硬件编程 · 骑行头盔碰撞检测 · 2026-08-28

骑行头盔碰撞检测 —— 基于 nRF52840 与 LSM6DS3 的低成本智能安全方案

需求洞察

目标用户：城市通勤骑行者、公路车运动爱好者、外卖配送骑手。

真实痛点：

• 骑行事故中，头盔受到剧烈撞击后，骑手可能昏迷或无法主动求救，周围路人难以及时发现。
• 智能手机虽有跌倒检测，但放在口袋或支架上，对“头盔撞击”这种头部冲击情境识别不准确。
• 骑手在无监控路段发生事故，错失黄金救援时间。

为什么值得做：

• 头盔是骑行必备装备，在既有安全器材上做“增量智能化”不需要改变用户佩戴习惯。
• nRF52840 与 LSM6DS3 物料成本低，芯片功耗极小（待机数微安），可做到充电一次使用两周。
• 相比市售同类产品（如 Lumos 头盔、Coros 头盔），成本仅为其十分之一，且功能聚焦“碰撞检测+报警”这一刚需场景。

方案设计

感知层：LSM6DS3 三轴加速度计+三轴陀螺仪，采样率 416Hz（可配置），通过 I2C 与主控通信。持续采集加速度数据，计算合成矢量幅度（SVM），用于检测瞬时冲击。

控制层：nRF52840 主控运行实时检测算法。使用滑动窗口（窗口长度 200ms）识别冲击峰值，当 SVM 超过阈值（默认 4g）且持续时间大于 5ms，判定为一次碰撞，进入“疑似碰撞状态”。若 3 秒内加速度恢复正常且未检测到二次冲击，则触发确认流程；若存在连续冲击，判定为严重碰撞，直接报警。

执行层：震动马达 PWM 驱动，分三级反馈：

• 一级（轻微撞击，SVM 2.5-4g）：马达震动 2 次，提醒骑手检查头盔；
• 二级（中等碰撞，SVM 4-8g）：马达震动 5 次，若 10 秒内无取消操作，自动发送短消息给紧急联系人；
• 三级（严重碰撞，SVM >8g）：马达连续震动，立即通过 BLE 发送 SOS 信息（含 GPS 坐标，若有手机连接）。

日志/联网层：通过 BLE 5.0 与手机 App（iOS/Android）配对。设备本地缓存最近 50 条事件日志（时间戳+碰撞强度），手机连接后自动同步。App 内置紧急联系人设置、SOS 短信模板、墨迹天气与骑行路线记录（可选）。

物料清单

（总预算 140 元内，预留约 5 元走线/焊接耗材。）

接线与结构

GPIO 分配表（基于 Arduino nRF52840）：

• LSM6DS3 I2C → SDA（P0.14）、SCL（P0.15）
• 振动马达 PWM → P0.05（原方案指定）
• 按键1（取消报警）→ P0.11（带内部上拉）
• 按键2（手动测试）→ P0.12
• RGB LED → R=P0.08, G=P0.09, B=P0.10
• 电池电压检测 → AIN0（P0.02）

微调说明：指定 PWM 引脚 P0.05 在 nRF52840 上支持定时器通道（如 TIMER0 的 CC0 通道），可输出高频 PWM（20kHz）驱动马达，优于普通 GPIO 模拟 PWM（会有明显噪声）。其他引脚均避开 nRF52840 上 USB、NFC 等占用引脚，确保烧录调试无冲突。

物理结构：

• 主控、电池、传感器集成在一块 5cm×5cm 圆形 PCB 上。
• 整体通过 3D 打印的卡扣壳体安装于头盔后脑勺部位（重心低，不影响通风）。
• 振动马达贴合内衬泡沫，确保振动传导至皮肤。
• 壳体从外侧看呈流线型，厚度约 12mm，重量约 30g（含电池），对骑行风阻影响极小。

核心代码

以下为 PlatformIO + Arduino 框架下的可编译代码骨架（针对 nRF52840，使用 Adafruit BSP 或 Arduino Core）。

// 骑行头盔碰撞检测 - 核心骨架
// 需安装库：Adafruit_LSM6DS3, Adafruit Unified Sensor

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_LSM6DS3.h>

// 引脚定义
#define MOTOR_PWM_PIN      (P0_05)   // 指定PWM引脚
#define BTN_CANCEL_PIN     (P0_11)
#define BTN_TEST_PIN       (P0_12)
#define LED_R_PIN          (P0_08)
#define LED_G_PIN          (P0_09)
#define LED_B_PIN          (P0_10)

