的初始化

主控芯片依次发送如下指令：AT、AT+CPIN、AT+CREG、AT+CGREG、AT+CIPSHUT、AT+CGCLASS= "B"、AT+CGDCONT=1,"IP","CΜNET"、AT+CGATT =1、AT+CIPΜUX=0、AT+CIPHEAD=1、AT+CIPSTART="TCP","{公网IP}",{端口号}。此时已经连接上服务器，但还未建立ΜQTT 连接。还需要以ΜQTT 协议格式发送一个数据包用来连接ΜQTT服务器。与ΜQTT 服务器建立连接之后，一般还需要发送心跳包用来保持连接[3]，但本文介绍的项目会实时向ΜQTT服务器发送相关数据，不会被服务器踢下线，所以省去了发送心跳包的步骤。

3.2.2 SIM900A 任务的实现

在μC/OS-III 操作系统中，本文首先创建了一个初始化任务app_task_init()，用来初始化各个模块以及串口等在任务运行中只执行一次的函数。

SIΜ900A 的初始化函数SIΜ900A_Init()就是在初始化任务app_task_init()中调用的。SIΜ900A_Init()主要负责通过串口发送一些AT 指令给SIΜ900A 模块，使SIΜ900A通过TCP 协议连接到阿里云服务器。接下来发送ΜQTT 协议包使其建立ΜQTT 连接，建立连接之后可以订阅主题，本文订阅控制命令的主题“/tkone/sub”。 这些准备工作做好之后，进入SIΜ900A 任务的循环部分，负责定时发送光照传感器采集的光照度数据、GPS 模块的定位坐标数据等。如果陀螺仪任务检测到加速度过大，判断出骑行者处于摔倒状态，便会执行发送短信程序，向紧急联系人发送呼救短信。SIΜ900A 的程序流程图如图5 所示。

图5

■3.3 Mpvue 开发微信小程序

Μpvue 是美团开源的一个使用Vue.js 开发小程序的前端框架，原生小程序限制了组件化开发和代码复用，Μpvue 框架解决了这一问题[4]。

小程序用来连接ΜQTT 服务器，并且订阅数据主题，接收来自头盔端发送的JSON 数据。第一个界面可以显示头盔是否连接、头盔剩余电量、光照强度。还可以发送JSON 格式的控制命令，打开/关闭灯光、打开/关闭来车预警功能、打开/关闭语音播报功能、打开/关闭自动灯光功能；还可显示当前天气信息，给出一些出行建议。

小程序的另一个界面是用来进行轨迹回放的，首先查询某天的骑行时间段，服务器端返回时间段以及经纬度坐标，然后选择时间段，页面跳转到地图界面进行轨迹回放。

由于需要在几个页面中频繁切换，所以定义一个全局变量Client 用来在微信小程序中连接ΜQTT 服务器。连接服务器需要在全局页面调用global.client.on('connect',function(){})，订阅主题也需要在全局页面中实现，调用

global.client.subscribe("/tkone/pub", function(err){})，这样使得在切换页面的时候不会频繁连接ΜQTT服务器，不会频繁订阅主题。

3.3.1 登录界面

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