基于STM32 的多功能智能感知魔方系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦 鵬,鄧正萬(wàn),姚 瑤

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院,江蘇 南通 226000)

0 引言

智能感知是通過各類傳感器對(duì)認(rèn)知環(huán)境和對(duì)象屬性進(jìn)行有效的信息獲取、處理和理解,是智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、無(wú)人平臺(tái)、智能駕駛、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安防、生化監(jiān)測(cè)等應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]。 本課題研究旨在應(yīng)對(duì)面向復(fù)雜、海量、貧弱信息的感知,推動(dòng)智能感知技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,催生眾多自動(dòng)化、多功能、自供能、可重構(gòu)、自適應(yīng)以及存算一體、感知一體、知行一體的新概念“魔方”技術(shù)方案,促進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能社會(huì)的萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

魔方本體采用層疊設(shè)計(jì),包括魔方支架以及安裝在魔方支架上的STM32 的總控單元、各傳感器模塊和太陽(yáng)能供電單元[2],多功能智能感知魔方系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多功能智能感知魔方系統(tǒng)控制

其中,STM32 的總控單元位于魔方支架上,包括主控模塊、通信模塊、信號(hào)處理模塊。 主控模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄,將信息通過通信模塊發(fā)送給用戶終端;信號(hào)處理模塊在各種傳感器獲取相應(yīng)信息后,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將信號(hào)傳輸給主控模塊。

傳感器模塊包括OV5640 圖像采集模塊、陀螺儀模塊、北斗模塊、紅外測(cè)溫傳感器、熱成像傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、震動(dòng)傳感器、聲響傳感器和磁性傳感器,各傳感器以標(biāo)準(zhǔn)模塊的形式安裝在魔方支架上,魔方支架有內(nèi)嵌接口與主控單元連接,模塊上有USB 接口直接插接[3]。

太陽(yáng)能供電單元用于給整個(gè)多功能智能感知魔方系統(tǒng)提供電源,太陽(yáng)能電池板在魔方的6 個(gè)面中心都有一塊,確保魔方在外部環(huán)境中,在有日照的情況下,處于任何位置放置,都能夠接收到光照。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103VCT6 的最小系統(tǒng)

STM32F103VCT6 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心,外圍有復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、仿真接口、程序燒錄接口等,如圖2 所示為STM32F103VCT6 的最小系統(tǒng)。

圖2 STM32F103VCT6 的最小系統(tǒng)

2.2 太陽(yáng)能電池板

本系統(tǒng)的智能魔方的供電,采用高效率太陽(yáng)能發(fā)電裝置及內(nèi)部配置鋰電池系統(tǒng),太陽(yáng)能電池板采用鋼化玻璃封裝,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、防冰雹沖擊、防水、防震和使用壽命長(zhǎng)。

2.3 北斗模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的北斗芯片是和芯星通的 UC6228CI,具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能,28 nm 工藝,采用PMU 設(shè)計(jì),兼具超低功耗和極致小型化的特點(diǎn),支持BDS,GPS,GLONASS,Galileo,可多系統(tǒng)聯(lián)合定位,高集成度的設(shè)計(jì)節(jié)省了外圍器件及板上面積。 如圖3 所示,UC6228CI 外部采用獨(dú)立LDO 給TCXO 供電,外接LNA 和SAW 濾波器,RTC 晶振,UART 用于加載FW 及通信接口,在設(shè)計(jì)中,為防止串電導(dǎo)致芯片工作異常,串接了防串電電阻。

圖3 北斗模塊

2.4 其他傳感器模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通信模塊采用的是LoRa 通信模塊。 LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù),因其低功耗、深度覆蓋、容易部署等優(yōu)勢(shì),適用于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接以及定位跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,如智能抄表、智慧停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等應(yīng)用和領(lǐng)域。

圖像傳感器是攝像頭的核心部件,本系統(tǒng)采用了雙攝像頭,攝像頭的圖像傳感器是型號(hào)為OV5640 的CMOS 類型數(shù)字圖像傳感器。 OV5640 模塊采用的是OmniVIsion 公司生產(chǎn)的一款高清攝像頭模組,采用1.4 um OmniBSI 背光照明技術(shù),720 P/60 HD 視頻可捕捉2 x 2 圖像讀出模式的全視場(chǎng)。

