基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統(tǒng)設計

李海軍，王軍敏，王艷輝

（平頂山學院 信息工程學院，河南平頂山，467000）

0 引言

提高旅游車的智能化水平對提升游客的安全性和自主性，并緩解景區(qū)的游客接待壓力具有重要的意義。目前，景區(qū)內(nèi)使用的觀光車通常需要專業(yè)司機駕駛，按照規(guī)定時間發(fā)車，到站下車，游客自主性較差，等車時間不固定，游玩體驗不夠好，而且觀光車行駛過程中的安全性受駕駛員技術水平影響較大，安全保障一般[1]。隨著傳感器技術與物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，智能化的觀光車有著極大的市場需求。因此，本文設計一種能夠自動駕駛、檢測精度高、傳輸穩(wěn)定的自助旅游車控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統(tǒng)主要包含硬件電路模塊和軟件控制系統(tǒng)，并采用WiFi 通信完成遠程傳輸。該系統(tǒng)由采集與控制端，數(shù)據(jù)傳輸端以及遠程監(jiān)控信息端三部分組成，分別對應于物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構的感知層、網(wǎng)絡傳輸層以及應用管理層[2]。傳感器將采集到的信息顯示在OLED 屏幕上并且將信息實時推送到ONENET 云服務器，當檢測到障礙物距離低于閾值則緊急制動，接收到站臺信息后，自動更新OLED 顯示屏以及客戶端的顯示信息；另一方面用戶需要先注冊賬號，再登錄系統(tǒng)掃描設備二維碼，手機端便會將設備添加到自己的管理設備中，從而實時更新頁面上顯示的信息，達到遠程實時獲取小車位置以及預約小車的功能。

本文設計的自助旅游車控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)循跡避障、站臺檢測和到站播報的功能。該系統(tǒng)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到STM32 主控單元，當讀取到障礙物距離低于閾值時，小車會自動停車，當讀取到站臺信息時，自動更新OLED屏以及云平臺的當前所在站的信息。此外，主控模塊將數(shù)據(jù)讀取后，可以通過ESP-8266 WiFi 模塊利用EDP 協(xié)議上傳到ONENET 云服務器，在此過程中ESP-8266 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)，本設計中采用EDP 協(xié)議接入，是OneNET 平臺特有的傳輸協(xié)議。該協(xié)議基于TCP 進行傳輸，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下發(fā)及轉發(fā)功能，接收數(shù)據(jù)時支持7 種格式，具有功能強大和實現(xiàn)簡單的特點。

圖1 展示了該自助旅游車控制系統(tǒng)的原理圖，可以完成各項參數(shù)的采集，實現(xiàn)自動化控制、數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸以及用戶實時的控制操作。

圖1 基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統(tǒng)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設計

■2.1 循跡避障電路設計

本系統(tǒng)采用HC-SR04 超聲波傳感器實現(xiàn)在小車行駛過程中對障礙物距離的檢測和避障，該傳感器具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，測距精度也可以滿足本系統(tǒng)的設計需求。HC-SR04 超聲波模塊具有兩個壓電陶瓷超聲傳感器，其中一個用于發(fā)射超聲波脈沖信號，另一個用于接收信號，由于發(fā)射和接收的信號都比較微弱，外圍信號放大電路可以放大該模塊發(fā)射和接收的信號，從而能將信號更穩(wěn)定地傳給單片機。該模塊的子程序設計首先進行HC-SR04 的初始化，然后在觸發(fā)信號輸入管腳Trig 中，輸入長為20μs 的高電平正方形波，在該正方形波被輸入后，該模塊將自動發(fā)出8 個40 kHz 的聲波，其中，該回聲信號輸出管腳echo 的電平會由低電平變?yōu)楦唠娖?，該回聲引腳末端的電平會由高電平變?yōu)榈碗娖健Ｓ嫊r器上記錄著從發(fā)出超聲波到返回的全過程。根據(jù)每秒344 m 的音速值，就能計算出這輛車和障礙物的距離。本系統(tǒng)設置超聲波測距范圍0～15cm 為危險距離，在這個范圍內(nèi)，小車自動剎車。圖2 為HC-SR04 超聲波測距模塊電路。

