張粹玲 羅卓童 馬永華 林實(shí)宇 夏林路

（華北電力大學(xué)，北京102206）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)與智能時代的到來，越來越多的科技致力于解放勞動力，而在一些生產(chǎn)現(xiàn)場又或者是生活區(qū)域，人為作業(yè)仍然是運(yùn)送貨物的主力軍。這種傳統(tǒng)的運(yùn)送模式勞動強(qiáng)度大，消耗大量的人力、物力，甚至存在一定的危險性。

本款小車應(yīng)用領(lǐng)域主要面向露天的現(xiàn)場，可用于電廠大型工業(yè)區(qū)、建筑施工區(qū)、集裝箱倉庫等。它可以通過實(shí)時反饋環(huán)境質(zhì)量和現(xiàn)場情況以及判斷現(xiàn)場是否遇到事故情況，在選擇巡檢模式后，多臺設(shè)備配合作業(yè)，組成智能運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場的巡邏工作，效率高且不容易出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致的失誤。

1 總體設(shè)計(jì)

小車實(shí)現(xiàn)原理是通過攝像頭和傳感設(shè)備進(jìn)行多數(shù)據(jù)采集，再由GPRS模塊和工廠的控制中心互聯(lián)，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，最后云端完成對數(shù)據(jù)的控制與管理。總體設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、云端控制和貨物抬升四部分組成，功能規(guī)劃有數(shù)據(jù)采集和處理、電磁循跡導(dǎo)航、速度反饋控制、運(yùn)輸模式智能化、智能識別障礙物并自動處理、云端控制。小車的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)電路

2 硬件電路

2.1 主控單元——單片機(jī)STM32F407

主控模塊采用STM32F407，STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，而STM32F407是STM32系列性能最優(yōu)越的一款，供電電壓范圍為3.3～4.4 V。其作用是控制傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器上。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

在智能運(yùn)貨車開始作業(yè)后，無論是運(yùn)輸模式還是巡檢模式，一方面對車子的速度、所承重量等數(shù)據(jù)進(jìn)行定時檢測和采集；另一方面，通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，以10 s為計(jì)時單位，反饋到后臺數(shù)據(jù)庫繪制成表或者曲線圖，再通過Web端反饋給作業(yè)人員，以便其直觀有效地判斷車子附近的環(huán)境或者現(xiàn)場情況，從而及時加以處理。

采集的數(shù)據(jù)有小車的速度、六合一傳感器的數(shù)據(jù)（其中包括溫度、濕度、CO2濃度、TVOC、甲醛濃度、PM2.5細(xì)顆粒物）以及道路前方是否有障礙物等。其中，小車速度通過編碼進(jìn)行反饋并用FTM通道采集，編碼器讀取實(shí)際車輪轉(zhuǎn)速，與設(shè)定速度進(jìn)行比較，然后用PID算法進(jìn)行調(diào)整，以使速度達(dá)到設(shè)定值。

小車所使用的六合一傳感器工作電壓為DC（5±0.2）V。由于諸多生產(chǎn)現(xiàn)場對環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，因此多種參數(shù)的檢測便于管理人員全方面地監(jiān)控，檢測參數(shù)的分辨率和測量范圍都有詳細(xì)的規(guī)定，通過RS485串口端接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

超聲波模塊和紅外傳感器用于對行駛路面信息進(jìn)行檢測，當(dāng)在相鄰時間點(diǎn)兩次辨別前方有障礙物時，能夠做到及時減速到停止。之后通過啟動攝像頭設(shè)備或通知附近現(xiàn)場人員進(jìn)而辨別情況，能夠在突發(fā)狀況發(fā)生之后做到及時最優(yōu)應(yīng)對。

2.3 數(shù)據(jù)傳送單元——GPRS模塊

小車在現(xiàn)場工作，通過GPRS模塊和控制中心互聯(lián)，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與控制中心的通信。選用的GPRS是SIMCon提供的SIM800C系列模塊，通過串口發(fā)送AT命令和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信功能，USB接口也可調(diào)試與軟件升級。

2.4 貨物運(yùn)輸單元——升降臺

小車的貨物運(yùn)輸部分安裝有一個可自由抬升且擋板可拆卸的升降臺，可實(shí)現(xiàn)多種模式的貨物傳送運(yùn)輸。由于使用場合的改變，小車增添升降臺能夠移動集裝箱、中小汽車等，通過模式切換，做到運(yùn)貨方式多樣化，即一車多用。

2.5 循跡單元——電磁軌道

由于眾多生產(chǎn)現(xiàn)場的路徑都有規(guī)劃規(guī)定，故本運(yùn)輸小車采用電磁軌道循跡，檢測磁場信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將其放大作為小車循跡的導(dǎo)航信號。小車可往返運(yùn)行，不需要錄入復(fù)雜交通規(guī)則，利用露天施工現(xiàn)場運(yùn)行交通線路閉合的特點(diǎn)，通過電磁循跡，使小車按指定線路運(yùn)行，不會給其他施工人員造成困擾。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端以達(dá)到遠(yuǎn)程對現(xiàn)場情況實(shí)時監(jiān)測的目的，其中單片機(jī)控速以及小車運(yùn)行狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)傳送和處理、Web云端監(jiān)測部分都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。

3.1 小車控速以及運(yùn)行狀態(tài)控制

通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)傳感器和其他設(shè)備的動作，由編碼器讀取速度然后與設(shè)定速度進(jìn)行比較，做到對所遇狀況的感知、辨別、應(yīng)對，包括速度讀取、差速調(diào)整、PID參數(shù)設(shè)置。由于小車在轉(zhuǎn)彎時左右輪速度不同，故需分別進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)傳送和處理

將硬件傳感器的數(shù)據(jù)以10 s一次的頻率通過串口發(fā)送到服務(wù)器端，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，后臺從服務(wù)器提出數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)自動生成表，且將表鏈接到前端做到實(shí)時呈現(xiàn)。

如圖2所示，以CO2的檢測為例，由生成表可以得到濃度實(shí)時值以及做出趨勢預(yù)測，以供管理人員查看。

圖2 CO2指數(shù)繪表分析

3.3 Web前端開發(fā)

結(jié)合HTML和CSS，完成Web云端界面的設(shè)計(jì)，分為七個版塊——首頁、監(jiān)測預(yù)警、日常監(jiān)管、應(yīng)急救援、安全知識庫、實(shí)景檢測、辦公輔助。在前端開發(fā)中，完成資料的整理，且增添鏈接和數(shù)據(jù)導(dǎo)入等串口，方便處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送呈現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文介紹的小車由單片機(jī)、傳感模塊、GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理傳送，云端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控和管理，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境識別分析從而進(jìn)行巡檢以及智能控速、電磁循跡、智能避障，擺脫了現(xiàn)場的限制。

經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)行測試，在對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，小車可自主地啟動運(yùn)行，并完成一系列數(shù)據(jù)上傳、路徑識別、貨物運(yùn)輸功能。后臺人員也可通過簡潔的界面監(jiān)控小車行駛現(xiàn)場的狀態(tài)，并在小車遇到障礙物反饋時及時作出反應(yīng)，操作簡便，節(jié)省了大量的人力、物力。

因?yàn)樵诋?dāng)前的無人駕駛作業(yè)中，針對現(xiàn)場作業(yè)的研究成果很少，但無人駕駛是一個潮流趨勢，且使現(xiàn)場作業(yè)高效化也是當(dāng)下的改進(jìn)點(diǎn)，所以，智能現(xiàn)場無人運(yùn)貨車具有廣闊的發(fā)展空間。