兰鸿旺，吴超琼，李国怿，覃文捐，刘振贵，覃钟耀，陈守旺

（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）

0 引言

近年来，电动自行车因其便捷、经济、环保等特点，成为城乡居民的主要出行工具之一。随着电动自行车数量越来越多的同时，因行人或驾驶员随意闯红灯、驾驶员驾驶技术低等复杂因素造成的交通事故也在逐年增长。因此骑乘电动自行车、摩托车佩戴安全头盔的问题引发了社会的关注。随后广西、上海等地也出台相应规定明确骑行电动自行车也要佩戴安全头盔，因此不佩戴头盔不仅是对自己的不负责任，同时也可能触犯到法律。

1 装置总体方案设计

装置分为两大部分，分别为下位机与上位机。下位机又分为两个部分：装置车载部分与装置头盔部分。装置车载部分分为：电源模块、STM32主控模块、座椅检测模块、蜂鸣器模块、显示屏模块、红外接收模块、WiFi模块、拓展传感器接口。装置头盔部分分为：电源模块、STC15主控模块、头盔佩戴检测模块、红外发射模块。上位机是由Android设计的手机APP。系统总体框架如图1所示。装置头盔部分使用STC15F104W单片机作为主控制器，微动开关采集驾驶员头盔佩戴信息头盔部分主控芯片进行处理将处理结果通过红外发射管发送红外信息给装置车载部分。装置车载部分采用STM32F103RCT6单片机作为主控制器，红外测距传感器GP2Y0A21YK0F采集距离信息，红外接收管HS0038参集装置头盔部分发送的红外信息，ESP8266模块参集上位机的指令信息，将采集到的信息汇入车载部分主控芯片进行数据处理，通过程序算法得出驾驶员头盔佩戴情况。如果驾驶员未佩戴头盔则通过装置车载部分的蜂鸣器、显示屏提醒驾驶员。实现头盔佩戴提醒功能。扩展接口即预留数据接口可以用于采集记录装置工作状态信息也可以拓展传感器等[1]。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

■2.1 主控模块电路设计

装置车载部分选择高性能、低功耗、低成本的STM32 F103RCT6单片机作为主控芯片。电路由以下个部分构成：电源电路、滤波电路、晶振电路、复位电路、BOOT电路。装置车载部分主控模块电路如图2所示。

图2 装置车载部分主控模块电路图

装置头盔部分需要体积小、功耗低、高新能的主控。综合考虑使用STC15F104W单片机作为主控芯片。这款单片机只有8个引脚其中6个通用I/O口足够设计使用。并且不需外部晶振和外部复位，只需要电源电路、滤波电路就可使用。装置头盔部分主控模块电路如图3所示。

图3 装置头盔部分主控模块电路图

■2.2 核心传感器模块电路设计

各类传感器电路主要采用模块化设计，通过+5V、+3 3V电源和GND组成直流供电输入给各传感器模块，模块之间采用去耦电容减少干扰。核心传感器模块电路如图4所示。

图4 核心传感器模块电路图

DS18B20是一个数字温度传感器，采用的是单总线时序与主机通信，只需要一根线就可以完成温度数据读取。温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

火焰传感器是利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为电压的变化后，通过装置车载部分的STM32检测AD值就可以判断出火光的强弱做出相应的程序处理。

传感器MP-2采用多层厚膜制造工艺,当环境空气中有被检测气体存在时传感器电导率发生变化，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高将其转化为电压的变化后，通过装置车载部分的STM32检测AD值就可以判断出烟雾的浓度和DS18B20、火焰传感器就可以组成一个简易的警报器。

红外测距传感器GP2Y0A21YK0F传感器由信号处理电路、红外发射二极管和位置探测器组成，物体的反射率、环境温度和工作时间的变化不受影响。该装置输出与检测距离相对应的电压。通过单片机的AD检测和和相应的公式即可算出距离。将传感器放置在座椅前方就可以用于座椅检测，当传感器检测到后装置车载部分主控就可以做出相应的程序处理。

■2.3 头盔佩戴检测模块电路设计

头盔佩戴检测模块由两个微动开关来检测，1号微动开关位于头盔内衬头顶部，2号微动开关位于头盔帽带卡扣内侧。当驾驶员佩戴头盔时驾驶员的头部会于头盔内衬贴合1号微动开关就会按下，驾驶员将卡扣插销插入时会顶住装在卡扣内侧的微动开关并将其按下。装置头盔部分STC15主控通过获取这两个微动开关的状态实现头盔佩戴的检测，如果两个微动开关都未按下或只按下一个时则认为驾驶员没有规范佩戴安全头盔。装置头盔部分模块安装位置示意如图5所示。

图5 装置头盔部分模块安装位置示意图

■2.4 红外发送模块与红外接收模块电路设计

当两个微动开关都处于按下状态时，装置头盔部分单片机将头盔已佩戴安全佩戴的信息对应的二进制编码调制为一系列的脉冲宽度调制（PWM）信号，通过红外发射管发送以RC5位格式的信号。

红外测距传感器GP2Y0A21YK0F检测到驾驶员以上车后，装置车载部分一体化红外接收头HS0038开始接收RC5格式的红外信号，经装置车载部分单片机解码后并执行对应程序。

■2.5 蜂鸣器模块与显示屏模块电路设计

压电无源蜂鸣器，其内部没有激励源，只有给它一定频率的方波信号，才能让蜂鸣器的振动装置起振，从而实现发声。蜂鸣器所需的驱动电流比较大，直接使用单片机IO直接驱动蜂鸣器比较吃力，需要搭配一个放大电路使用。

