基于物聯網與無線傳感器的智能聲控搬運車系統

成薇 胡書晨 邱俊輝 李嘉隆 甄俊濤

（湖北經濟學院信息與通信工程學院 湖北省武漢市 430205）

1 引言

當今中國在工業運輸方面的工業搬運車經歷了四代發展。其中，第一代手動搬運車在工業搬運車市場仍占有一定份額。而目前國內最先進的搬運車是自動無人搬運車，這種搬運車路徑導引方式主要是光導引和磁導引，需要在路徑上安裝相應的發光裝置或是磁性物體。這兩種引導方式雖然能夠實現無人搬運功能，但只適用于較大規模的工廠、倉庫等特定場景，而且安裝路徑成本較大，路徑環境易受到外界環境的干擾。以聲音為介質，通過語音控制搬運車理論上可以彌補這些不足，并可以實現搬運車的無接觸式控制，適用于醫院隔離病區醫用物品的運輸。

本文研究并設計的是一種基于物聯網與無線傳感器的智能聲控搬運車系統，該系統有兩種工作模式，分別為自由驅動模式和定位導航模式，均以語音命令進行控制。自由驅動模式下，語音命令可實時控制搬運車的運行狀態；定位導航模式下，通過語音輸入目的地，搬運車即可自動導航前往。同時該系統具備避障功能、人機語音交互功能，并可以在手機端查看搬運車的實時位置、環境與狀態等信息數據。

2 系統設計方案

2.1 系統功能分析

智能聲控搬運車系統主要研究以聲音為導引介質來引導搬運車的運行，并通過聲音來控制搬運車的運行狀態與工作模式。其中，智能聲控搬運車基于語音引導有兩種工作模式，分別為自由驅動模式與定位導航模式。除了兩種基本的工作模式外，智能聲控搬運車系統通過藍牙與手機端連接，通過多種傳感器采集搬運車的環境與狀態數據，實現在手機端查看搬運車實時位置、環境狀態信息的功能。

2.1.1 自由驅動模式

用戶可以通過語音命令控制搬運車的啟動、右轉彎、后退、停止、前進、左轉彎等基本運行狀態。搬運車實時監測障礙物，當監測到障礙物時將自動繞開障礙物，可以避免碰撞以及其他類似情況發生。自由驅動模式的功能框圖如圖1所示。

自由驅動模式下，用戶需輸入正確的一級語音命令并被系統成功識別后方可輸入二級語音命令改變搬運車的運行狀態，該系統設定的一級語音命令為“小智”。用戶輸入了一級語音命令并且系統進行語音響應后，系統預留10秒鐘的時間等待用戶輸入二級語音命令，若輸入超時，用戶則需重新輸入一級語音命令。每條指令被成功識別后，系統會產生相應的語音響應進行提示。當輸入的二級指令為“模式切換”時，搬運車將切換到定位導航模式。

2.1.2 定位導航模式

定位導航模式主要實現用戶通過語音命令搬運車自動前往指定目的地的功能。定位導航模式的功能框圖如圖2所示。

圖1：自由驅動模式功能框圖

在定位導航模式下，通過語音向搬運車傳達目的地信息，搬運車根據GPS定位功能對目的地及自身位置進行定位，計算運行方向，并自動前往指定位置。在這種模式下搬運車運行的過程中也可以檢測障礙物，繞開障礙物，并重新調整、規劃路徑。當搬運車到達目的地后停止運行，并切換成自由驅動模式。

2.1.3 連接手機端

智能聲控搬運車系統設計開發了基于Android操作系統的智能手機APP，用于搬運車數據信息的顯示，并對搬運車的基本運行狀態進行控制。手機APP主要顯示的數據信息有：搬運車當前負載重量、速度與加速度、搬運車當前位置、環境的溫度與濕度。手機APP對搬運車的控制主要為控制搬運車的啟動、停止、轉彎、后退等基本運行狀態。

