基于物联网传感器的iBag智能背包的设计与实现

引 言

目前，市场上销售的背包种类繁多、外观多样，但大多数背包在设计时仅满足了用户基本的负重和审美需求，而智能化、个性化的背包价位居高不下，令普通青少年消费者望而却步。市场需要一款真正价格合宜又富有创意的背包。基于此， 本作品提出了一种基于智能穿戴理念的背包设计方案及其实现方法。

1 作品功能设计与实现

1.1 个性图案显示功能

夜间光线条件差，行人不容易被来往车辆发现，交通事故频发。为解决这一问题，本作品基于AVR 单片机，通过MEMS 陀螺检测角速度[1-3]，在用户转向时自动显示转向箭头[4]，LED 屏使转向提示醒目个性，有效保障了青少年的出行安全。夜间自动转向实物图如图 1 所示。

图1 夜间自动转向实物图

在用户直行时，本作品可呈现缤纷多彩的图案。用户可以在iBag 预设的图案库中挑选喜欢的图案，也可以使用手机App 自行设计图案。所有图案都会实时显示在背包上，让有限的点阵焕发出无限的创意。个性化图案设计与显示实物图如图 2 所示。

同时，为鼓励青少年自己创作创意作品，本作品还开发了基于智能手机和Web 的网络社区，允许用户进行图案分享和其他网络社交活动，通过运营青少年社群提供全方位的用户体验。网络社区App 示意图如图 3 所示。

图 2 个性化图案设计与显示实物图

图 3 网络社区App

1.2 实时安全定位功能

突发紧急状况时，本作品还可用于辅助定位和紧急呼救。背包内置的GPS 芯片与单片机进行串口通信并实时监测用户位置[5,6]，将数据通过实时安全定位模块发送到终端，以供查阅； 同时，用户还能够通过紧急呼救按钮及时向终端发送求救指令[7]，进一步保障青少年群体的出行安全。

1.3 超重检测提示功能

本作品能够自动检测背包全方位承重状况，并人性化提示青少年进行姿势矫正。该款作品首先会根据用户输入的年龄、身高、体重等指标计算用户的负重安全值上限，其次采用灵敏应变片组与微控制器实时计算背包负重大小 [8]，如果背包持续超重，警报装置会发出提示音。此外，用户可以通过手机 App 查看负重数据记录，接收健康知识和其他生活信息的推送。超重提示功能可以帮助用户养成积极关注、主动保护脊柱健康的好习惯，合理安排负重。

2 工作原理设计

本作品由个性图案显示模块、安全定位模块和超重检测提示模块组成。整体设计原理图如图 4 所示。

图 4 整体设计原理图

2.1 个性图案显示模块

个性图案显示模块包含传感器、微控制器、显示屏、电源、控制端。其中传感器用于检测用户的运动状态，可以根据不同的精度要求和环境需求，采用微加速度计、微陀螺仪等 [3]。微控制器作为整体功能的交互中心，包含有微控制器芯片和附带的串口通讯模块、E2PROM 存储器等[1,5]，根据设计需要和程序语言环境进行选择，可采用单片微控制器和蓝牙组件等。显示屏用于个性化图案的显示，可以根据像素需要和特性需要选择单色或者全彩的点阵LED 屏幕、柔性 LED 屏幕等。控制端用于实现对整体功能的集成控制，包含移动端App[9,10] 和计算机应用软件[11] 两种方式，具有多种功能模式，在图案编辑状态下能够实现对个性图案显示的控制。

个性图案显示模块具体实现步骤如下：

(1) 用户通过微控制器的通讯接口与控制端进行连接， 在图案编辑模式下自行设计图案，或者从互联网上下载图案， 并传输给微控制器。

(2) 关闭通讯接口，图案自动保存在微控制器内，等待调用。

(3) 通过传感器判断用户行走状态后做相应反馈并显示在显示屏上。当用户处于直行状态时，显示屏交替显示用户存储在设备中的所有图案，实现个性图案显示功能 ；当用户处于转弯状态时，显示屏自动切换为转向箭头及相应提示语言，实现随身转向灯功能。

