邱立靖++柯文德

摘要：針對(duì)智能穿戴設(shè)備對(duì)單一傳感器精準(zhǔn)采集信息效果不理想等問(wèn)題，提出基于無(wú)線(xiàn)采集、多傳感器信息融合的智能頭盔信息采集和通信的方法，采用最短路徑Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)STM32主控頭盔的數(shù)據(jù)融合和無(wú)線(xiàn)分簇網(wǎng)絡(luò)傳輸。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：穿戴式； 數(shù)據(jù)融合； 無(wú)線(xiàn)通信； STM32

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)： 2095-2163（2016）06-0040-05

0引言

時(shí)下，智能穿戴產(chǎn)品面臨著數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸距離及傳輸速率問(wèn)題，尤其是在復(fù)雜地形、干擾嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)工作環(huán)境下，則需要執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、并完成信息傳輸?shù)娜蝿?wù)。為解決這些問(wèn)題，學(xué)者們提出了WSN智能穿戴戶(hù)外探險(xiǎn)監(jiān)護(hù)設(shè)備，這種智能穿戴產(chǎn)品具有超遠(yuǎn)程控制、功耗低、抗干擾、傳輸速率快的優(yōu)勢(shì)，以及可以提供動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)顯示，機(jī)體輕巧簡(jiǎn)約、連同攜帶方便等特點(diǎn)。多傳感器信息融合與無(wú)線(xiàn)信息通訊控制技術(shù)是智能科技產(chǎn)品研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題[1-3]，該技術(shù)結(jié)合控制理論、人工智能、信號(hào)處理、概率統(tǒng)計(jì)的研究成果，同時(shí)利用了數(shù)據(jù)融合以獲得有序協(xié)調(diào)、提升傳輸效率，如此即可為各種復(fù)雜不確定、且干擾大的環(huán)境下作業(yè)的智能穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)有效采集并完全傳輸而設(shè)計(jì)給出了一種關(guān)鍵技術(shù)解決途徑[4-6]。

目前的智能穿戴大多在監(jiān)測(cè)上要求更加智能和精確，較多依賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與單一傳感器以獲取數(shù)據(jù)，處理時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)效果差。單一的傳感器（比如CO傳感器）信息采集能力有限，而若選用多個(gè)傳感器資源及其采集信息，使得信息能夠得到快速精準(zhǔn)共享，進(jìn)而改善了施救人員指揮、判斷、決策的效率與準(zhǔn)確度，并于最終達(dá)到了智能化救援，而且還可更趨穩(wěn)健地保障施救人員的生命安全[7-10]。

基于此，提出一種多傳感器數(shù)據(jù)融合和無(wú)線(xiàn)分簇網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖疃搪窂紻ijkstra算法，并應(yīng)用在智能頭盔的無(wú)線(xiàn)采集和通信上。其中，多種傳感器檢測(cè)可提高控制精度和集成度，而通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理算法則可優(yōu)化改進(jìn)信息采集的準(zhǔn)確度；另外，研究中引入的Dijkstra算法即是通過(guò)計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)母咝浴?/p>

[BT4]1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

[BT5]1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究中，在將ESP8266WIFI模塊配置為STA模式后，智能穿戴即實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)app間的有效信息交互。進(jìn)一步地，智能穿戴還可通過(guò)Bluetooth向手機(jī)藍(lán)牙串口助手發(fā)送信息。在此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和系統(tǒng)原理圖，分別如圖1、圖2所示。

參照?qǐng)D1和圖2，針對(duì)系統(tǒng)原理架構(gòu)，這里將給出其中重點(diǎn)組成的實(shí)現(xiàn)解析，可做如下概述。

1）控制板?；赟TM32F1RCT6芯片的核心控制板，集成度高，滿(mǎn)足高性能、低功耗的設(shè)計(jì)需要，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)。

2）RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池座與復(fù)位電路。提供內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘源，而在二極管VD1和VD3之間焊接上另一個(gè)二極管VD2，就可以補(bǔ)配上充電電池來(lái)作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘源使用。

3）電源模塊。核心控制板（標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓：5 V）和GSM（輸入電壓要求范圍：5～24 V）分別由一個(gè)輸出為8.1 V的電池和另一個(gè)輸出為7.4 V的電池提供需求電壓。額定電壓為5 V的核心控制板接入8.1V的原因則在于CO濃度傳感器、煙霧濃度傳感器、溫度傳感器、GPS模塊和藍(lán)牙模塊都會(huì)對(duì)該輸入進(jìn)行分壓，而將電壓值增加至8.1V即可保證核心控制板能夠有足夠的電壓維持正常工作。

4）[JP2]擴(kuò)展板電源接口。5 V 直流電壓輸入，經(jīng)過(guò) LT1085-33 穩(wěn)壓器可將輸入的直流電壓穩(wěn)定在擴(kuò)展板的工作電壓 3.3 V位置，并提供主控制器的工作電壓。內(nèi)設(shè)的LED 燈則可顯示電源的接入狀態(tài)。[JP]

[BT5]1.2外圍設(shè)備

1.2.1Risym NRF24L01 2.4G無(wú)線(xiàn)接收通信模塊

[JP3]NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在ISM 頻段的2.4～2.5 GHz的的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器，可通過(guò)一定設(shè)置合理降低功率和電流消耗。[JP]

1.2.2GPS模塊

可用于探險(xiǎn)者的定位和提供海拔、經(jīng)緯度、速度和時(shí)間等信息。模塊外圍電路簡(jiǎn)單，天線(xiàn)易調(diào)試，已集成GPS專(zhuān)用濾波器和外圍電源，波特率可選，3.3 V COMS 通用串行接口，預(yù)留I2C接口，方便擴(kuò)展DR功能。GPS模塊設(shè)計(jì)板面如圖3所示。

