智能减负背包的设计与实现

智能减负背包的设计与实现

班宏伟,邢杰

沈阳化工大学信息工程学院

1引言

目前市场上背包种类繁多，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，而智能化背包价格居高不下，令很多消费者望而却步。市场需要一款价格适宜而又智能化的背包。因此，本文提出了一种基于创新和智能化理念的背包设计方案。智能减负背包将运用动力学、物理学等原理减轻负重，它以四轴飞行器的旋翼为动力，利用肩部压力传感器传输实时压力数据到核心控制板STM32F427IIH6，经过比较与计算产生输出信号到动力旋翼，从而达到减轻负重的效果。当前，这一技术是对减轻负重问题最为根本的途径，通过这一技术，可以有效的实现对背包的检测和减负，为人们的身体健康及出行提供一种安全保障。

2方案设计

本作品能够自动检测背包的负重，并人性化的提示用户进行姿势矫正。该作品首先会根据用户输入的年龄、身高、体重等指标来计算此用户的负重安全值上限，然后采用电阻式应变片与微控制器实时计算背包的负重，若背包持续超重，将会发出警告提醒。当肩带处压力超过预定值后，传感器输出信号就会传送到差动放大器，做差分处理，处理过的信号经过带通滤波，滤除传感器误差带来的信号中的直流分量，再经过ADC转换，转换成数字信号后传输到微控制器中。微控制器对信号进行处理后，再传输到电调来控制四轴旋翼，最终达到产生平衡升力的效果。实时安全定位模块包括GPS信息接收单元、微控制器、电源、GSM信息发送单元、终端。GPS信息接收单元包括GPS芯片、接收机和接收天线等，可以实时接收GPS卫星信号。GSM信息发送单元包括SIM800A通信模块，能够将接收到的GPS信息传输到预设的移动通信终端。方案框图如图1所示。

图1系统方案框图

3硬件设计

3.1电阻式压力传感器与调理电路的设计

电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变效应即吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化。智能减负背包感压电阻采用金属箔式应变片，用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械形变时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转化电路转换为相应的电压的变化。

3.2ADC模数转换模块

为了对模拟信号进行处理，要先将其转换成数字信号，然后将数字信号传送给微控制器进行处理。本文选择8通道16位高精度ADC转换器芯片AD7606作为外部模数转换器，它的模拟输入范围是10V，转换精度是0.0015%，当采集最大模拟电压5V时，16位ADC最小分辨为0.076mV。芯片采用5V单电源供电，不需要正负双电源但支持真正的双极性信号输入,同时所有的采集通道均能以高达200KSPS的吞吐速率进行采样。每个输入端的箝位保护电路可以耐受最高达16.5V的电压。AD7606每个芯片有8个采集通道。片上集成了二阶抗混叠滤波器、模拟输入箝位保护、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、跟踪保持放大器、2.5V基准电压源、数字滤波器及缓冲、高速串行/并行接口。

3.3微控制器

本文主控制器采用意法半导体公司生产的STM32F427IIH6作为主控制器。它使用来自ARM公司具有突破性的Cortex-M4内核，该内核集高性能、低功耗、实时应用于一体。STM32F427系列控制器具有以下性能：IEE1588V2以太网，全速/高速USB2.0OTG模块，丰富的通讯、定时、模拟和控制接口，支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快。同时STM32F4控制器还集成了浮点单元FPU、达1M字节的片上FLASH存储器、192字节的SRAM。满足本文数据处理及存储的需要。

3.4安全提示模块的设计

通过微控制器的通信接口与LED灯等控制端建立连接，通过陀螺仪传感器及定位系统功能判断用户的行走状态，然后做出相应的反馈并把信号发送给LED灯和其他指示单元。当用户处于直线行走状态时，显示屏闪烁图案；当用户处于转弯状态时，显示屏和LED灯将自动切换为转向箭头和闪烁灯，提示他人，实现了转向和安全行走的功能。

3.5系统电源设计

该款背包的一大亮点就是在背包外侧安装有一块太阳能电池板，并在内部置入了一块可拆卸式电池。它配备了10W太阳能电池板和19,800mAh电池，背包内的电池通过太阳能和电源适配器两种方式进行充电，其硬件采用最轻材质且体积较小，因此总体重量是合理的。电池通过太阳能充满电需要12小时，而通过电源适配器充满电只需4小时。系统的模块较多且相对复杂，因此对电源的要求也比较高，不同的电路模块会对电源有不同的要求，首先为了方便通过外部电源适配器对系统供电，系统会留出24V外部电源接口。输入的24V电压通过一个双极性输出DCDC模块YND24D12转换输出12V电压和一个双极性输出DCDC模块YND24D5转换输出5V电压。这一部分作为前置电源，为系统的模拟电路部分供电。为了给后续数字电路提供电源，使用低压差线性稳压器作为后置稳压源。

4软件设计

系统选用的微控制器为STM32F427IIH6，故选用KeilMDK作为集成开发环境（工具），它界面友好，易学易用，在软件仿真方面也有很强大的功能。程序使用C语言编程，微控制器官方提供了丰富的底层库文件，开发过程中可以直接引用，大大简化了软件开发过程。

5结语

在智能化高速发展的当代，普通背包的沉重感不再符合人们出行的要求，为了改变这一现状，本作品在延续传统背包的背负功能的前提下，又创新性的突破了传统背包的外观和功能的局限性。在背带内部加入应变片，通过检测背带处微小的形变，间接地检测背包负重，利用微控制器处理数据并控制四轴旋翼的动力装置，智能化的产生升力。人们想起沉重背包时，不再对它产生抵触和焦虑，满足了目前市场的需求，因此本作品拥有广阔的市场前景。

参考文献：

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[2]诸雅欣，李金一，于鹏博，马涛，杨家琛，杨晶.基于物联网传感器的iBag智能背包的设计与实现[J].物联网技术,2016(08).

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