基于霧霾溯源的自循跡智能車的路徑控制系統設計

□孫佰全 錢學明

一、引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，深度工業化帶來的是空氣質量不斷惡化。我國中東部地區相繼出現大范圍霧霾天氣，對城市的安全運營和百姓的日常生活造成了嚴重影響。

目前，霧霾監測的主要方法有β射線法、光散射法以及微量振蕩天平法等。蘭冰芯等[1]采用MSP430F149單片機，借助GP2Y1010AU0F光學空氣質量傳感器設計了PM2.5測試儀。沈行良等[2]采用STM32系統板和PMS5003霧霾傳感器設計了大氣動態霧霾檢測系統，同時利用GPRS將霧霾測量數據傳送到云端服務器。任鑫等[3]基于S1216F8-BD的GPS定位模塊，采用STM32和PM2.5傳感器YW_51GJ，設計了具有定位功能的PM2.5檢測系統。

隨著嵌入式技術的突飛猛進，具有傳感器-執行器的智能車逐漸成為霧霾監測的主要工具[4～5]。其導航方式主要有光電反射、機器視覺以及GPS等。本文擬設計通過感知霧霾濃度自循跡的智能車控制系統，其方向朝霧霾濃度升高處運動。到達霧霾源后，智能車啟動執行器驅散霧霾。

二、系統總體設計

基于霧霾溯源的智能車系統，主要包括霧霾數據采集模塊、MCU模塊、防碰撞模塊、執行器模塊四個部分。如圖1所示。

三、系統硬件設計

(一)霧霾數據采集模塊。霧霾數據采集模塊，采用灰塵傳感器GP2Y1010AU0F，是整個系統的循跡部分。該設備能夠有效地檢測到像香煙煙霧等非常細的粒子。另外，它可以通過脈沖模擬輸出區分房子內的煙霧和灰塵。系統接通電源后，灰塵傳感器在1秒內即能穩定、正常的工作，采集霧霾數據，并反饋給MCU進行處理。

圖1 系統原理框圖

圖2 霧霾數據采集模塊電路

此外，在該模塊中還加入了LCD1602液晶顯示屏和提示音模塊。LCD1602是一種工業字符型液晶，工作電壓只需3.3V，微功耗、體積小且能夠同時顯示32個字符，用以實時顯示霧霾濃度。提示音模塊采用蜂鳴器實現警示提醒。當霧霾濃度超過一定閾值時，蜂鳴器發出聲光報警。

(二)MCU模塊。智能車的核心板采用STM32F103RCT6。它是一種32位帶FLASH的嵌入式-微控制器集成電路。工作電壓2V～3.6V，LQFP小型封裝使得電路設計更小、功耗更低。晶振電路由一個8MHz的晶振、兩個30pF電容以及一個1M電阻組成。復位電路采用按鍵復位。兩個穩壓芯片AMS1117-3.3，一個用于DC插座供電，另一個用于USB供電。

(三)防碰撞模塊。由于紅外線穿透云霧能力較強，因而采用紅外避障。防碰撞模塊具有一對紅外發射和接收管。發射管發出一定頻率的紅外線，遇到障礙物后，反射回來被接收管接收，經過LM393處理后，可以探測距離，且干擾較小。如圖3所示。

圖3 紅外避障電路

(四)執行機構模塊。當智能車循跡霧霾濃度來到源點后，隨即打開執行器，例如噴灑化學制劑消解霧霾，或是打開風扇吹散霧霾等。

四、系統軟件設計

本系統在軟件環境Keil 5中采用C語言編寫。程序首先系統初始化，主要包括STM32F103RCT6初始化，串口初始化、I/O初始化等。

(一)霧霾采集模塊的程序設計。霧霾采集程序中通過灰塵傳感器獲取霧霾數據，經過AD模數轉換，計算智能車所在位置的霧霾濃度，在LCD液晶顯示屏上實時顯示。同時，程序將根據預先設定的霧霾濃度危害上限閾值對該位置霧霾濃度是否超標進行判斷。若該位置霧霾濃度超過閾值，則蜂鳴報警。反之，則繼續循環。如圖4所示。

圖4 霧霾采集程序流程圖圖5 智能車路徑控制程序流程圖

五、結語

本文基于霧霾溯源設計了自循跡智能車路徑控制系統。通過選用灰塵傳感器獲取霧霾數據，其濃度實時顯示在LCD液晶顯示屏，同時智能車循跡霧霾擴散環境，考慮霧霾擴散源定位算法，在基于觀測狀態的反饋控制策略下，實現了智能車自主循跡前往霧霾濃度最高處的路徑控制，進而在霧霾擴散源啟動執行器驅散霧霾。