隋盛譽(yù)，邢曉鵬，劉春池，劉搏飛，孫嘉成，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院電子與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116102）

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，人們對地球資源的利用也在加速，由于對其處理不當(dāng)，隨之而來的是周圍的危險(xiǎn)越來越多，造成了許多不可避免的災(zāi)難和難以挽回的損失。因此，人工智能化是未來發(fā)展的必然趨勢，通過智能設(shè)備提前檢測與預(yù)警，可以降低和減少災(zāi)難的發(fā)生。

與目前市面上的預(yù)警檢測車相對比，市面上目前大部分的檢測車只有固定檢測和平地移動(dòng)式檢測兩大類；而本車的優(yōu)勢則在于可在住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)以及工廠等復(fù)雜環(huán)境中使用，能夠翻山越嶺，適應(yīng)各種地貌環(huán)境，其還可以在許多人們無法到達(dá)的地方進(jìn)行探測和預(yù)警，從而幫助人們提前預(yù)測危險(xiǎn)，避免更大的損失。此外，檢測更加準(zhǔn)確，防止有類似對象觸發(fā)誤報(bào)警。同樣，在發(fā)生災(zāi)難時(shí)，本車也可以在危險(xiǎn)環(huán)境中工作，用來尋找傷者和物資，避免傷亡。其工作效率與克服艱苦環(huán)境程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的探測車。

根據(jù)對國內(nèi)外災(zāi)難發(fā)生原因收集得知，火災(zāi)和爆炸都可以對人類造成巨大的傷害。因此，預(yù)防此類災(zāi)害已成為了國際的重要主題。我國一年消防就接報(bào)火災(zāi)約25萬起，造成損失約40 億元，火災(zāi)和爆炸災(zāi)害是我們需要面臨的長期嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由此本文提出監(jiān)測預(yù)警車的設(shè)計(jì)可以使這種災(zāi)害降低到最小，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少損失和人員傷亡。在各種環(huán)境下，都能使火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害遠(yuǎn)離人群，實(shí)現(xiàn)安全的生活環(huán)境。

1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件

本車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由STM32 主控模塊、超聲波測距模塊、氣體檢測模塊、無線射頻微處理器模塊、紅外反射傳感器模塊和其他模塊構(gòu)成。其中STM32 單片機(jī)作為主控模塊，圖1所示為系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 各模塊組成

1.2.1 主控制模塊

主控模塊采用STM32 作為主控制器，主要用于采集信息、處理數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能。51單片機(jī)能夠滿足大多數(shù)的日常使用，成本低廉，體積大，不需要轉(zhuǎn)接板和適配板就可以直接插入萬用板中使用。而STM32 是32 位控制器，51 是8 位的，處理速度快得多；STM32 內(nèi)部時(shí)鐘比51 大很多；類似地，定時(shí)器STM32 有8 個(gè)，而51 只有兩個(gè)；STM32 有豐富的外設(shè)接口，可以執(zhí)行多任務(wù)和高實(shí)時(shí)的控制任務(wù)。對于51 來說，只能用CPU 指令控制IO 高低電平來模擬，占用CPU資源多，執(zhí)行任務(wù)慢且錯(cuò)誤率較高。所以STM32與51單片機(jī)相比，STM32 具有更高的性能，更快的響應(yīng)速度和更強(qiáng)的信息處理能力[1]。外圍設(shè)備豐富合理、軟件支持強(qiáng)、芯片型號多、功耗更低、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。STM32處理器原理如圖2所示。

圖2 STM32處理器原理

1.2.2 無線射頻微處理器模塊

無線射頻微處理器模塊采用新型單片射頻收發(fā)器，nRF24L01射頻模塊具有功耗低，傳輸數(shù)據(jù)距離長，更加節(jié)能，可自動(dòng)應(yīng)答和發(fā)送等優(yōu)點(diǎn)。采用射頻處理器模塊，通過組網(wǎng)來提高傳輸信息的距離，并且可以增加信息傳輸?shù)目煽啃?；也可以通過適當(dāng)通過增加發(fā)射功率，來提高通信的可靠性；在接收端前端引入良好的濾波和可控制的低噪聲放大器，就可以自動(dòng)校正電平；為了提高通信質(zhì)量，還可以提高天線的增益，選擇小電抗的饋電系統(tǒng)，并增加必要的屏蔽。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并且集成了增強(qiáng)型沖擊波技術(shù)，可在多種低功耗模式下工作[3]。收發(fā)信息之間互不干擾，而且在工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。nRF24L01原理如圖3所示。