// 碰撞阈值（单位：g）
#define THRESHOLD_LIGHT    2.5f
#define THRESHOLD_MEDIUM   4.0f
#define THRESHOLD_SEVERE   8.0f

Adafruit_LSM6DS3 lsm;

// 状态机
enum CollisionState {
    IDLE,
    SUSPECT,      // 疑似碰撞，等待确认
    CONFIRMED_LIGHT,
    CONFIRMED_MEDIUM,
    CONFIRMED_SEVERE
};
CollisionState state = IDLE;

uint32_t lastShockTime = 0;
float maxSVM = 0.0f;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(LED_R_PIN, OUTPUT);
    pinMode(LED_G_PIN, OUTPUT);
    pinMode(LED_B_PIN, OUTPUT);

    // 初始化 I2C 及传感器
    if (!lsm.begin_I2C(LSM6DS3_ADDRESS)) {
        // 错误指示：红灯常亮
        digitalWrite(LED_R_PIN, HIGH);
        while (1) delay(100);
    }

    // 初始化 LED（绿色闪烁一次表示启动成功）
    digitalWrite(LED_G_PIN, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(LED_G_PIN, LOW);

    // 定时器 PWM 初始化
    // （具体 PWM 频率/占空比设置由 Board 支持，可简化为 analogWrite）
    analogWrite(MOTOR_PWM_PIN, 0);
}

void loop() {
    lsm.getEvent(&accel;_event, &gyro;_event, nullptr);
    
    // 计算合成矢量幅度 SVM = sqrt(x^2 + y^2 + z^2) - 1g 偏置
    float ax = accel_event.acceleration.x / 9.8f;   // 单位转换为 g
    float ay = accel_event.acceleration.y / 9.8f;
    float az = accel_event.acceleration.z / 9.8f;
    float svm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);

    // 刷新最大 SVM
    uint32_t now = millis();
    if (svm > maxSVM) maxSVM = svm;

    // 状态机处理
    switch (state) {
        case IDLE:
            if (svm > THRESHOLD_LIGHT) {
                // 进入疑似碰撞状态，记录时间
                state = SUSPECT;
                lastShockTime = now;
                // 点亮黄色 LED
                digitalWrite(LED_R_PIN, HIGH);
                digitalWrite(LED_G_PIN, HIGH);
            }
            break;

        case SUSPECT:
            // 检测二次冲击（严重碰撞）
            if (svm > THRESHOLD_SEVERE) {
                state = CONFIRMED_SEVERE;
                triggerMotor(255, 3000);   // 全速震动 3 秒
                sendSOS();                // BLE 发送 SOS
            } 
            // 3 秒内无二次冲击，进入中等碰撞判定
            else if (now - lastShockTime > 3000) {
                if (maxSVM >= THRESHOLD_MEDIUM) {
                    state = CONFIRMED_MEDIUM;
                    triggerMotor(180, 1000);   // 中速震动
                    // BLE 通知手机，等待用户取消
                } else if (maxSVM >= THRESHOLD_LIGHT) {
                    state = CONFIRMED_LIGHT;
                    triggerMotor(100, 500);    // 短震动提醒
                }
                state = IDLE;   // 复位
                maxSVM = 0.0f;
            }
            // 取消按键：认定为人为误触（如取下头盔）
            if (digitalRead(BTN_CANCEL_PIN) == LOW) {
                state = IDLE;
                maxSVM = 0.0f;
                digitalWrite(LED_R_PIN, LOW);
                digitalWrite(LED_G_PIN, LOW);
            }
            break;

        default:
            // 冷却 10 秒后回 IDLE
            if (now > lastShockTime + 10000) {
                state = IDLE;
                maxSVM = 0.0f;
                digitalWrite(LED_R_PIN, LOW);
                digitalWrite(LED_G_PIN, LOW);
                analogWrite(MOTOR_PWM_PIN, 0);
            }
            break;
    }
}

// 震动马达控制（PWM 占空比 duty=0-255, 持续时间 ms）
void triggerMotor(uint8_t duty, uint16_t duration) {
    delay(duration);
    analogWrite(MOTOR_PWM_PIN, 0);
}

// BLE SOS 发送（骨架占位，需结合 BLE UART 或自定义服务）
void sendSOS() {
    // 串口输出 SOS 信息（调试用）
    Serial.println("SOS: Collision detected!");
    // 实际项目：通过 BLE 发送带有时间戳与碰撞强度的通知
}