，

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054； 2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 陜西分公司，西安 710065)

0 引言

近幾年我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)工業(yè)生產(chǎn)車間和倉(cāng)庫(kù)中的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。針對(duì)傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)方式會(huì)導(dǎo)致人力及物力資源的極大消耗，運(yùn)行成本高及信息反饋滯后的不足，系統(tǒng)采用無(wú)線智能小車來(lái)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并在上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及報(bào)警等。

無(wú)線智能小車是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，其特點(diǎn)是可以在復(fù)雜環(huán)境中自動(dòng)控制小車避開障礙物按照預(yù)定路徑行進(jìn)。智能小車上的傳感器可實(shí)時(shí)采集復(fù)雜環(huán)境中的重要信息以實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，具有一定的實(shí)用價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)基于LabVIEW的無(wú)線智能小車系統(tǒng)，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)的控制模塊由STM32F-103RCT6作為控制核心；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊具有行走和越障功能，既可通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)操控小車進(jìn)行基本行走，也可切換到自動(dòng)尋跡模式中利用紅外對(duì)管傳感器探測(cè)周圍的環(huán)境信息，進(jìn)而對(duì)前方的障礙物做出及時(shí)反應(yīng)；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集障礙信息和環(huán)境信息，對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫濕度、煙霧和光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)人機(jī)接口模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給上位機(jī)界面，利用LabVIEW軟件的圖形化編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)上位機(jī)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線與儀表顯示，歷史記錄與存儲(chǔ)，報(bào)警處理等功能[2]。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能小車下位控制器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)編程方便快捷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性高的目的，本系統(tǒng)采用的控制器為STM32F103RCT6芯片，它擁有增強(qiáng)的I/O和外設(shè)廣泛的特點(diǎn)，有3個(gè)12位ADC，4個(gè)通用16位定時(shí)器和兩個(gè)PWM定時(shí)器，具有先進(jìn)的通信接口，具有用于擴(kuò)展資源的2個(gè)I2C，3個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI，5個(gè)串口通信USART，1個(gè)USB可供使用，該款A(yù)RM擁有豐富的資源，用起來(lái)方便快捷、可靠性相對(duì)較高[3]。

2.2 智能小車尋跡避障模塊設(shè)計(jì)

智能小車尋跡的實(shí)現(xiàn)主要利用小車前方的兩個(gè)左右光電傳感器檢測(cè)黑白線，實(shí)現(xiàn)小車能跟著白線行走，同時(shí)也可避開障礙物，即在尋跡過(guò)程中，若遇到障礙物可自行繞開，繞開后繼續(xù)尋跡。光電傳感器實(shí)際為紅外對(duì)射管，由紅外發(fā)射管和接收管組成。光電傳感器利用黑白線對(duì)紅外線不同的反射能力，通過(guò)紅外接收管接收發(fā)射回的不同光強(qiáng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最后通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為控制器可識(shí)別的高低電平。

當(dāng)小車跟著白線前進(jìn)時(shí)，如果向左偏離了白線，則右邊的傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平，控制器判斷這個(gè)信號(hào)，然后右拐，回到白線后，兩個(gè)尋跡傳感器輸出信號(hào)為高電平，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，兩個(gè)尋跡傳感器放置在白線的外側(cè)，緊貼白線邊緣[4]。

2.3 智能小車傳感器模塊設(shè)計(jì)

智能小車上安裝的檢測(cè)外界溫濕度數(shù)據(jù)的傳感器為DHT11，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)[5]；采用光敏電阻模塊來(lái)檢測(cè)外界光照強(qiáng)度，工作電壓為3.3 V到5 V，靈敏度可調(diào)，比較器選用LM393，工作穩(wěn)定；采用MQ-2傳感器來(lái)檢測(cè)工廠、倉(cāng)庫(kù)的煙霧濃度，該傳感器采用的是二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體，通過(guò)它使用簡(jiǎn)單電路就可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。當(dāng)它與煙霧接觸時(shí)，會(huì)引起電導(dǎo)率的變化，從而獲得煙霧存在的信息，煙霧濃度越大，電導(dǎo)率越大輸出電阻就會(huì)越低[6]。