圖2 HC-SR04 超聲波避障模塊電路

本系統(tǒng)采用TCRT5000 紅外循跡傳感器實現(xiàn)小車的循跡功能，該模塊具有實現(xiàn)簡單，響應速度快，便于對近程道路狀況進行檢測，并具有較強的抗干擾能力。該模塊的工作原理為在組件工作時，它的紅外發(fā)光二極管持續(xù)地發(fā)出紅外線，如果發(fā)出的紅外線未被反射，或是反射的訊號不足夠強烈，則紅外線接收器將永遠關閉，以至于模組的輸出端為高電平，表示二極管是關著的，而這時汽車是正常運行的。在汽車脫離軌道的時候，紅外線會被反射回去，然后紅外線接收管就會達到飽和，這個模塊的輸出端電平就會變得很低，這就表示二極管是工作在常亮的情況下，此時小車進行自動循跡。本設計將兩個紅外循跡模塊分別放置在小車前方底盤兩側，當小車左前方紅外循跡模塊檢測到黑色軌跡時，將檢測到的信息上傳到控制單元，單片機控制小車左邊的馬達反向轉動，右邊的馬達正向轉動，從而使小車向左邊跟蹤；當小車右前方紅外循跡模塊檢測到黑色軌跡時，小車控制單元接收到信息后同樣控制小車左側電機正轉，右側電機反轉，實現(xiàn)小車向右循跡。圖3為TCRT5000 紅外循跡模塊電路。

圖3 TCRT5000 紅外循跡模塊電路

■2.2 站點信息采集電路設計

采用紅外對管傳感器采集站臺信息，該模塊具備反應速度快、高精度以及平穩(wěn)運行的優(yōu)點。紅外對管的工作原理是基于熱效應，它使用熱效應將熱轉換為電信號。紅外接收模塊包括LM358、LM567 和紅外線接收管，該運放裝置對接收到的信號進行放大，向LM567 供給該放大信號。LM567 是一種單片音頻解碼器集成電路，其中包括了一個穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個晶體管開關，通過外部元件的組合，它自身可產(chǎn)生非常穩(wěn)定的音頻振蕩信號，并且其頻率可由外接元件來控制，LM567的5、6 腳分別為外接定時電阻和定時電容端，構成 RC 定時電路。對此模塊進行電信號的采集，并將 OUT 的輸出管腳連接到單片機的PB13 管腳上。在旅游車經(jīng)過或者到達站點時，旅游車攜帶的紅外接收單元檢測到站臺的發(fā)射單元發(fā)出的光線，將其轉化為電信號并傳遞給主控模塊更新OLED顯示屏以及手機端上的站點信息。圖4 為站點信息采集模塊電路。

圖4 站臺信息采集模塊電路

■2.3 ESP-8266 WiFi 電路設計

無線通信模塊在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)傳輸端進行交互時有著極其重要的作用。本系統(tǒng)用ESP-8266WiFi 模塊與OneNET 平臺進行通信。且該模塊價格低、穩(wěn)定性高、串口速率可達4Mbps，可支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三種工作模式[3]。本次設計中，從以上的工作模式中選擇STA 模式作為WiFi 模塊的工作模式，完成客戶端與設備之間的數(shù)據(jù)通信。WiFi 通訊模塊和單片機之間是用串口進行通訊的，單片機可以把采集到的各種環(huán)境信息打包后，再用串口傳輸?shù)姆椒ㄉ蟼鞯紼SP-8266 WiFi 模塊上。通過WiFi 模塊，按照EDP 協(xié)議，將環(huán)境數(shù)據(jù)轉換成合適的格式，并將其發(fā)送給云平臺，消息類型選擇Save Data 類型，消息子類型采用JSON 格式串，只需將該模塊的RXD、TXD口分別接單片機的PA2（TXD)口和PA3（RXD)口。

