基于Arduino 的碰撞报警与监测智能头盔

陈楚婷，黎静雯，梁仲良，施嘉柱

（东莞理工学校，广东 东莞 523470）

1 概述

“一盔一带”安全守护行动在全国开展。从头盔价格到头盔原材料的价格都水涨船高，而与之相对的，是头盔质量的层次和行业标准的缺失，市场上出现头盔乱象。另外，发生交通事故肇事逃逸至人死亡的事时有发生，我们强烈谴责、抨击肇事逃逸者，同时也让我们思考如何才能及时救助在交通事故中受伤的人，于是有了研发“基于Arduino 的碰撞报警与监测头盔”这一产品的想法，希望群众佩戴有质量保证的安全头盔，保护生命安全。

2 总体设计

（1）采取太阳能充电的方式，遵循节能环保原则。只要能获得光照，就可以使用太阳能发电系统。太阳能资源取之不尽，用之不竭，不污染空气。使用寿命长，太阳电池组件结构简单，体积小且轻，便于运输和安装，建设周期短。（2）在硬件设计上，采用了集成化模块，不断改进缩小使用空间，安装最合适的位置，既做到不影响头盔的使用，也可以接收采集到数据。（3）戴上头盔驾驶者在发生交通事故后，我们头盔第一时间自动检测驾驶者是否被碰撞，进行分析计算显示收发数据。（4）当检测到驾驶者被碰撞后，该智能头盔会发送信息到手机，手机APP 通过高德地图网页获取位置，给原先我们在输入框中填写的话号码（紧急联系人）发送短信，让紧急联系人知道驾驶者发生碰撞事故的位置。（5）在驾驶者确认被撞后，头盔实时采集驾驶员的温度与脉搏心率，并且获取当前位置到手机APP 上，让紧急联系人可以了解驾驶者被撞后当前情况，达到实时监测的效果。功能介绍图见图1。

图1 功能介绍图

3 硬件设计

（1）Arduino 单片机：Arduino 更倾向于创意，它弱化了具体的硬件的操作，它的函数和语法都非常简单。因此，Arduino 在创客的世界是一个非常方便轻松实现“想法”的神器。Arduino 可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino 项目可以是单独的，也可以在运行时和电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。Arduino 代码是开源的。因此，我们使用Arduino UNO R3 作为主模块编程，控制方向与速度的集成模块（MPU6050，6 轴陀螺仪模块），温度传感器模块，心脉传感器模块和蓝牙模块，同时借助APP invento 这个平台编写手机软件。（2）蓝牙模块：用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。之所以选择蓝牙模块两个原因：a.在产品功耗来说蓝牙＜WiFi＜GSM;b. 在通信产生的额外费用蓝牙=WiFi＜GSM。综合这两个因素选择蓝牙模块。（3）充电模块：设计该部分电路的初衷是为了减少日常充电的次数、节能环保、绿色出行的目的。该部分电路采用了太阳能板、太阳能升压模块、锂电池充放电模块和锂电池。通过各个模块之间的应用配合，即可充分利用了太阳光的能量，从而达到很大程度上减少使用者对其充电的次数，甚至可源源不断的供电给智能头盔。（4）加速度陀螺仪传感器：加速度陀螺仪传感器将方向与速度集成在一个模块上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚2（作为中断触发），引脚A4 和A5 作为模拟输入端用于Arduino 主模块读取当前速度和角度。（5）人体测温传感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚3，进行读取实际数值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 输出方式，将读到的模拟量转换，从而显示。（6）脉搏心率传感器：在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚4 进行读取实际数值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 输出方式。

4 工作流程

该产品用Arduino UNO R3 来作为控制核心，通过对加速度陀螺仪传感器、人体温度传感器、脉搏心率传感器对产品使用者相应的数据采集（产品使用者发生碰撞时的加速度变化数据、碰撞后的温度和脉搏心率数据），采集到产品使用者的数据后，通过蓝牙模块向手机发送数据，在手机端开发了相对应的APP 负责解析产品上传的数据，并在APP 界面显示数据解析后的产品使用者状态（体温、脉搏心率、事发位置），同时发信息告知紧急联系人，我们产品采用锂电池供电，对锂电池充电方式除了用线直接冲电，还可以利用太阳能充电。

图2 硬件框图

加速度陀螺仪传感器将方向与速度集成在一个模块上，在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚2（作为中断触发），引脚A4 和A5 作为模拟输入端用于Arduino 主模块读取当前速度和角度（默认使用A4，A5），MPU6050传感器，6 轴分为两部分，一部分是 3 轴的 x，y，z 方向，另一部分的3 轴分为x，y，z 移动速度（一个时间里点到点的移动速度），方向与速度传感器作用：当头盔带上后，Arduino UNO R3 的程序初始化，先进行检查一遍（使用了accelgyro.getMotion6 和map 指令来显示数据和转换相应数值范围），再每隔0.5s 都进行检查并且向手机发送现在信息是否正常，如果出现碰撞，主模块设定了相关值，速度达到且突然停下，判断为撞车，进行对手机发送相关信息（mySerial.println（“1”）向手机发送一个 1），同时启动相关传感器检查（这个时候Arduino UNO R3 主板的7脚（Kongzhi）为高电平，传感器电源接通进行工作）。如果失去平衡时间还没有回到正常坐标点的范围，判断为摔跤，同样对手机进行发送相关信息（mySerial.println（“2”）向手机发送一个2）；另外上面两个条件同时成立，程序判断为严重撞车，对手机进行发送相关信息。

