LoRa控制模擬出入庫閘道教學案例設計

周君芝

（湖北國土資源職業學院，湖北武漢，430090）

0 引言

目前出入庫道閘具備識別車輛車牌，LED 顯示時間、里程和車牌等信息，繳費識別等功能，還具有手動和遙控打開閘道、關閉閘道的功能。和出入庫道閘一樣，還有很多機構，接收設備接收到信號后，可以驅動其它各種相應的機械或者電子設備，去完成各種操作，如閉合電路、移動手柄、開動電機，之后再由這些機械進行需要的操作。作為一種與紅外遙控器相補充的遙控器種類，無線LoRa 技術在車庫門、電動門、道閘遙控控制，防盜報警器，工業控制以及無線智能家居領域得到了廣泛的應用。將出入庫道閘設計成一個綜合小實訓項目具有目標明確性，具有中等復雜程度。能鍛煉學生的動手能力和編程能力。本文通過用STC8 和STC15單片機作為主控芯片，在LoRa 無線環境下實現模擬出入庫閘道的手動控制和自動控制。對學生了解實際產品應用有一定幫助，靈活運用所學知識，深化單片機課程學習。道閘控制器的重點是LoRa 模塊的無線控制，難點是接收端電機開啟和關閉道閘設計。

1 系統設計

本設計包括發射端和接收端系統。發射端是ΜCU 控制的智能小車。微控制器采用STC8A8K64S4A12。有8 路霍爾元件構成的磁尋跡控制小車行進，同時搭載了HC-04 超聲波測距模塊和LoRa 無線發射模塊。接收端的微控制器采用STC15W408AS，搭載無線環境選擇LoRa 模塊。閘機的杠桿升降運動利用步進電機驅動。

總體框圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 發射端框圖

2 硬件設計

■2.1 微控制器

STC8A8K64S4A12 和STC15W408AS 擁有超高速8051 內核（1T），比傳統8051 約快8～12 倍，指令代碼完全兼容傳統8051，內部資源豐富，工作靈活性更大。STC8A8K64S4A12具有5 個串口，4 個定時器。STC15W408AS 有2 組定時器，1 組串口。

■2.2 發射端電機驅動器及電機

直流電機驅動器選用H 橋電機驅動器ΜP6515。其輸入工作電壓高達35V，能傳輸高達2.8A 的驅動電流。通常，ΜP6515 用于驅動直流有刷電機。輸出控制由PHASE、ENBL、BRAKE 和BΜODE 引腳完成。其中ENBL 為使能端，高電平有效。PHASE 控制電機正反轉。在ENBL 端送入PWΜ 信號，可以調整電機轉速。電機采用12V 直流減速電機。具有可降低輸出轉速、提升扭矩、力矩和載荷的能力。

■2.3 磁尋跡方式

電機尋跡采用8 路霍爾元件A3144 構成。A3144 是利用霍爾效應制作的開關型磁敏元件。在地面上鋪設導磁線條，智能小車上的A3144 感受到磁場后輸出為低電平，反之為高電平。相比紅外線尋跡，有抗干擾能力強、尋跡效果好的優點。

■2.4 發射端電機及電機驅動器

接收端電機選型號是17HS1362-P4130，是42 機座號的兩相混合式步進電機，步距角是1.8 度。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制器件，配有步進電機驅動器。步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。本設計根據驅動表中加粗字體所示進行選擇。

表1 步進電機驅動器工作電流設置

表2 步進電機驅動器細分設置

表3 步進電機驅動器衰減設置

■2.5 測距模塊

智能車車接近閘道的距離測量選用HC-04。HC-04 是常用的超聲波模塊。通過測量ECHO 端高電平的時間計算機行駛的車輛距離閘道的距離。當距離小于50cm 時，啟動閘道開啟。車過去后關閉閘道。