圖3 nRF24L01原理

1.2.3 紅外反射式傳感器模塊

紅外避障模塊選用TCRT5000 傳感器。紅外反射式傳感器的工作原理是：由發(fā)射器、接收器和檢測電路這3 部分組成了此模塊主要部分。發(fā)光二極管和紅外發(fā)射二極管等發(fā)射光束，光束連續(xù)發(fā)射或改變脈沖的寬度，然后由配備透鏡和光圈的光電二極管、三極管和其他接收器接收，以此來濾出有效信號和應(yīng)用信號。紅外光電利用物體對紅外光束的反射原理，通過對反射回來的光束強(qiáng)弱的測量，以此來判斷物體的存在位置和大小等。

特點(diǎn)：電路布局簡單，操作簡單；靈敏度精確，性能優(yōu)異；紅外反射傳感器模塊采用單片機(jī)作為主控制器，可以對紅外傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行單片機(jī)控制。發(fā)送和接收信號可由單片機(jī)對其進(jìn)行自定義，使傳感器能夠自我反饋和接收信號。該傳感器廣泛應(yīng)用于避障循跡方面[4]。

1.2.4 超聲波模塊

超聲波模塊選用市場上常用的超聲波傳感器和超聲波測距模塊HC-SR04，配置簡單，當(dāng)與被測物體的距離突然改變時(shí)，被測值不會跳變[5]。因此，在測距時(shí)，選擇均值或者中值濾波可以使距離的測量值更接近真實(shí)值，精確度更高。

超聲波的工作原理：由超聲波模塊控制部分、總線部分、超聲波發(fā)射與接收部分。其主控制端通過發(fā)射信號，將信號發(fā)送進(jìn)入到發(fā)送電路中，發(fā)射出去后由接收端對接收信號進(jìn)行放大處理，回到該主控端口，計(jì)算得出障礙物距離；因此，超聲波測距模塊經(jīng)由超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差獲得與障礙物的距離，作為車身判斷路況的主要測距模塊，然后由STM32 控制做出相應(yīng)動(dòng)作。并且通過探頭多角度旋轉(zhuǎn)，使測量無死角，信息更精準(zhǔn)。同時(shí)，為了便于超聲波模塊可以準(zhǔn)確無誤地工作，在超聲波模塊的接收部分加入放大電路和比較器?？梢愿玫亟邮盏酱蠓秶幕芈?，以此避免丟失遠(yuǎn)處或細(xì)小物體而對運(yùn)行與指令的執(zhí)行產(chǎn)生影響。

1.2.5 氣體檢測模塊

氣體檢模塊采用MQ 氣體檢測模塊。該模塊可以在多種環(huán)境下對氣體進(jìn)行檢測。它具有高靈敏度和快速的響應(yīng)時(shí)間[6]。其可以能夠每時(shí)每刻對氣體進(jìn)行檢測。并且其監(jiān)測范圍較其他更廣，可以長期穩(wěn)定使用。能夠?qū)ο鄳?yīng)氣體進(jìn)行準(zhǔn)確識別，不會產(chǎn)生誤報(bào)情況。在使用MQ 系列氣體檢測模塊中，可以使用多種型號搭配使用，能夠準(zhǔn)確無誤檢測出空氣中存在的可燃?xì)怏w，且成本低，使用方便。

在主要部分采用了MQ-9 氣體檢測模塊，是因?yàn)镸Q-9 模塊采用導(dǎo)電率非常低的氣敏材料，通過高低溫加熱等方式，來連續(xù)不間斷的對CO 氣體、CH4氣體和常見的可燃性氣體進(jìn)行檢測，并根據(jù)其檢測報(bào)告從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號輸出和傳輸，使工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決，避免造成災(zāi)害損失。

對于MQ 系列氣體檢測模塊，還可以采用它的MQ-135 氣體檢測模塊對該車工作環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測?？勺鳛榇髿獗O(jiān)測傳感器來進(jìn)行使用，從而單獨(dú)發(fā)送對應(yīng)的輸出信號給相關(guān)人員，對其工作的居民區(qū)和企業(yè)等場所的氣體監(jiān)測排放可以得到較好的管控。

