基于主動預警的智能穿戴設備

時間：2021-12-01 23:50:05

關鍵字：主動安全預警智能穿戴設備毫米波雷達藍牙通信 STM32 APP

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[導讀]摘要：參與道路交通的行人會受車輛和其他快速移動物體的威脅，且行人規(guī)避車輛撞擊傷害的方式幾乎都是被動的。從行人的角度出發(fā)，提出了一種智能穿戴設備設計，使行人可以對運動車輛或物體的撞擊做出早期預警，主動規(guī)避撞擊傷害的風險。該智能穿戴設備采用毫米波雷達傳感器測得移動物體的各種物理參數(shù)，通過 STM32 藍牙系統(tǒng)將數(shù)據傳送至 APP 進行安全算法運算，再根據計算結果對撞擊風險做出評估并向穿戴者進行早期預警。

0 引言

據統(tǒng)計，2018 年全國機動車保有量達 3.27 億輛 [1]，2018 年全國道路交通事故死亡人數(shù)為 63 194 人 [2-3]，其中汽車對行人造成的傷害占據很大比例，而行人中相當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、巡查、檢測人員，交通運輸秩序和法規(guī)的檢查執(zhí)法人員等。一般而言，固定的道路設施中為行人設置了紅綠燈、斑馬線、人行道等；對于隨機出現(xiàn)的道路交通路面工作人員，有反光服、臨時警示標示物等。這些設施或措施的基本特征是向機動車駕駛員發(fā)出注意警示，使其能夠采取恰當?shù)牟僮鱽肀苊鈱π?/span>人造成接觸或非接觸傷害，即主動權都歸屬于機動車駕駛員，而行人則居于完全被動的狀態(tài)。此外，當前的智能穿戴設備基本集中在對穿戴者身體健康特征的檢測，比如通過瞬時心率判斷心臟脈搏的細微差別，從而衡量心臟及相關血管系統(tǒng)的健康狀態(tài) [4]。如果能構造一種智能穿戴設備，具有可主動探測和識別穿戴者附近道路上的運動車輛并評估其對自己可能造成的撞擊傷害風險，使自己獲得早期預警，則行人就可獲得規(guī)避車輛撞擊傷害的主動權。

本文提出一種融合雷達傳感器模塊、藍牙傳輸模塊、報警模塊和安全算法的可主動探測和識別危險并報警的智能可穿戴設備。雷達傳感器可主動探測移動物體的距離和速度等參數(shù) ；

藍牙模塊可將參數(shù)傳輸至 APP，APP 結合內置安全算法判定該參數(shù)的綜合效應是否會對參與道路交通人員造成危險，并輸出特定值決定是否報警，實現(xiàn)對危險的預知和判斷，使穿戴者可以主動進行有效規(guī)避。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 數(shù)據傳輸系統(tǒng)結構

系統(tǒng)架構如圖 1 所示。系統(tǒng)包括四個模塊，分別為內置于穿戴設備的毫米波雷達模塊，傳輸雷達數(shù)據的藍牙模塊，內置于手機的 APP，以及內置于穿戴設備的報警模塊。將藍牙模塊配置為 STA 模式后，智能穿戴設備的數(shù)據傳輸系統(tǒng)即可與手機 APP 連接，實現(xiàn)信息交互。

基于主動預警的智能穿戴設備

數(shù)據傳輸系統(tǒng)包括 4 個重要組成部分，以下簡單介紹它們的基本屬性和設計考慮。

（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 內核，可以實現(xiàn)信息的實時傳輸和警報響應。

（2）電源模塊：STM32 核心控制板工作電壓為 3.3 ～5.0 V，在實際研究控制中，可通過內置的電壓調節(jié)器提供CPU 所需的 1.8 V 電源。當主電源掉電后，通過 Vbat（電池電壓）腳為實時時鐘（RTC）和備份寄存器提供電源。后續(xù)使用的藍牙模塊的電源管腳電壓范圍亦在 3.3 ～ 5.0 V 之間，可以很方便地實現(xiàn)藍牙通信。

（3）RTC 實時時鐘：RTC 是一個獨立的定時器，提供內部實時時鐘源。

（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，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下周期性振動，蜂鳴器發(fā)聲。電源接通的響應來自手機 APP 在通過安全算法的運算后發(fā)送出的早期預警信號。

1.2 雷達傳感器和藍牙

1.2.1 毫米波雷達模塊

CAR28F 毫米波雷達擁有獨立的操作系統(tǒng)、基帶處理設計和模數(shù)轉換器，工作于 24 GHz ISM 波段，通信速率為500 Kb/s，可對周圍 30 m 距離范圍內的移動物體進行探測，并獲得距離、速度和角度等參數(shù)，每隔 200 ms 刷新一次，目標數(shù)據將以十六進制形式經 USBCAN 適配器進行信號轉換。