1 44寸 TFT SPI彩屏，分辨率 128×128，只需 4个IO口即可完成驱动，具有丰富多样的接口、编程方便、易于扩展等良好性能。当红外测距传感器GP2Y0A21YK0F检测到驾驶员以上车后连续三个检测周期没有接收到装置头盔部分发来的佩戴安全佩戴的信息对应的二进制编码则通过蜂鸣器发出警报，显示屏也会显示相关提醒。

根据沃尔特·艾萨克森执笔的《史蒂夫·乔布斯传》改编的电影《乔布斯》使得当代大学生更加清楚地了解了他们的偶像——苹果公司创办人和前总裁乔布斯的辉煌一生：活着只为改变世界。乔布斯的火爆使当代大学生深刻地理解了“改变世界”的意义和人生努力的方向。然而，很少有同学知道“改变世界”来自马克思“新世界观萌芽的第一个天才文件”（恩格斯语）——《关于费尔巴哈的提纲》；这就是写在马克思墓碑上的名言——“哲学家们只是用不同的方式解释世界，问题在于改变世界。”［1］502面对当代大学生只知乔布斯、不知马克思的现状，高校思政教育迫切需要阐明马克思主义是“改变世界”的理论，既是“实践的理论”，又是“理论的实践”。

■ 2.6 WiFi模块作用

摩托车头盔佩带提醒装置车载部分启动后ESP8266 WiFi模块进入服务器模式并开启一个名为“EPS_SmartHelmet”的热点供手机连接，在手机下载并安装应用程序后，使用手机去连接热点，即可通过WiFi进行数据通信。手机软件的功能是通过WiFi模块与装置车载部分STM32主控通讯使其开启或关闭头盔佩戴提醒功能；调整头盔传感器的灵敏度，改变发出警报的阈值，如温度过高的警报等；装置车载部分出现异常时可以查看装置发出的故障码。调整的阈值及功能启停的设置会存入装置车载部分的EEPROM存储芯片内。

3 软件设计

■3.1 车载部分主体程序设计

车载部分有两个模式，工作模式与调试模式。程序启动初始化各个模块后默认进入工作模式，等待红外测距模块检测到驾驶员上车，再判断红外接收管接收到的信号是否为头盔已正确配戴的信号，如果没有收到信号或是接受到错误信号，则发出警报后进行下一次接收。调试模式则负责将装置的数据传输至手机APP。装置车载部分程序流程如图6所示。

图6 车载程序流程图

■3.2 头盔部分主体程序

装置启动后系统开始初始化，完成后等待微动开关被按下。如果只有一个微动开关被按下则发送未正确佩戴头盔信号给主机，发送完毕继续检测微动开关是否被按下；两个微动开关同时被按下发出头盔已正确佩戴信号给主机。发送完毕继续检测微动开关是否被按下。头盔部分程序流程如图7所示。

图7 头盔部分程序流程图

■3.3 手机 APP 主体程序

该APP作为客户端通过基于TCP/IP的Socket通信，与主机模块上的WiFi进行通信。因WiFi模组在出厂时，已自动烧录AT指令SDK，故可以直接通过AT指令进行二次开发。在APP程序设计中，给定IP地址与端口号，通过IsConnected()方法[2]查看是否连接服务器成功。成功则获取Socket流对象里的输入流数据，将其解析并显示在手机上。还可通过输出流将附加模块传感器灵敏度设置发送给主机模块。APP程序流程如图8所示。

图8 APP程序流程图

由于主机模块的传感器众多，数据传输与解析难度大大增加。考虑到众多数据的解析问题，由此设计了一款专门用于本装置于手机APP的传输协议[3]，共八位数据组成帧格式，数据帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式表

帧头：用于判断是否有数据。当接收到S时，代表接收到数据。

类型：每一个模块代表一种类型。温度模块WD；头盔检测TK；烟雾模块YW；火焰模块HY；座椅检测ZY。

状态：分有正常与异常，数据分别为Z和Y。

数据：温度模块的数据范围为00~99，单位为摄氏度℃；头盔检测的数据有ZC与YC，分别代表正常与异常；烟雾模块与火焰模块的数据范围为00~99，是以数据百分比的形式进行传输，单位百分比%；座椅检测的数据有YR与WR，分别代表有人与无人。

帧尾：用于判断数据是否接收完毕。当接收到E时，代表数据接收完毕。

例如SwdZ26E，代表温度传感器正常，并检测到温度26℃；SywZ50E,代表烟雾传感器正常，并检测到烟雾浓度50%；StkYYCE,代表头盔检测异常，没有检测到从机的红外信号。

4 装置调试

将装置车载部分、头盔部分和软件平台进行联合测试。首先，在手机上安装头盔佩戴提醒装置调试工具APP；将设备通电，将手机连上车载部分的WiFi，进行各项功能的测试。设备的实物图如图9所示。头盔佩戴提醒装置调试工具APP界面如图10所示。

图9 整体设备实物

图10 装置APP

首先测试头盔检测功能，当驾驶员坐上座椅后装置进行头盔检测，正常情况下驾驶员正确佩戴安全头盔后装置将不会发出警报。通过测试装置头盔部分红外发送功能正常、装置车载部分红外接收功能正常，驾驶员佩戴安全头盔后可以正常解除警报。其次测试在装置调试模式下使用手机APP对装置的安全头盔佩戴提醒功能、安全头盔佩戴记录功能进行启停及附加传感器的警报灵敏度调节和启停。通过测试装置车载部分与手机APP的通讯正常、装置车载部分可以读写EEPROM存储器上的数据。经过测试装置各部分的功能都达到预期设想。