3 軟件系統(tǒng)設計

■3.1 采集端軟件系統(tǒng)設計

首先進行程序端的初始化，然后各硬件電路根據(jù)程序預設的狀態(tài)進行硬件初始化[4]。在OLED 屏幕上顯示部分不需要改變的文字，如“目的站”“當前站”“距離”等文字。硬件初始化結束后進行系統(tǒng)狀態(tài)的獲取，獲取設置的閾值以及獲取AD 轉換后的參數(shù)。判斷雙路電機驅(qū)動、紅外對射模塊等標志位，執(zhí)行獲取到的狀態(tài)設置，并將部分參數(shù)及狀態(tài)顯示于屏幕的相應位置。完成以上操作后將對WiFi 模塊IO進行初始化和復位，將ESP8266 模塊的指令發(fā)送和接收方式設定為STA，通過STM32 進行相應的AT 指令的發(fā)送和接收，控制WiFi 通訊模塊與路由器的連接，配置完成后連接到ONENET 云服務器，實現(xiàn)單片機主控模塊與云平臺進行數(shù)據(jù)交互，并在OLED 屏幕上更新獲取到的信息。采集端將發(fā)布消息到服務器，微信小程序通過訂閱此主題便可接收到消息，最后通過小程序的API 渲染到頁面上，用戶也可以通過小程序?qū)崿F(xiàn)對小車的遠程控制。圖5 為采集端主程序的工作流程圖。

圖5 采集端主程序的工作流程圖

■3.2 客戶端軟件系統(tǒng)設計

自助旅游車控制系統(tǒng)的移動終端可以利用阿里云開發(fā)的一款微信小程序，首先需要在阿里云平臺上創(chuàng)建產(chǎn)品，通過平臺中提供的模板對移動終端的功能與界面進行設計，然后為產(chǎn)品增加新功能，最后配置終端界面的頁面，布局方案選擇標準面板。終端頁面內(nèi)容主要展示實時檢測到的小車所在站臺信息，另外包含四個站臺按鈕，可以控制小車到達指定位置。所設計的客戶端界面如圖6 所示。

圖6 移動終端主界面

本系統(tǒng)的移動終端也可以基于App Inventor2 Wx Bit漢化版進行APP 開發(fā)，這是一款開發(fā)簡便、可以通過視覺進行傳達APP 制作平臺。只需要拖動一個部件和一個邏輯模塊，就可以完成一個安卓系統(tǒng)的應用，拋棄了那些復雜的代碼，采用了樂高積木的方式，就可以完成這個系統(tǒng)的設計和制造，這樣就可以大大地減少系統(tǒng)的開發(fā)難度，提升系統(tǒng)的開發(fā)效率。

在主界面上，添加按鈕、文本標簽以及Web客戶端控件。在選中控件之后，可以在右側工作區(qū)的屬性欄中對屬性進行修改，比如文字、顏色、字體大小等，進而設計出應用界面。

對于程序邏輯的編寫，重要的是為組件設計對應的事件邏輯。本設計需要設計按鈕，用來遠程控制小車。在模塊中選擇按鈕控件，在該部分進行全局變量的定義。選中Web客戶端，用來讀取HTTP 的響應，有了響應之后，要把響應內(nèi)容放到文本標簽上顯示出來，與上面的控制模塊結合起來，然后將定義的全局變量對應到相應數(shù)據(jù)流在全部變量A2 列表的位置，隨后將獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)，以及設置的閾值放在APP 響應的文本標簽顯示出來。

開發(fā)過程中首先針對OneNET API 進行GET 的請求，然后定義一個全局變量URL，變量的值為“http://api.heclouds.com/devices”。在模塊欄選擇Web 客戶端，選擇組件，并與計時器控制組件結合到一起，再增加一個變量，取URL 的值。接著創(chuàng)建包含兩個元素的列表（數(shù)組)，放入api-key 以及它的值，如["api-key","xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxx"]。進而執(zhí)行GET 請求，獲取數(shù)據(jù)。通過類似操作與按鈕的控制組件結合進行POST 文本請求。進行命令的下發(fā)，通過云平臺轉發(fā)，單片機接收后執(zhí)行相應的切換操作。

4 結論

本文以STM32 單片機為控制核心，采用TCRT5000紅外循跡傳感器、HC-SR04 超聲波傳感器、紅外對管傳感器等實現(xiàn)小車的循跡避障以及站臺信息采集，并利用無線WiFi 模塊通過EDP 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至用戶手機端，用戶可通過微信小程序遠程控制小車到達指定站臺，具有重要的應用價值。