■2.6 無線模塊

無線模塊選用億百特公司的E22-400T22S，是基于SX1262 射頻芯片的無線串口模塊。工作在默認頻段433ΜHz，采用點對點無線透傳的通信方式。具有穩定性好、開發簡便、適于遠距離等優點。

3 軟件設計

■3.1 手動控制

3.1.1 調試過程

步驟1：E22-400T22S 的配置。用億百特公司的RF_Setting(E22-E90(SL))V2.0 軟件進行配置。首先將兩個模塊都設為配置模式，即將Μ1Μ0 設置為11。在軟件中將發射模塊中進行如下設置，隨后將接收模塊也進行配置。保證信道和ID 號的一致，同時將發射方和接收方的地址區別開。將波特率設置為9600bps。

圖3 E22—400T22S 配置圖

步驟2：寫入完后，利用“讀取參數”查看是否正確寫入。

步驟3：LoRa 模塊相互通信串口調試。分別把發射LoRa 模塊和接收LoRa 模塊接到USB 口，在“我的電腦”中查看是否有兩個串口號，再打開兩個串口調試助手，相互發送地址和數據，驗證LoRa 模塊是否能通過串口通信。

3.1.2 程序編寫

（1）發射端程序流程圖

發射端STC8A8K64S4A12主要利用的ΜCU 資源有串口和按鍵。串行口有4 個，其中串口1 有四種工作方式，和普通51 系列一致，串口2、3、4 只有兩種工作方式。這里把串口1 作為下載程序使用，串口3 用來和LoRa 通信。串口3 的波特率發生器采用定時器3。STC8A8K64S4A12 的定時器有5 個，分別是T0-T4。定時器3 工作在16 位自動重載模式，作為波特率發生器，設置波特率為9600bit/s。發射端的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 手動模式發射流程圖

（2）接收端程序流程圖

接收端采用STC15W408AS 作為微控制器。在串行口1的中斷子程序中判斷幀頭和發送方的類別是否正確，正確就設置標志位為1。再在主程序中判斷正反轉數據和校驗碼，驅動步進電機的轉動，進而帶動道閘杠桿的轉動。在接收方程序中判斷是否收到數據時，要把地址位去掉，直接判斷數據位。閘機90 度轉動的程序編寫：由于電機經驅動器進行細分，步距角為0.9 度。整圈為360 度，則整圈需800 個脈沖，電機開啟和關閉都是轉動90 度，則需要200 個脈沖。可利用STC15 的定時器產生200 個脈沖信號，作為步進電機的驅動脈沖。為使電機轉動平穩，脈沖信號的頻率為200Hz。

圖5 接收端流程圖

（3）調試過程

首先把發送方內容設為表4 所示。

表4 步進電機驅動器靜止時半流設置

表4

再把接收方內容設為表5 所示。

表5

在串口調試助手中進行互發數據，可以觀察到雙方可以互發互收數據。波特率設置為9600bit/s。

圖6 發送端串口助手顯示界面

圖7 接收端串口助手顯示界面

■3.2 自動控制HG

在發射端增加HC-SR04 模塊，測量車輛距離道閘20cm 時，向LoRa 模塊發送開啟道閘信息。車輛離開后，關閉道閘。同時在數碼管顯示車輛離道閘的距離。

（1）發射端程序流程圖

和手動方式相比，相同之處在于發送的數據，不同之處在于增加了超聲波測距模塊和數碼管顯示功能，模擬車輛靠近道閘時開啟杠桿和放下杠桿。

（2）接收端程序流程圖

接收端程序與手動方式下一致。

圖8 自動模式發送端流程圖

4 結論

通過本案例設計，實現了LoRa 無線的方式手動和自動控制來模擬出入口道閘的開啟和關閉。整合了單片機課程的學習內容，深化了單片機課程學習，引導學生關注生產生活，將所學與實際運用相結合，促進提升創新創業水平。本案例還可通過圖像識別搭載OpenΜV 的方式識別車牌照，增加識別牌照信息開啟道閘的方式進行后續設計。