2.2 系統總框架設計

智能聲控搬運車系統使用STM32F103ZET6型號的微處理器，該種型號的微處理器有5個通信串口，而智能聲控搬運車系統需要9個串口進行通信，因此系統采用雙處理器模式，即使用兩個STM32F103作為系統的主控模塊，兩個微處理器之間通過串口通信交換數據。根據實現功能的不同，將兩個微處理器分為中心控制節點和信息匯聚與通信節點。

表1：L298N邏輯真值表

圖2：定位導航模式功能框圖

圖3：智能聲控搬運車系統框架圖

中心控制節點主要控制并協調智能聲控搬運車的兩個基本工作模式，即自由驅動模式和定位導航模式。中心控制節點控制搬運車的驅動模塊、GPS定位模塊、語音播報模塊、語音識別模塊和避障模塊。

信息匯聚與通信節點主要進行數據信息的處理與傳輸，通過藍牙通信實現智能聲控搬運車與手機端APP的數據交換。信息匯聚與通信節點控制藍牙模塊、壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、速度傳感器模塊。智能聲控搬運車的系統框架圖如圖3所示。

智能聲控搬運車在自由驅動模式下，語音識別模塊先檢測并識別用戶輸入的語音命令，將識別出來的語音命令通過串口發送給中心控制節點，中心控制節點控制語音播報模塊發生相應的語音響應，并根據語音命令通過控制驅動模塊來改變搬運車的運行狀態。在搬運車的運行過程中，避障模塊不斷檢測前面有沒有障礙物，如果避障模塊檢測到了障礙物，則向中心控制節點發送信號，中心控制節點則控制避障模塊尋找無障礙物的路徑從而繞開障礙物。當工作模式為定位導航模式時，語音識別模塊識別用戶輸入的目的地信息并發送給中心控制節點，GPS定位模塊對搬運車自身位置進行定位，并將搬運車的經緯度信息發送給中心控制節點，節點根據目的地和搬運車當前位置的經緯度信息計算運行方向，并控制驅動模塊驅動搬運車前往目的地。

信息匯聚與通信節點主要接收壓力傳感器模塊、速度傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和中心控制節點傳送過來的數據信息，并將所有數據信息按照一定的時序通過藍牙模塊發送給手機端。同時藍牙模塊接收手機端藍牙設備發送過來的指令信息，然后通過串口發送給信息匯聚與通信節點，最后將指令信息發送給中心控制節點進行執行。

3 系統模塊設計

智能聲控搬運車系統采用分模塊設計研究的方法，系統分為7個分模塊，分別為：驅動模塊、避障模塊、語音播報模塊、語音識別模塊、GPS定位模塊、藍牙模塊和傳感器模塊。

3.1 驅動模塊

智能聲控搬運車驅動模塊的硬件部分由驅動板、直流電機、輪子和電池組成。驅動板使用的是雙H橋電機驅動模塊，該模塊的主控芯片為L298N芯片，每個模塊可以同時控制兩個直流電機，智能聲控搬運車使用四輪直流驅動，需要用到兩個雙H橋電機驅動模塊。L298N芯片的工作電壓為5V，驅動電壓為12V。每個驅動板驅動直流電機的邏輯真值表如表1所示。

ENA和ENB分別為左右電機的使能端，IN1與IN2控制左電機的反轉、正轉和停止，IN3與IN4控制右電機的正轉、反轉和停止。

3.2 避障模塊

智能聲控搬運車避障模塊的硬件部分主要由超聲波模塊和舵機組成。超聲波模塊用于測距，工作電壓為5V，射程范圍為2cm-4m。舵機用于控制超聲波模塊的旋轉，旋轉角度為180°。搬運車在行駛的過程中超聲波模塊不斷檢測前方是否有障礙物，當測量距離小于閾值30cm時，則進入避障程序，具體過程如圖4所示。

3.3 語音識別模塊

智能聲控搬運車系統的語音識別模塊采用的是LD3320語音識別芯片，該型號芯片集成了語音采集和識別算法。語音識別模塊可以識別50條語音，識別距離最大為2米，識別率約為90%。系統采用兩級語音口令，一級口令為“小智”，一級口令驗證成功后方可進行二級指令的輸入。