1.2.2 藍牙模塊

毫米波雷達探測的數(shù)據通過電平轉換后進入 STM32 主控板，此時與手機 APP 或藍牙串口助手配對完成的藍牙模塊將把數(shù)據傳輸至手機 APP 或藍牙串口助手，預置安全算法的手機 APP 將通過算法判斷該組數(shù)據是否產生危險信號，并將運算值通過藍牙發(fā)送至 STM32 主控板，與此同時，藍牙串口助手也會實時顯示數(shù)據傳輸信號。

2 數(shù)據傳輸

2.1 雷達與 STM32 的通信

毫米波雷達接口輸出的信號為十六進制形式，包括距離、速度和方位角數(shù)據。毫米波雷達與 STM32 接口均采用RS 232 標準接口，如圖 2 所示。2，3 和 5 針腳分別代表接收數(shù)據（RXD）、發(fā)送數(shù)據（TXD）和信號接地（GND），STM32 的 USART 包含 TTL 電平的串口和 RS 232 電平的串口，使用公對公直連的 RS 232 數(shù)據線即可實現(xiàn)雷達和STM32 的通信。

基于主動預警的智能穿戴設備

雷達和 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、抗干擾能力強和成本低等優(yōu)點，同時，異步通信設備要求簡單、成本低，全雙工通信可以同時收發(fā)數(shù)據，提高通信效率。

2.2 藍牙和 APP 通信

由于 STM32 無法支持藍牙功能，因此借助串口轉藍牙模塊可以使 STM32 具備藍牙通信功能。調試程序，將藍牙模塊的串口波特率和 STM32 的串口波特率設置為同一數(shù)值，STM32 從雷達接收到的數(shù)據可通過藍牙模塊發(fā)送出去，STM32 串口的初始化流程如圖 3 所示。

同時，作為接收端的手機 APP 選用 Android 操作系統(tǒng)，支持藍牙傳輸協(xié)議。本機使用的 Android 7.0 提供了 BlueZ 的RFCOMM 協(xié)議封裝，利用該協(xié)議可完成 Android 設備與藍牙設備之間的串口通信 [5]，藍牙通信流程如圖 4 所示。

3 警報系統(tǒng)

警報系統(tǒng)以 STM32 的蜂鳴器模塊為基礎，包括響應和關閉響應兩部分。STM32 蜂鳴器模塊為有源蜂鳴器，可以通過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。

關閉響應通過按鍵實現(xiàn)，在手機 APP 中設置按鍵的內部操作代碼，按鍵按下時，相應代碼會通過手機藍牙傳輸至STM32 的藍牙模塊，關閉蜂鳴器。

警報系統(tǒng)是對安全算法結果的一種響應，當安全算法計算結果為“red”時，信息經手機藍牙傳輸至 STM32 的藍牙模塊，并在藍牙模塊的程序內觸發(fā)蜂鳴器，發(fā)出持續(xù)警報，在規(guī)避危險后，佩戴人員可以通過按下 APP 中的“關閉”按鍵關閉蜂鳴器。而當安全算法計算結果為“green”時，佩戴人員處于安全狀態(tài)，蜂鳴器無響應。

4 原型機構造和實驗驗證

研究中，以 STM32 單片機開發(fā)模式構造原型機，將手機藍牙串口助手、藍牙模塊、警報系統(tǒng)結合計算機串口調試助手進行實驗驗證。

藍牙模塊連接到 STM32，如圖 6 所示。STM32 用數(shù)據線連接到電腦端，設置波特率為 9 600 bit/s，將編寫的藍牙模塊串口程序下載到 STM32，如圖 7 所示。程序下載成功，藍牙模塊指示燈正常閃爍。

開啟手機藍牙，打開藍牙串口助手，刷新設備列表并連藍牙，如圖 8 所示。此時關閉程序下載窗口，打開計算機串調試助手，檢測計算機上位機端與 STM32 的通信是否正常，并顯示實時傳輸信息，如圖 9 所示。

將毫米波雷達連接到 STM32，并接通雷達電源，實時傳輸探測數(shù)據。

第一次測試，數(shù)據信息經安全算法后，得到結果為“green”，佩戴人員處于安全狀態(tài)，蜂鳴器不響應，藍牙串口助手顯示的信息、STM32 顯示板接收到的信息以及計算機端串口調試助手的實時信息顯示分別如圖 10（a）～（c）所示。

第二次測試，數(shù)據信息經安全算法后，得到結果為“red”，佩戴人員處于危險狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)出警報，藍牙串口助手顯示的信息、STM32 顯示板接收到的信息以及計算機端串口調試助手的實時信息顯示分別如圖 11（a）～（c）所示。佩戴人員規(guī)避危險后，點擊“關閉”按鈕即可關閉蜂鳴器，藍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 結語

本文提出了一種融合雷達傳感器模塊、藍牙傳輸模塊、報警模塊和安全算法的可主動探測、識別危險并報警的智能可穿戴設備的概念和設計方案，并按照設計初步構造了原型設備，實現(xiàn)了主動探測報警的雛形。該概念和設計是關于參與道路交通行人主動安全性的有效嘗試，對解決道路交通安全問題具有實際意義。