基于主动预警的智能穿戴设备

系统架构如图 1 所示。系统包括四个模块，分别为内置于穿戴设备的毫米波雷达模块，传输雷达数据的蓝牙模块，内置于手机的 APP，以及内置于穿戴设备的报警模块。将蓝牙模块配置为 STA 模式后，智能穿戴设备的数据传输系统即可与手机 APP 连接，实现信息交互。

（4）蜂鸣器模块 ：采用有源式蜂鸣器，即电磁式蜂鸣器，由直流电压供电。接通 3.3 V 电源后，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下周期性振动，蜂鸣器发声。电源接通的响应来自手机 APP 在通过安全算法的运算后发送出的早期预警信号。

毫米波雷达接口输出的信号为十六进制形式，包括距离、速度和方位角数据。毫米波雷达与 STM32 接口均采用RS 232 标准接口，如图 2 所示。2，3 和 5 针脚分别代表接收数据（RXD）、发送数据（TXD）和信号接地（GND），STM32 的 USART 包含 TTL 电平的串口和 RS 232 电平的串口，使用公对公直连的 RS 232 数据线即可实现雷达和STM32 的通信。

雷达和 STM32 采用串行异步全双工通信，串行通信较并行通信具有通信距离远、抗干扰能力强和成本低等优点，同时，异步通信设备要求简单、成本低，全双工通信可以同时收发数据，提高通信效率。

2.2 蓝牙和 APP 通信

由于 STM32 无法支持蓝牙功能，因此借助串口转蓝牙模块可以使 STM32 具备蓝牙通信功能。调试程序，将蓝牙模块的串口波特率和 STM32 的串口波特率设置为同一数值，STM32 从雷达接收到的数据可通过蓝牙模块发送出去，STM32 串口的初始化流程如图 3 所示。

同时，作为接收端的手机 APP 选用 Android 操作系统，支持蓝牙传输协议。本机使用的 Android 7.0 提供了 BlueZ 的RFCOMM 协议封装，利用该协议可完成 Android 设备与蓝牙设备之间的串口通信 [5]，蓝牙通信流程如图 4 所示。

3 警报系统

警报系统以 STM32 的蜂鸣器模块为基础，包括响应和关闭响应两部分。STM32 蜂鸣器模块为有源蜂鸣器，可以通过改变电平的高低触发蜂鸣器，蜂鸣器模块的初始化如图5所示。

关闭响应通过按键实现，在手机 APP 中设置按键的内部操作代码，按键按下时，相应代码会通过手机蓝牙传输至STM32 的蓝牙模块，关闭蜂鸣器。

警报系统是对安全算法结果的一种响应，当安全算法计算结果为“red”时，信息经手机蓝牙传输至 STM32 的蓝牙模块，并在蓝牙模块的程序内触发蜂鸣器，发出持续警报，在规避危险后，佩戴人员可以通过按下 APP 中的“关闭”按键关闭蜂鸣器。而当安全算法计算结果为“green”时，佩戴人员处于安全状态，蜂鸣器无响应。

4 原型机构造和实验验证

研究中，以 STM32 单片机开发模式构造原型机，将手机蓝牙串口助手、蓝牙模块、警报系统结合计算机串口调试助手进行实验验证。

蓝牙模块连接到 STM32，如图 6 所示。STM32 用数据线连接到电脑端，设置波特率为 9 600 bit/s，将编写的蓝牙模块串口程序下载到 STM32，如图 7 所示。程序下载成功，蓝牙模块指示灯正常闪烁。

开启手机蓝牙，打开蓝牙串口助手，刷新设备列表并连蓝牙，如图 8 所示。此时关闭程序下载窗口，打开计算机串调试助手，检测计算机上位机端与 STM32 的通信是否正常，并显示实时传输信息，如图 9 所示。

将毫米波雷达连接到 STM32，并接通雷达电源，实时传输探测数据。

第一次测试，数据信息经安全算法后，得到结果为“green”，佩戴人员处于安全状态，蜂鸣器不响应，蓝牙串口助手显示的信息、STM32 显示板接收到的信息以及计算机端串口调试助手的实时信息显示分别如图 10（a）～（c）所示。

第二次测试，数据信息经安全算法后，得到结果为“red”，佩戴人员处于危险状态，蜂鸣器发出警报，蓝牙串口助手显示的信息、STM32 显示板接收到的信息以及计算机端串口调试助手的实时信息显示分别如图 11（a）～（c）所示。佩戴人员规避危险后，点击“关闭”按钮即可关闭蜂鸣器，蓝牙串口助手显示信息和 STM32 显示板接收到的信息如图 12（a）和图 12（b）所示。

5 结 语

本文提出了一种融合雷达传感器模块、蓝牙传输模块、报警模块和安全算法的可主动探测、识别危险并报警的智能可穿戴设备的概念和设计方案，并按照设计初步构造了原型设备，实现了主动探测报警的雏形。该概念和设计是关于参与道路交通行人主动安全性的有效尝试，对解决道路交通安全问题具有实际意义。