基于GSM/GPS的遙控小車平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

景 蕾

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、新傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能小車的應(yīng)用面逐漸拓寬。智能排爆、物流分揀、電力巡線等行業(yè)出現(xiàn)了可替代人工作業(yè)的智能小車[1]。原始的一對(duì)一人車系統(tǒng)逐漸不能滿足系統(tǒng)級(jí)的工作需求，不利于系統(tǒng)級(jí)管控。本文從這一點(diǎn)出發(fā)，完成了一款基于GSM/GPS的遙控小車[2-3]，在小車平臺(tái)上，增加了通信定位模塊，通過控制遙控器的撥碼開關(guān)，實(shí)現(xiàn)定位信息的發(fā)送，具有良好的應(yīng)用前景。此外，小車平臺(tái)還可進(jìn)行功能擴(kuò)展，根據(jù)具體技術(shù)要求，搭載其他測(cè)試設(shè)備，如火焰?zhèn)鞲衅?、小型機(jī)械臂、圖像識(shí)別系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)需要。本設(shè)計(jì)具備較好的參考價(jià)值。

1 ARDUINO平臺(tái)

Arduino是一款硬件資源豐富的開源硬件平臺(tái)。一般分為硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)兩部分。Arduino硬件家族包括Arduino UNO，Arduino Leonardo，Arduino101(Curie)，Arduino NANO，Arduino MEGA等，每一款硬件平臺(tái)在板上資源、性能、可擴(kuò)展性上存在不同。本文選用Arduino MEGA作為主控開發(fā)板。該開發(fā)板有54路數(shù)字輸入/輸出引腳(其中15路可以用作PWM輸出)、16路模擬輸入、4個(gè)UART(硬件串口)、1個(gè)16 MHz的晶振、1個(gè)USB接口、1個(gè)電源接頭、ICSP接口以及復(fù)位按鈕。具有存儲(chǔ)空間較大(8 KB SRAM， 4KB EEPROM，256 KB FLASH)，硬件串口多、IO端口多等特點(diǎn)。綜上所述，MEGA板可以滿足小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

Arduino IDE軟件基于processing IDE開發(fā)。操作界面簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對(duì) avr-gcc庫(kù)的二次封裝，不需要過多研究底層函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法，在掌握各類標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和頂層函數(shù)的使用方法后，即可上手使用。

2 系統(tǒng)框架

該智能小車基于Arduino軟硬件平臺(tái)，但是和普通Arduino小車只是讓小車動(dòng)起來不同，在主控芯片中植入了通信和定位程序，在小車遙控運(yùn)行的同時(shí)，可以通過操作者的控制，實(shí)現(xiàn)定位信息的發(fā)送[4]。小車的整體系統(tǒng)框架劃分為：主控部分、小車車體部分、小車動(dòng)力部分(電池、電機(jī)及其控制電路)、通信/定位部分、遙控部分。

2.1 車體部分

小車部分包括車體和動(dòng)力兩部分。小車車體主要材料為塑料，具有一定的使用強(qiáng)度。搭載4只直流減速電機(jī)，該電機(jī)方向性好，四輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力充沛。每只電機(jī)工作電流100 mA左右，工作電壓3～6 V，最快速度為48 m/min。

2.2 主控部分

智能車配備了ATmega2560 單片機(jī) 的 Arduino MEGA開發(fā)板作為主控板。主控部分的功能包括：采用2.4 GHz通信方式處理遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能車的遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)避障模塊使用超聲波距離傳感器，當(dāng)智能車前方出現(xiàn)無法跨越的障礙時(shí)，自動(dòng)避障模塊會(huì)觸發(fā)主控板的自動(dòng)避障功能。在基本遙控基礎(chǔ)上，加入GSM通信模塊，在獲取定位信息后，通過遙控器開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度信息的發(fā)送。

2.3 動(dòng)力部分

動(dòng)力部分包括航模用3S電池，滿電壓12.5 V左右，使用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。L298N作為主控芯片，有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，工作電壓最高可達(dá)48 V，可便于采用各類型號(hào)鋰電池供電；輸出電流瞬間峰值達(dá)到3 A，持續(xù)工作電流為2 A，額定功率25 W，功耗在允許范圍內(nèi)，足以滿足驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)。內(nèi)部采用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平控制信號(hào)，具有兩個(gè)使能端，兩個(gè)端口獨(dú)立工作，互不干擾，使得小車控制抗干擾性增強(qiáng)。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊共包含6個(gè)引腳：IN1，IN2，IN3，IN4，ENA，ENB。其中IN1，IN2為一組，IN3，IN4為一組，共兩組。小車的4路電機(jī)，同一側(cè)的兩路電機(jī)并聯(lián)，共兩組，分別對(duì)應(yīng)IN1～I(xiàn)N4進(jìn)行控制。IN1，IN2，IN3，IN4既可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以控制電機(jī)的方向，通過軟件的輸出實(shí)現(xiàn)實(shí)際控制。ENA與IN1，IN2一組，實(shí)現(xiàn)這一路電機(jī)的開關(guān)，同理ENB與IN3，IN4一組。本文用MEGA的數(shù)字引腳4，5，6，7接L298N模塊的IN1，IN3，IN4，IN2。用數(shù)字引腳9，10接ENA和ENB。