蓝牙模块在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚8 和引脚9 作为读和写（使用SoftwareSerial mySerial（9，10）指令定义）;用于与手机通讯，首先要设置好波特率与手机匹配（指令：Serial.begin（9600）;和 mySerial.begin（9600）;设置通讯都是 9600 波特率），连接 ID 和密码（默认SPP-CA 密码1234，需要使用TTL 改变参数），蓝牙模块作用是，将主模块Arduino UNO R3 要发送或者接受的数据都转换成，再发送到手机，或者接受到数据进行译码，从而做到了通讯正常配对（读取指令Serial.read（），发送手机指令mySerial.println（），串口读取指令Serial.println（））。

温度传感器在Arduino UNO R3的程序中使用了引脚3（温度传感器，程序名称定义为Tiwen），进行读取实际数值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 输出方式，将读到的模拟量转换，从而显示出我们日常看到的值。温度传感器作用是，带上头盔每隔一段时间进行检测人体，对比数据是否正常，然后通过主模块的 9，10 脚（RX 读，TX 写），使用蓝牙进行与手机通讯，然后发送到手机。

脉搏心率传感器在Arduino UNO R3 的程序中使用了引脚4（心脉传感器，程序名称定义为Xinmai）进行读取实际数值，再用Arduino UNO R3 程序中的PWM 输出方式，心脉传感器作用是，每一次带上头盔（程序启动），或者程序条件成立（如方向不正确，速度到达一定程度后突然停止等），都会用一分钟进行测试是否正常，都通过主模块的蓝牙，进行发送到手机上。

我们使用APP inventor 编写手机软件：使用了我们自己的标签图标，用按键作为蓝牙的通断，并且显示，使用了标签作为当前速度，便宜角度，人体温度，脉搏速率，紧急联系人电话，当前位置以及显示文字，在紧急联系人电话中，使用多一个输入框，方便给予家人发送短信/电话。

图3 初始化界面图

图4 短信界面

要使用蓝牙通讯在这里要蓝牙客户端（也可以作为服务器）用于与Arduino UNO R3 通信，收发代码。首先是否连接成功。蓝牙连接成功会提示连接成功，不成功会提示蓝牙连接失败，点击断开，显示蓝牙断开连接。当蓝牙连接成功后，就可以行读取Arduino UNO R3 的信息。计时器用于每隔一段时间进行读取数据，进行相关操作（如，当前的速度是否正常），防止只读一次数据，或者无限读取数据。

位置传感器和web 客户端：用于打开高德地图（在web 客户端先设定好 https：//www.amap.com/网址）和定位（要通过高德地图开发平台认可的代码才可使用，通过地图的纬度计算，求出所在位置，在这个过程中，首先get是否成立，成立后，需要使用编码器，获取通道，请求获取相关文本内容，进行挑选等，最终获取需要内容的文字），获取相关字节转换成文本，再进行保存。

短信：当Arduino UNO R3 发送的信息是1 和4 时，通过输入框填写到的电话号码，然后获取输入框的文本进行发送相关短信（假设Arduino UNO R3 发送的信息是1，APP inventor 设为普通碰车，先读取输入框所输入的电话号码，再进行发送到这个号码上，内容为：“我撞车了需要求助”并且发送所获取的地理位置。同样，如果Arduino UNO R3 发送的信息是 4 时，Arduino 的引脚 7接通，此刻APP inventor 认为严重事故，发送“我撞车了需要求助”发送所获取的地理位置，当前体温；一分钟后，再次发送同样的信息，且多了个脉搏速率多少）。

5 结束语

“一盔一带”相关政策宣传期间，多地的交警公安部门，开展“一盔一带”宣传送头盔活动，活动期间遵守交通规则的、了解“一盔一带”相关政策的骑行市民均可得到免费获赠头盔。而违反“一盔一带”相关政策的市民，在接受批评教育之后，也可得到头盔。

头盔对头部有非常好的保护作用，而该产品不仅具有安全头盔的保护功能，还能检测产品使用者在行驶过程中是否发生碰撞（交通事故）、实时监测使用者的温度和脉搏心率情况。并且当产品使用者发生事故后，该头盔将会通过蓝牙连接手机，发送短信提醒紧急联系人，紧急联系人在APP 上可以知道驾驶者的定位和实时的身体监测数据。

我们可以向政府部分宣传推广我们的产品，联合行业主管部门、行业协会推广“买电动自行车送头盔”“买保险送头盔”模式等，参与社会公益、公益捐助等活动，让更多人可以使用我们的产品。政企合作，推进头盔新业态有序发展。希望“基于Arduino 的碰撞报警与监测智能头盔”能为企业带来可观的经济效益，树立良好的品牌形象和先进的示范效应。