1.2.6 車載模塊

（1）電源模塊。小車的不同部分需要不同的電壓電源，所以需要對每一部分做單獨(dú)的穩(wěn)壓處理調(diào)節(jié)。并且電源模塊可以實(shí)現(xiàn)對寬帶的調(diào)制、對其進(jìn)行保護(hù)和隔離等優(yōu)點(diǎn)。在對電源模塊的選擇上，要追求占用空間更小，使用可靠性更高，工作功率更高，效率也要更高。為了滿足更多的設(shè)計(jì)和要求，所以在電源模塊的選擇上要更加細(xì)致與完善。確保電源模塊的供電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定支撐其他各個(gè)模塊的正常使用。從而保證每一輛智能車的工作和使用過程中不會出現(xiàn)問題。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N 為驅(qū)動(dòng)芯片。其通過邏輯電平輸出PWM 控制開關(guān)頻率，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。L298N 是具有高電壓大電流的全橋式驅(qū)動(dòng)模塊，對應(yīng)的頻率更高，帶有控制的使能端。電機(jī)怠速控制是通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度來實(shí)現(xiàn)的。具有操作簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)速平穩(wěn)、可調(diào)范圍廣、能承受超負(fù)荷、能實(shí)現(xiàn)頻繁無級快速啟動(dòng)和制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，它在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用。對于L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用的好處在于，使用直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。并且其可以控制不同電機(jī)同時(shí)做不同的動(dòng)作處理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過超聲波檢測模塊和紅外反射式傳感器模塊傳達(dá)到主控模塊的信息來進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的動(dòng)作處理和中斷等待狀態(tài)。此時(shí)，可調(diào)PWM 電平的優(yōu)勢就得以體現(xiàn)。因此，其在對智能車的避障和對地形的適應(yīng)上都占據(jù)了極大的優(yōu)勢。

（3）智能車材料。對于智能車整體材料搭建的選擇上，采用了新型的ABS 增韌塑料，其在于擁有塑性好、耐高溫、耐磨損、不能變形等優(yōu)點(diǎn)。底盤材料則采用造價(jià)較高的鋁合金材料，以方便支撐整車的搭建基礎(chǔ)，同時(shí)其耐用程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料。因此在遵循使用時(shí)間更長，性能更穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，選用更好的搭建材料更能突出智能車的優(yōu)勢。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件部分包含主控制程序的計(jì)劃、電機(jī)驅(qū)使部分的程序設(shè)計(jì)、紅外循跡避障模塊設(shè)計(jì)、射頻無線傳輸設(shè)計(jì)和氣體監(jiān)測程序設(shè)計(jì)。

2.1 主控制程序

主控制程序需要分配和調(diào)試所有模塊，以便所有程序不會相互沖突，并相互幫助以實(shí)現(xiàn)所需的功能。在主控模塊STM32 中不斷修改主控程序，確保信息及時(shí)準(zhǔn)確。主控程序作為所有軟件設(shè)計(jì)模塊中最重要的程序模塊，應(yīng)保證設(shè)計(jì)的程序準(zhǔn)確無誤。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是對L298N 芯片的程序設(shè)計(jì)，通過PWM 調(diào)速控制電機(jī)。處理器輸出的數(shù)字信號模仿電路控制技術(shù)。PWM 波可通過時(shí)鐘頻率和自動(dòng)設(shè)定值設(shè)定，以設(shè)定PWM 波的比例輸出頻率[8]。改變一個(gè)循環(huán)的高電平占空比以改變速度。通過設(shè)置PWM 波來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定、平穩(wěn)、無倒退。從而實(shí)現(xiàn)智能車輛在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定通行。

本車在實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警基礎(chǔ)上，最大限度的利用避障循跡等功能，從而實(shí)現(xiàn)本車在復(fù)雜的日常生活環(huán)境下能夠正常進(jìn)行巡邏使用，規(guī)避障礙物，防止引發(fā)誤報(bào)等錯(cuò)誤功能。其工作流程如圖4所示。

圖4 循跡避障流程

3 結(jié)束語

通過這種智能車輛的設(shè)計(jì)，未來世界將有更多的智能機(jī)器來幫助生活。人類生活需要智能設(shè)備來幫助實(shí)現(xiàn)更好的社會生活。其可以提前預(yù)測危險(xiǎn)，從而大大減少造成的損害和傷害；在危險(xiǎn)情況和災(zāi)難中，智能機(jī)器將幫助人們拯救更多的生命，從而減少傷亡，避免二次傷害。與市場上大多數(shù)智能車相比，這款智能車監(jiān)控更加準(zhǔn)確，信息收發(fā)準(zhǔn)確快速，能夠及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，能夠克服復(fù)雜的環(huán)境和地形。通過這款智能車的設(shè)計(jì)，也了解到周圍環(huán)境存在的危險(xiǎn)，時(shí)刻保持警惕。