圖1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊

2.4 遙控部分

遙控器采用9通道AT09S，其通信系統(tǒng)采用抗干擾最強(qiáng)的DSSS(直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng))，在復(fù)雜環(huán)境下性能優(yōu)異。人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔，油門通道可編程，可設(shè)置符合操作習(xí)慣的使用方式。具有低電壓報(bào)警、空曠場(chǎng)地遙控距離500米以上等優(yōu)勢(shì)。

2.5 通信/定位部分

定位采用AI-Thinker的A7模塊，支持GSM通信、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音通話和GPS位置信息。定位信息使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183協(xié)議。

NMEA協(xié)議[6]是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的RTCM(海事無線電技術(shù)委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，它最初是由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NMEA—The NationalMarine Electronics Association)制定的。符合NMEAO183標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機(jī)的硬件接口能夠兼容計(jì)算機(jī)的RS-232C協(xié)議串口，在實(shí)際使用中，如果只是接收GPS的輸出，則只需兩根信號(hào)線 GPS數(shù)據(jù)輸出線和信號(hào)地線，可以直接將EIA-422輸出通道兩條信號(hào)線的中一條同計(jì)算機(jī)的Rs232C輸入線相連。NMEA通信協(xié)議所規(guī)定的通信語句都是以ASCII碼為基礎(chǔ)的，NMEA-0183協(xié)議語句的數(shù)據(jù)格式如下：“$”為語句起始標(biāo)志；“，”為域分隔符；“ *”為校驗(yàn)和識(shí)別符，其后面的兩位數(shù)為校驗(yàn)和，代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)；“/”為終止符，所有的語句必須以來結(jié)束，也就是ASCII 字符的“回車”(十六進(jìn)制的0D)和“換行”(十六進(jìn)制的0A)。輸出何種語句，可以對(duì)定位模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后主要完成GPS，GPRS模塊的初始化設(shè)置，包括波特率設(shè)置、工作狀態(tài)檢測(cè)兩項(xiàng)任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的波特率為9 600 bps。系統(tǒng)初始化成功后，進(jìn)入小車控制程序，通過遙控器開關(guān)狀態(tài)的改變來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 初始化程序

void setup() {

DebugSerial.begin(9600);

GprsSerail.begin(9600);

GpsSerial.begin(9600);

Timer1.initialize(1000);

Timer1.attachInterrupt(Timer1_handler);

initGprs(); //初始化模塊

clrGprsRxBuffer();

}

3.2 GPS位置信息解析程序

switch (i)

{

case 1: memcpy(Save_Data.UTCTime, subString, subStringNext - subString); break; //獲取UTC時(shí)間

case 2: memcpy(usefullBuffer, subString, subStringNext - subString); break; //獲取UTC時(shí)間

case 3: memcpy(Save_Data.latitude, subString, subStringNext - subString); break; //獲取緯度信息

case 4: memcpy(Save_Data.N_S, subString, subStringNext - subString); break; //獲取N/S

case 5: memcpy(Save_Data.longitude, subString, subStringNext - subString); break; //獲取緯度信息

case 6: memcpy(Save_Data.E_W, subString, subStringNext - subString); break; //獲取E/W

default: break;

}

3.3 小車控制程序(部分代碼示例)

控制信號(hào)的獲取使用MEGA的A0，A1，A2端口，通過使用PulseIn()函數(shù)[5]獲取高電平時(shí)間，可準(zhǔn)確地得到遙控器的控制信號(hào)大小，實(shí)現(xiàn)精確控制。

CH1 = pulseIn(A0, HIGH);

CH2 = pulseIn(A1, HIGH);

3.4 GSM程序

GSM程序主要包括模塊的初始化、各部分狀態(tài)檢測(cè)，如果通信條件檢測(cè)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行通信。

void initGprs()

{

if (sendCommand("AT+RST ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(1);

if (sendCommand("AT ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(2);

delay(10);

if (sendCommand("AT+GPS=1 ","OK ", 1000, 10) == Success);

else errorLog(3);

delay(10);

…

}

4 實(shí)際測(cè)試

在進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)、模擬運(yùn)行后，對(duì)小車進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。首先對(duì)小車上電預(yù)熱，各種指示燈正常。預(yù)熱成功后，手機(jī)端收到了小車發(fā)來的開始信號(hào)，表明可以對(duì)小車進(jìn)行操控。開始信號(hào)接收之前小車不允許操控。隨后撥動(dòng)預(yù)設(shè)好的位置信息發(fā)送開關(guān)，手機(jī)成功收到了該信息。測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控智能車經(jīng)軟硬件調(diào)試后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障、無線遙控操作、定位信息獲取等實(shí)用功能。由于GSM在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面下，均可實(shí)現(xiàn)通信。目前該智能車有待進(jìn)一步探討的問題有：(1)目前使用的遙控器遙控距離還可以加大，配置性能更加優(yōu)異的遙控器可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的作業(yè)距離；(2)智能車的車體本身越障能力有限，缺乏復(fù)雜地形的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，智能車有望在進(jìn)一步強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、提高穩(wěn)定性以及移植到飛行器、水面移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。