2.2 安全定位模块

实时安全定位模块包含 GPS 信息接收单元、微控制器、GSM 信息发送单元、电源、控制端。其中GPS 信息接收单元包括 GPS 芯片和接收主机、接收天线等，能够实时接收到GPS 卫星信号 [6]，可以根据不同的设计需求选用各类型号的单元设备。GSM 信息发送单元包含 SIM900A 通信模块 [12]， 能够将接收到的GPS 信息传输到预设移动通信终端，以供解析，同时作为紧急呼救的载体。控制端用于实现对整体功能的集成控制，包含移动端 App 和计算机应用软件两种方式，具有多种功能模式。

实时安全定位模块具体实现步骤如下：

(1) GPS信息接收单元通过内部芯片的程序实时接收GPS 卫星信号并定位。

(2) GPS信息接收单元与微控制器进行串行通信，将接收到的 GPS数据在微控制器中进行解析，识别判断后输入GSM信息发送单元。

(3) 通过 GSM的短消息业务把自身的位置和状态信息发送到预先设定的控制端，通过呼叫业务实现紧急呼救。

2.3 超重检测提示模块

超重检测提示模块包含微控制器、应力检测装置、超重提示装置、电源、控制端。其中应力检测装置用于检测负重过程中用户不同部位的受力，可以根据精度要求和经济因素选择不同的应变片、微压力传感器等。并选用蜂鸣器警示音提示、不同点位受力反馈、ISD1760 语音提示等[13] 或其组合提醒用户背包负重过大，存在健康威胁等问题。控制端用于实现对整体功能的集成控制，包含移动端App 和计算机应用软件两种方式，具有多种功能模式。

超重检测提示模块具体实现步骤如下：

(1) 嵌在背带及背部接触面内的应力检测装置检测背包内部各点应力，并传输给微控制器，间接测算出背包负重。

(2) 当背包负重超过预设安全值时，超重提示装置会自动发出提示音，并给控制端发送各检测点位的实时负重数据。

(3) 根据实时负重数据，控制端控制超重提示装置提醒用户合理安排负重，给出合理的背负姿态建议，有助于用户保护脊柱。

3 创新点分析

本作品包含如下创新点：

(1) 利用基于智能穿戴和人机交互的思想重新定义了传统背包。背包不再是静态产品，而是可以采集用户信息、与用户交互的动态产品 ；用户不再是被动接受产品设计的终端消费者，而是可以自由设计产品外观的参与者。利用这一点，我们建立起了青少年和产品之间的情感关联。

(2) 发展了基于物联网思想的“背包 - 软件 - 用户”交互方式。通过软硬件通信，本作品有效地采集了背包数据 ；通过软件，本作品既实现了用户和背包之间的互动，又方便用户基于数据指导自身行为。

(3) 创新了背包外观设计方案。背包外观是动态可变的， 通过在背包的正面嵌入柔性LED屏，切换显示创意图案来保障用户的出行安全 ；外观设计的方式是用户友好的，通过手机App或Web可直接改变背包的外观。

(4) 改 进了传统背包无法检测背包重量的情况。在背带内加入应变片，创新性地通过检测背带拉伸微小形变，间接检测背包负重，给使用者合理提示，使其关注背负健康。

(5) 延伸了基于产品社群思想的作品内涵。本作品不仅仅是一个背包，还在背包的背后有数据、社群，更有基于以上二者的iCommunity线上创意交流社区。我们利用云端处理技术开发了 Web社区[14]，用户通过创作图案、分享图案等用户生成内容（UserGeneratedContent）行为，既能享受与背包交互的趣味，又能建立和社群的联系，用户黏度得以增强。

4 结 语

在智能可穿戴设备的热潮下，追求个性时尚、强调归属感的青少年消费者对背包这一日常用品也提出了新的要求。本产品既延续了传统背包基本的负载功能，又创新性地突破了传统背包外观和功能的局限性，基于智能穿戴、人机交互、产品社群等思想，与青少年消费者建立了良好的互动关系和情感关联，在很大程度上满足了目标市场的需求。同时，青少年消费市场体量庞大，消费能力也日益攀升，因此本作品拥有广阔的市场前景。