2.4 智能小車無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線接收發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)是個(gè)重點(diǎn)，它是連接各采集點(diǎn)與上位機(jī)的紐帶。無(wú)線模塊對(duì)環(huán)境較為敏感，同時(shí)無(wú)線模塊的功耗以及傳輸距離也是影響系統(tǒng)可用度的一個(gè)因素，所以必須選用能自己檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤，功耗小并且傳輸距離長(zhǎng)的無(wú)線模塊。

相比藍(lán)牙串口模塊傳輸距離短，成本較高的缺點(diǎn)，智能小車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用無(wú)線模塊NRF24L01對(duì)小車進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，同時(shí)各路傳感器數(shù)據(jù)的傳輸也通過(guò)該模塊。NRF24L01是無(wú)線收發(fā)一體模塊，內(nèi)置2.4 GHz 天線，采用跳頻技術(shù)可以有效減小同頻干擾，具有信道多的優(yōu)點(diǎn)，收發(fā)一體用起來(lái)比較方便，速度快，相同時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，工作電壓在1.9伏到3.6伏之間，傳輸速率為54 Mbps，因?yàn)樵诳罩袀鬏數(shù)乃俾史浅５亩蹋杂行У谋苊饬藷o(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象[7]。

2.5 智能小車報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)采集的溫濕度、光強(qiáng)和煙霧數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)在上位機(jī)進(jìn)行指示燈報(bào)警和聲音報(bào)警，同時(shí)在下位機(jī)使用SIM900A模塊給指定的電話號(hào)碼打電話，提醒監(jiān)測(cè)人員采取措施。報(bào)警模塊使用控制器的串口3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，PB10端口和PB11端口分別與SIM900A模塊的TXD、RXD連接，采用單獨(dú)的供電模塊來(lái)供電，保證電壓5 V以上，因?yàn)樵诖螂娫挼臅r(shí)候模塊瞬時(shí)電流能夠到達(dá)2A左右，串口3的波特率為9 600，與串口1的波特率115 200區(qū)別開來(lái)[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能小車下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

小車的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)模式兩種，當(dāng)標(biāo)志位為0時(shí)，小車為自動(dòng)控制，小車到達(dá)規(guī)定的軌道，開啟尋跡模式，繞著白色軌道行進(jìn)；當(dāng)標(biāo)志位為1時(shí)，小車為手動(dòng)控制，通過(guò)上位機(jī)LabVIEW來(lái)對(duì)小車進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的控制。小車控制流程如圖2所示。

圖2 智能小車控制程序流程圖

智能小車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制小車行進(jìn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)收到的不同信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程如圖3所示。

圖3 智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

小車的下位報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)中采用字符串?dāng)?shù)組來(lái)存儲(chǔ)AT指令，撥打電話的AT指令為ATD，用于撥打任意電話號(hào)碼，格式為“ATD+號(hào)碼+；”，末尾的分號(hào)一定要加上，否則不能成功撥號(hào)，同時(shí)采用串口3的內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

3.2 智能小車上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位系統(tǒng)包括上位主控制器STC12C5A60S2單片機(jī)和用LabVIEW軟件開發(fā)的人機(jī)界面。上位主控制器配合無(wú)線接收模塊NRF24L01工作以保證上下位機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)串口與人機(jī)界面進(jìn)行正常通信。小車的上位機(jī)界面設(shè)計(jì)中，后面板在While循環(huán)中采用3層式的層疊式順序結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)0中進(jìn)行串口配置，配置信息為波特率115 200，有效數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，與下位機(jī)程序中串口配置一致，從而實(shí)現(xiàn)了串口通信；

