🚴♂️ 基于 RT-Thread 的嵌入式智能骑行安全系统 —— 集成摔倒检测、GPS 定位、语音交互、LED 灯光信号与 PC 上位机实时监控。
🚴♂️ An RT-Thread based embedded smart cycling safety system with fall detection, GPS tracking, voice interaction, LED signaling, and a real-time PC monitoring station.
智能骑行头盔系统 是一款面向骑行安全的嵌入式物联网项目。头盔端以 STM32F103C8T6 为主控、RT-Thread Nano 为实时操作系统，通过 MPU6050 六轴传感器实现摔倒检测与转向识别，结合 GPS 定位、超声波后方测距、ASRPRO 离线语音交互及 WS2812 全彩 LED 转向灯带，构成完整的车载安全感知与预警体系；所有传感器数据经 ESP32 WiFi 网桥实时上传至 PC 上位机，上位机基于 Python + PyQt5 构建，通过 Leaflet 交互地图实时追踪骑手位置与移动轨迹，同步显示速度曲线与骑行状态，并支持向头盔下发远程控制指令。
| 功能 | 描述 | 技术方案 |
|---|---|---|
| 🛡️ 摔倒检测 | 两阶段状态机（自由落体→撞击），误触发免疫 | MPU6050 加速度计，0.60g/1.50g 阈值 |
| 📡 GPS 定位 | 位置、速度、海拔、UTC 时间采集 | NEO-6M，5Hz 更新率，双语句解析 |
| 🎤 语音交互 | 语音播报转向/障碍物提醒，语音控制转向灯 | ASRPRO 离线语音模块，双向 UART 协议 |
| 💡 LED 灯光信号 | 转向流水灯、摔倒警示闪烁、障碍物告警 | 20 颗 WS2812 全彩 LED，彩虹动画 |
| 🔊 超声波测距 | 后方障碍物检测（2cm~450cm），近距告警 | HC-SR04 + TIM2 输入捕获 + 信号量同步 |
| 📺 TFT 显示 | 骑行状态、GPS 坐标、加速度实时显示 | ST7735R 128×160 RGB565，中文渲染 |
| 📶 WiFi 遥测 | 实时数据上传 PC，支持双向指令 | ESP32 TCP 网桥，mDNS 服务发现 |
| 💓 心跳指示 | 系统运行状态指示 | GPIO LED，2s 闪烁周期 |
| 功能 | 描述 | 技术方案 |
|---|---|---|
| 🗺️ 实时地图追踪 | Leaflet 地图显示骑手位置与移动轨迹 | Leaflet + PyQtWebEngine |
| 📈 速度曲线 | 实时滚动速度波形图（60 采样窗口） | pyqtgraph |
| 🚨 状态监控 | 正常骑行 / 摔倒警告，状态栏闪烁告警 | PyQt5 信号槽 |
| 🎮 远程控制 | 向头盔发送指令（复位、模拟摔倒等） | TCP socket 双向通信 |
| 🧪 模拟模式 | 无需硬件即可体验全部功能 | 内置模拟数据生成器 |
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ 智能骑行头盔系统 │
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│
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│ GPS定位 │ │ STM32F103C8T6 │ │ PC 上位机 │
│ NEO-6M │ │ RT-Thread Nano │ │ Python/PyQt5 │
│ 5Hz │ │ 6线程 / 6Threads │ │ TCP Server │
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│ │ │
│ USART1 (9600) │ USART3 (115200) │ socket
├──────────────────┤◄═════════════════════►│ :8888
│ │ ESP32 WiFi 网桥 │
│ │ │
│ ┌─────────────┤ │
│ │ MPU6050 │ │
│ │ I2C1(400K) │ │
│ ├─────────────┤ │
│ │ HC-SR04 │ │
│ │ TIM2捕获 │ │
│ ├─────────────┤ │
│ │ ASRPRO │ │
│ │ USART2(9600)│ │
│ ├─────────────┤ │
│ │ WS2812×20 │ │
│ │ GPIO 位带 │ │
│ ├─────────────┤ │
│ │ TFT LCD │ │
│ │ ST7735 SPI │ │
└────┴─────────────┘ │
│
实时地图/轨迹/速度/状态◄┘
| 线程 | 优先级 | 栈 | 周期 | 职责 |
|---|---|---|---|---|
| gps | 18 (最高) | 2560B | 10ms 轮询 | NMEA 接收解析 ($GPRMC + $GPGGA) |
| voice | 19 | 1536B | 50ms 轮询 | ASRPRO 双向指令，语音播报控制 |
| sensor | 20 | 2560B | 100Hz 检测 | MPU6050 读取，摔倒/转向检测，TFT 刷新 |
| turn_led | 22 | 1024B | 状态机 | WS2812 灯带动画控制 |
| ultrasonic | 24 | 1536B | 2Hz | HC-SR04 距离测量 |
| heartbeat | 26 (最低) | 512B | 2s | 心跳 LED 闪烁 |
| 模块 | 型号 | 接口 | 数量 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 主控 MCU | STM32F103C8T6 | - | 1 | ARM Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash |
| 开发板 | 野火 STM32-F103 指南者 | - | 1 | BH-F103 |
| 六轴 IMU | MPU6050 | I2C1 (PB6/PB7) | 1 | 加速度计 + 陀螺仪 |
| GPS 模块 | NEO-6M | USART1 (PA9/PA10) | 1 | GPS/GLONASS |
| 超声波模块 | HC-SR04 | GPIO + TIM2 (PA0/PA1) | 1 | 后方测距 |