[PS邱立靖3.EPS；S*2；X*1，BP#]

1.2.3GSM模塊

將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線(xiàn)路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理設(shè)計(jì)，而且還提供有系列標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。ATK-SIM900A模塊支持 RS232 串口和 LVTTL 串口（即支持 3.3 V/5 V 系統(tǒng)），并附帶硬件流控制，同時(shí)配設(shè)有5～24 V 的超寬工作范圍，使得模塊可以與產(chǎn)品做到方便對(duì)接，從而給產(chǎn)品定制了包括語(yǔ)音、短信和 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍趦?nèi)的各類(lèi)功能。

擁有與外界手機(jī)進(jìn)行雙方通話(huà)與發(fā)送信息的功能。旅行者在遭遇異常情況時(shí)可通過(guò)意見(jiàn)撥號(hào)功能，向指定號(hào)碼發(fā)出求救電話(huà)。

1.2.4藍(lán)牙模塊

智能信息頭盔系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙，可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上的藍(lán)牙串口助手設(shè)計(jì)得到直觀顯示，方便用戶(hù)查看當(dāng)前環(huán)境信息。

1.2.5攝像頭模塊

采用智能攝像機(jī)1080p加強(qiáng)夜視版高清無(wú)線(xiàn)WIFI監(jiān)控?cái)z像頭，如此設(shè)計(jì)后則呈現(xiàn)有以下特點(diǎn)：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。如果旅行者間距離遠(yuǎn)于30米時(shí)，同伴可運(yùn)用手機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)查看對(duì)方實(shí)時(shí)情況。

2）[JP3]直錄監(jiān)控錄像功能。如果需要對(duì)環(huán)境實(shí)施遍歷拍攝和事后對(duì)環(huán)境展開(kāi)研究，此時(shí)可以將內(nèi)存卡直接插入攝像機(jī)，攝像頭即可將現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)記錄在SD卡里，方便探險(xiǎn)后進(jìn)行查看。[JP]

與攝像頭連為一體的5.8G無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，將攝像頭采集得到的視圖情景進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。該過(guò)程的工作原理如圖4所示。

[PS邱立靖4.EPS；S*2；X*2，BP#]

[HT6H][ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖4遠(yuǎn)程攝像頭實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓ぷ?/p>

[JZ]Fig. 4Realtime transmission of remote camera work

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]1.2.6傳感器模塊

傳感器模塊在類(lèi)別上有專(zhuān)門(mén)采集環(huán)境因素的，比如溫濕度、CO（一氧化碳）和煙霧濃度等，另外還有指定采集人體信息的，如血氧、心率、脈搏。在此，針對(duì)研究中涉及的3類(lèi)傳感器可得如下設(shè)計(jì)解析：

1）DHT11溫度傳感器。單線(xiàn)接口方式，如此即可與微處理器進(jìn)行雙向通信；檢測(cè)的溫度范圍-55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。DS18B20 的通信I/O 口外接 S3C2440 的 GPB5 I/O 口。

2）CO濃度傳感器。主要芯片是LM393和MQ-7氣體感應(yīng)探頭，能夠探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)周?chē)h(huán)境的CO濃度信息。

3）XD-58C_pulsesensor脈搏心率傳感感應(yīng)器。實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)，并在電腦上顯示脈搏曲線(xiàn)和心率數(shù)值。傳感器采集脈搏的工作原理是基于人體在心臟搏動(dòng)前后血液中氧含量的不同，進(jìn)而導(dǎo)致指尖、耳垂等肢體尖端部位的透光性也隨即發(fā)生變化，再利用光傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而測(cè)出脈搏心率的波動(dòng)數(shù)值。研究中多會(huì)選定指尖和耳垂位置，原因在于其他部位的透光率變化遠(yuǎn)沒(méi)有這些尖端部位表現(xiàn)得直觀、明顯。

[BT4]2基于Dijkstra算法的數(shù)據(jù)傳輸

[BT5]2.1Dijkstra算法

Dijkstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑，算法實(shí)現(xiàn)效果就是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到終點(diǎn)為止。假設(shè)在無(wú)向圖 G=（V，E） 中，每條邊 E[i] 的長(zhǎng)度可記為 w[i]，需要找到由頂點(diǎn) V0 到其余各點(diǎn)的最短路徑（單源最短路徑）。實(shí)現(xiàn)過(guò)程可具體描述為：

設(shè)G=（V，E）是一個(gè)帶權(quán)有向圖，把圖中頂點(diǎn)集合V分成2組。第一組為已求出最短路徑的頂點(diǎn)集合，用S表示：初始時(shí)S中只有一個(gè)源點(diǎn)，以后每求得一條最短路徑，就將其加入到集合S中，直到全部頂點(diǎn)都加入到S中，算法結(jié)束；第二組為其余未確定最短路徑的頂點(diǎn)集合，用U表示，按最短路徑長(zhǎng)度的遞增次序把第二組的頂點(diǎn)依次加入S中。在此過(guò)程中，始終保持從源點(diǎn)v到S中各頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度不大于從源點(diǎn)v到U中任何頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度。另外，每個(gè)頂點(diǎn)都將對(duì)應(yīng)一個(gè)距離，S中的頂點(diǎn)的距離就是從v到此頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度，而U中的頂點(diǎn)的距離，就是從v到此頂點(diǎn)、只包括S中的頂點(diǎn)為中間頂點(diǎn)的當(dāng)前最短路徑長(zhǎng)度。