順序結(jié)構(gòu)1中采用case條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行小車控制和數(shù)據(jù)采集，顯示和聲光報(bào)警。后面板在通過(guò)串口對(duì)下位環(huán)境數(shù)據(jù)讀取時(shí)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入，后面板數(shù)據(jù)讀取程序框圖如圖4所示，這里采用布爾控件作為數(shù)據(jù)采集開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的啟動(dòng)和停止，當(dāng)開關(guān)打開，條件結(jié)構(gòu)為真時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取功能；當(dāng)開關(guān)斷開，條件結(jié)構(gòu)為假時(shí)關(guān)閉數(shù)據(jù)的讀取功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入功能，通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)采集開關(guān)將串口的讀取和寫入功能區(qū)分開[9]。

圖4 后面板數(shù)據(jù)讀取程序框圖

通過(guò)串口將上位機(jī)數(shù)據(jù)寫入下位機(jī)的后面板程序框圖如圖5所示，該面板設(shè)計(jì)主要為了是從上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遠(yuǎn)程控制。

圖5 后面板數(shù)據(jù)寫入程序框圖

向串口寫入的內(nèi)容主要是：ONA、ONB、ONC、OND、ONE、ONF、ONJ,分別實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、自動(dòng)控制、停車、手動(dòng)控制，該界面主要采用了Labview中的事件結(jié)構(gòu)控件來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)觸發(fā)不同的按鈕時(shí)將不同的事件信息寫入，并判斷應(yīng)該進(jìn)行的對(duì)應(yīng)動(dòng)作。這里要注意，在進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入時(shí)必須在字符的末尾加上‘ ’符號(hào)，因?yàn)樵谙挛豢刂破鱯tm32的函數(shù)封裝中，對(duì)于字符串的識(shí)別只有系統(tǒng)識(shí)別到該符號(hào)時(shí)，才默認(rèn)接收字符結(jié)束，在圖5中，將字符串‘ ’的顯示格式設(shè)置為‘’代碼顯示。另外在刷新按鈕按下之后，能將之前的數(shù)據(jù)清零，同時(shí)會(huì)觸發(fā)文本朗讀子VI程序模塊以實(shí)現(xiàn)當(dāng)數(shù)據(jù)超出上限時(shí)的聲音報(bào)警[10-11]；

順序結(jié)構(gòu)2中利用創(chuàng)建數(shù)組模塊和寫入及讀取電子表格文件模塊將下位機(jī)采集到的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史記錄與歸檔，將不同時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)以Excel的表格形式存儲(chǔ)在D盤以供查詢[12]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

人機(jī)界面采用圖形化模塊語(yǔ)言進(jìn)行編程，包括小車控制界面，溫濕度監(jiān)測(cè)界面，煙霧光照監(jiān)測(cè)界面和歷史數(shù)據(jù)記錄界面，以實(shí)現(xiàn)小車的手動(dòng)和自動(dòng)控制，環(huán)境參數(shù)的趨勢(shì)曲線顯示、儀表顯示和參數(shù)超過(guò)上限的實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)表記錄等工作，其中上位機(jī)不同環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)界面和歷史報(bào)表界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)運(yùn)行界面

從圖6的(a)和(b)圖可知，濕度參數(shù)和煙霧濃度參數(shù)超出上限，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，即上限報(bào)警燈變?yōu)榧t色并且觸發(fā)上位系統(tǒng)喇叭，提醒工作人員盡快采取相應(yīng)措施。圖6(c)是各個(gè)參數(shù)的歷史報(bào)表記錄，可根據(jù)時(shí)間進(jìn)行查看和歸檔。

5 結(jié)論

智能小車無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將STM32F103RCT6控制芯片與LabVIEW相結(jié)合，可自主實(shí)現(xiàn)尋跡避障等動(dòng)作，同時(shí)可通過(guò)上位機(jī)對(duì)小車進(jìn)行高效率的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)控制，利用LabVIEW軟件建立上位機(jī)界面，通過(guò)上位機(jī)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等。系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，可改變或增減傳感器監(jiān)測(cè)模塊，以滿足不同需求，可擴(kuò)展性強(qiáng)，值得推廣應(yīng)用。

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