3.4 語音播報模塊

語音播報模塊使用的是TTS-V5模塊，該芯片可以將漢字、英文字母、數字轉換成語音信號。中心控制節點通過串口將需要進行播報的字符串發送給該芯片，即可實現語音播報的功能。

3.5 GPS定位模塊

智能聲控搬運車系統GPS定位模塊的硬件部分由GPS模塊和GY-85傳感器組成。GPS模塊用于對搬運車的位置進行定位，通過串口向中心控制節點返回搬運車位置的經緯度信息。根據已知目的地的經緯度與搬運車位置的經緯度可以計算出兩點方向與N極方向的夾角。計算過程為：設搬運車自身位置的經緯度為（x1,y1），已知目的地經緯度為（x2,y2），則兩點方向與N極方向的反正切值為：

GY-85傳感器模塊包括三軸加速度傳感器ADXL345、三軸陀螺儀ITG-3205、三軸數字羅盤HMC5885L等三個部分，主要功能是測量計算搬運車前進的方向與N級的角度差。GY-85傳感器的工作原理為：任何一個物體在空中的姿態都可用圖5表示，將物體的中心為原點建立坐標軸，Level X與LevelY分別表示水平面的方向，定義α為物體的x方向與水平面方向的夾角，定義β為物體的y方向與水平面方向的夾角。

通過三軸加速度傳感器檢測并計算出ɑ和β，由三軸數字羅盤測出地磁場在X、Y、Z三軸的分矢量數據。最后根據公式計算出物體的x方向與N極的角度差的正切值θ2：

最后根據（θ1-θ2）計算出搬運車需要調整的角度。

圖4：避障程序流程圖

圖5：物體在空間的姿態

3.6 藍牙模塊

智能聲控搬運車系統的藍牙模塊是型號為HC-05的主從一體藍牙模塊。通過AT指令將藍牙模塊設置為主從模式，主要作用是實現智能聲控搬運車系統與手機之間的串口通信。由于傳輸的數據類別較多，為了準確分辨數據類別，將藍牙傳輸的數據第一位或第一、第二位設置為數據識別碼。數據類別識別碼定義的格式如圖6所示。

圖6：藍牙數據類別識別碼

3.7 傳感器模塊

智能聲控搬運車系統的傳感器模塊包括壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和速度傳感器模塊。傳感器模塊的主要功能是測量搬運車的運行速度、加速度和負載重點，檢測搬運車所處環境的溫濕度。傳感器模塊的所有測量數據傳送給信息匯聚與通信節點，節點對接收到的數據進行處理與格式化，通過藍牙模塊發送到手機端進行顯示。

壓力傳感器模塊中，壓力敏感元件為電阻應變片，量程為40kg，信號處理單元使用的是HX711模塊，該模塊為電子秤專用的24位A/D轉換模塊，用于將檢測到電壓的變化轉換為數字信號輸出。

溫濕度傳感器模塊使用的是DHT11數字溫濕度傳感器，測量得到的溫濕度數據從溫濕度傳感器的DATA引腳輸出，然后傳送給信息匯聚與通信節點進行處理。

速度傳感器模塊使用的是進口槽型光耦傳感器，當槽中有遮擋物時，模塊的D0引腳輸出高電平。在搬運車的輪子上安裝遮擋片，設輪子的半徑為r，則輪子轉一圈，搬運車行駛的距離為2rπ，運行時間為D0引腳連續兩次輸出高電平間隔的時間。將距離除以時間，得到搬運車的速度。多次測量獲取數據后用速度差除以時間差，得到搬運車的加速度。

4 結語

智能聲控搬運車系統實現了通過語音命令控制搬運車的運行以及自動定位導航的功能。通過對該系統的研究與設計，明確了語音識別是一種實現無接觸式控制的有效方式。無接觸控制的方式在醫院的隔離病區可以起到很大的作用，如果將智能聲控搬運車應用于隔離病區醫用物品的運輸，可以避免醫生與病人的間接接觸，在一定程度上可以降低交叉感染的風險。但GPS技術無法實現室內精準定位，未來可嘗試安裝攝像頭，通過視覺圖像識別處理技術提高定位的精準程度。