基于主動(dòng)預(yù)警的智能穿戴設(shè)備

時(shí)間：2021-12-01 23:50:05

關(guān)鍵字：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

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[導(dǎo)讀]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。

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(xiàn)、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。

基于主動(dòng)預(yù)警的智能穿戴設(shè)備

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 STM32F103ZET6MCU 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(xiàn)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)?30 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(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和STM32 的通信。

基于主動(dòng)預(yù)警的智能穿戴設(shè)備

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。

3 警報(bào)系統(tǒng)

警報(bào)系統(tǒng)以 STM32 的蜂鳴器模塊為基礎(chǔ)，包括響應(yīng)和關(guān)閉響應(yīng)兩部分。STM32 蜂鳴器模塊為有源蜂鳴器，可以通過(guò)改變電平的高低觸發(fā)蜂鳴器，蜂鳴器模塊的初始化如圖5所示。

關(guān)閉響應(yīng)通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)，在手機(jī) APP 中設(shè)置按鍵的內(nèi)部操作代碼，按鍵按下時(shí)，相應(yīng)代碼會(huì)通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙傳輸至STM32 的藍(lán)牙模塊，關(guān)閉蜂鳴器。

警報(bào)系統(tǒng)是對(duì)安全算法結(jié)果的一種響應(yīng)，當(dāng)安全算法計(jì)算結(jié)果為“red”時(shí)，信息經(jīng)手機(jī)藍(lán)牙傳輸至 STM32 的藍(lán)牙模塊，并在藍(lán)牙模塊的程序內(nèi)觸發(fā)蜂鳴器，發(fā)出持續(xù)警報(bào)，在規(guī)避危險(xiǎn)后，佩戴人員可以通過(guò)按下 APP 中的“關(guān)閉”按鍵關(guān)閉蜂鳴器。而當(dāng)安全算法計(jì)算結(jié)果為“green”時(shí)，佩戴人員處于安全狀態(tài)，蜂鳴器無(wú)響應(yīng)。

4 原型機(jī)構(gòu)造和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究中，以 STM32 單片機(jī)開(kāi)發(fā)模式構(gòu)造原型機(jī)，將手機(jī)藍(lán)牙串口助手、藍(lán)牙模塊、警報(bào)系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)串口調(diào)試助手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

藍(lán)牙模塊連接到 STM32，如圖 6 所示。STM32 用數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到電腦端，設(shè)置波特率為 9 600 bit/s，將編寫(xiě)的藍(lán)牙模塊串口程序下載到 STM32，如圖 7 所示。程序下載成功，藍(lán)牙模塊指示燈正常閃爍。

開(kāi)啟手機(jī)藍(lán)牙，打開(kāi)藍(lán)牙串口助手，刷新設(shè)備列表并連藍(lán)牙，如圖 8 所示。此時(shí)關(guān)閉程序下載窗口，打開(kāi)計(jì)算機(jī)串調(diào)試助手，檢測(cè)計(jì)算機(jī)上位機(jī)端與 STM32 的通信是否正常，并顯示實(shí)時(shí)傳輸信息，如圖 9 所示。

將毫米波雷達(dá)連接到 STM32，并接通雷達(dá)電源，實(shí)時(shí)傳輸探測(cè)數(shù)據(jù)。

第一次測(cè)試，數(shù)據(jù)信息經(jīng)安全算法后，得到結(jié)果為“green”，佩戴人員處于安全狀態(tài)，蜂鳴器不響應(yīng)，藍(lán)牙串口助手顯示的信息、STM32 顯示板接收到的信息以及計(jì)算機(jī)端串口調(diào)試助手的實(shí)時(shí)信息顯示分別如圖 10（a）～（c）所示。

第二次測(cè)試，數(shù)據(jù)信息經(jīng)安全算法后，得到結(jié)果為“red”，佩戴人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，藍(lán)牙串口助手顯示的信息、STM32 顯示板接收到的信息以及計(jì)算機(jī)端串口調(diào)試助手的實(shí)時(shí)信息顯示分別如圖 11（a）～（c）所示。佩戴人員規(guī)避危險(xiǎn)后，點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕即可關(guān)閉蜂鳴器，藍(lán)牙串口助手顯示信息和 STM32 顯示板接收到的信息如圖 12（a）和圖 12（b）所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種融合雷達(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)、識(shí)別危險(xiǎn)并報(bào)警的智能可穿戴設(shè)備的概念和設(shè)計(jì)方案，并按照設(shè)計(jì)初步構(gòu)造了原型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)探測(cè)報(bào)警的雛形。該概念和設(shè)計(jì)是關(guān)于參與道路交通行人主動(dòng)安全性的有效嘗試，對(duì)解決道路交通安全問(wèn)題具有實(shí)際意義。