| 语音模块 | ASRPRO | USART2 (PA2/PA3) | 1 | 离线语音识别/合成 |
| WiFi 网桥 | ESP32 DevKit-C | USART3 (PB10/PB11) | 1 | TCP 透传 |
| LED 灯带 | WS2812 | PA8 (左) / PA11 (右) | 2×10 | 全彩可寻址 |
| TFT 屏 | ST7735R | 模拟 SPI (PA4/5/7, PB0/1) | 1 | 128×160 RGB565 |
Smart_Cycling_Helmet/
├── User/ # 应用层源代码 / Application source
│ ├── main.c # 入口 & 6个RT-Thread线程实现
│ ├── mpu6050.c/h # MPU6050驱动 & 摔倒/转向检测
│ ├── gps.c/h # GPS NMEA解析 & 5Hz配置
│ ├── hcsr04.c/h # HC-SR04超声波驱动
│ ├── voice.c/h # ASRPRO语音模块协议
│ ├── esp_bridge.c/h # ESP32 WiFi网桥驱动
│ ├── Lcd_Driver.c/h # ST7735 TFT驱动
│ ├── GUI.c/h # 图形库 & 中文GBK渲染
│ ├── ws2812.c/h # WS2812驱动 & 动画控制
│ ├── led/ # LED GPIO初始化
│ ├── stm32f10x_it.c/h # 中断服务程序
│ ├── font.h / boot_logo.h # 字库 & 开机logo位图
│ └── text_logo.h / status_icons.h
├── ESP32_GPS_Bridge/ # ESP32 WiFi网桥固件
│ └── ESP32_GPS_Bridge.ino # Arduino WiFi TCP透传
├── Libraries/ # STM32固件库
│ ├── CMSIS/ # ARM Cortex-M3核心
│ └── FWlib/ # ST标准外设库 v3.5.0
├── Project/RVMDK (uv5)/ # Keil MDK工程
│ ├── BH-F103.uvprojx # Keil项目文件
│ └── RTE/RTOS/ # RT-Thread Nano配置
└── Doc/ # 文档
├── readme.txt # 原始说明
└── analysis.txt # 详细代码分析文档
- IDE: Keil MDK-ARM v5 或更高版本 (uVision5)
- 工具链: ARM Compiler 5.06 update 7
- 器件包: Keil.STM32F1xx_DFP.2.4.1
- RTOS: RT-Thread Nano v3.1.5 (已包含在工程中)
- 用 Keil MDK 打开
Project/RVMDK (uv5)/BH-F103.uvprojx - 确认 Target 为
STM32F103C8，输出文件名为定位 - 点击 Build (F7) 编译
- 通过 ST-Link 或 DAP-Link 将固件烧录至开发板
在 main.c 中通过宏定义控制模块启停：
#define MODULE_MPU6050_ENABLE // MPU6050 摔倒检测模块
#define MODULE_HCSR04_ENABLE // HC-SR04 超声波模块
#define MODULE_ASRPRO_ENABLE // ASRPRO 语音模块使用 Arduino IDE 打开 ESP32_GPS_Bridge/ESP32_GPS_Bridge.ino，编译烧录至 ESP32。ESP32 将作为 TCP Client 主动连接 PC 上位机的 TCP Server（端口 8888）。
上位机代码路径：D:\all_practice\PyCharm\helmet_1
cd D:\all_practice\PyCharm\helmet_1
pip install -r requirements.txtpython main.py- 模拟模式（默认开启）：无需硬件，自动生成模拟 GPS 数据进行演示
- WiFi 模式：PC 作为 TCP Server 监听
0.0.0.0:8888，ESP32 作为 Client 主动连接，点击"启动WiFi服务" - 远程控制：在命令框输入指令（如
RESET、FALL_EVENT、LEFT_ON），点击发送
GPS 数据帧（键值对格式）：
LAT:31.2345,LON:121.6789,TIME:12:30:45,STATUS:0,SPEED:15.2
GPS 数据帧（NMEA 风格 $IH 语句）：
$IH,31.2345,121.6789,12:30:45,0,15.2#
传感器心跳帧：
S:ACC:1.03,GYZ:2.5,STA:0 （改功能并未在上位机里面显示，后续会持续跟进）
| 指令 | 作用 |
|---|---|
RESET |
系统复位 / System reset |
FALL_EVENT |
触发模拟摔倒 / Trigger test fall |
LEFT_ON |
左转向灯开 / Left turn on |
LEFT_OFF |
左转向灯关 / Left turn off |
RIGHT_ON |
右转向灯开 / Right turn on |
RIGHT_OFF |
右转向灯关 / Right turn off |
启动后：
- 头盔 TFT 屏显示 "智能骑行系统" 开机画面 (~1.5s)
- 进入状态界面：显示骑行状态、加速度值、GPS 经纬度
- 骑行中：转向灯彩虹流水动画，语音播报转弯方向
- 摔倒时：LED 红色闪烁 + 语音告警 + 上位机弹窗
- 后方障碍物 < 2m：超声波告警 + "小心行驶" 语音提示
- 上位机实时显示地图位置、轨迹、速度曲线
- 低功耗设计（电池供电优化）
- 本地数据存储（SD 卡 / Flash 日志记录）
- RT-Thread 邮箱/消息队列替代全局变量通信
- 自适应摔倒阈值校准
- ESP32 HTTP POST 云端对接（OneNET / 阿里云 IoT）
- 手机 App 端监控（蓝牙/WiFi）
- OTA 固件升级
本项目采用 MIT License 开源。详见 LICENSE 文件。
This project is open sourced under the MIT License. See LICENSE for details.
- 作者: Lunantic
- GitHub: https://github.com/Lunantic/Smart_Cycling_Helmet
- 日期: 2025