本系統(tǒng)的陀螺儀模塊采用的是MPU6050 陀螺儀芯片。 MPU6050 俗稱六軸陀螺儀,XYZ 三軸的傾斜角度和三軸方向的加速度。 模塊內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電路,可兼容3.3 V/5 V 的供電電壓,采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù),提高精度的同時(shí)抑制了測(cè)量噪聲。

紅外測(cè)溫傳感器模塊為MLX90640,是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并經(jīng)過完全校準(zhǔn)的32×24 像素?zé)峒t外陣列傳感器,包含768 個(gè)熱紅外像素點(diǎn),共有4 個(gè)引腳,兩個(gè)3.3 V 電源供電,兩個(gè)I2C 通信接口,I2C 支持最高1.2 MHz 的通信速率。

熱成像傳感器可以探測(cè)物體輻射的紅外線,在夜間環(huán)境下,普通攝像頭難以發(fā)揮監(jiān)測(cè)探測(cè)作用,此時(shí)利用紅外熱成像系統(tǒng)可以提高夜間探測(cè)能力,彌補(bǔ)普通攝像頭的缺陷。 采用高精度MEMS 壓力傳感器將外界壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)外部壓力勘測(cè),協(xié)助北斗導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)海拔位置估計(jì),傳感器經(jīng)過溫度補(bǔ)償后精度高、響應(yīng)速度快、不受溫度影響,具有較廣的應(yīng)用范圍。 本系統(tǒng)采用非接觸式溫度傳感器,可探測(cè)部署區(qū)域溫度,結(jié)合魔方處理單元實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的全時(shí)域溫度分布記錄與繪制,測(cè)溫上限高,分辨率高,適用于多種復(fù)雜環(huán)境。 濕度傳感器可有效探測(cè)環(huán)境濕度,在野外叢林、極端環(huán)境下可發(fā)揮極大輔助作用,可以利用算法對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提高結(jié)果的精確度。 震動(dòng)傳感器主要探測(cè)各類武裝車輛、人員在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的地震信號(hào),探測(cè)距離較遠(yuǎn),靈敏度高,功耗低。聲響傳感器以電子模擬信號(hào)為輸出信號(hào),一般與振動(dòng)傳感器配套使用,由震動(dòng)傳感器探測(cè)到目標(biāo)后再觸發(fā)聲響傳感器進(jìn)行復(fù)核探測(cè),提高檢測(cè)效率,可以判定車輛種類,探測(cè)直升機(jī)及低空飛行物情況。 磁性傳感器為一個(gè)磁性探頭,工作時(shí)周圍會(huì)建立一個(gè)靜磁場(chǎng),當(dāng)鐵磁金屬進(jìn)入靜磁場(chǎng)時(shí),就會(huì)擾動(dòng)原來(lái)磁場(chǎng),由磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生電信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè),主要用于判斷監(jiān)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),先要建立上位機(jī)交互界面與目標(biāo)智能魔方的LoRa 連接,然后進(jìn)行系統(tǒng)各部分的初始化。檢測(cè)鋰電池電量是否正常,如果不正常,檢測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電裝置是否正常,不正常上報(bào)上位機(jī);正常,則啟動(dòng)北斗模塊,進(jìn)行目標(biāo)智能魔方的定位,啟動(dòng)攝像頭,拍攝周圍環(huán)境并上傳圖像。 之后,啟動(dòng)各傳感器,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳,上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析[4]。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面如圖5 所示,界面運(yùn)用Visual Studio 2019 開發(fā)平臺(tái),基于C#語(yǔ)言開發(fā)[5],可以實(shí)時(shí)根據(jù)智能感知魔方的IP 地址與其連接。 成功連接后,運(yùn)用LoRa 的智能組網(wǎng),通過北斗模塊可以獲取目標(biāo)魔方的位置信息,開始攝像頭可以獲取周圍環(huán)境的圖像信息,讀取魔方鋰電池的電量,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量,并通過其他傳感器獲取各種信息。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本課題設(shè)計(jì)的多功能智能感知魔方可由人員攜帶或者無(wú)人機(jī)將其投放到預(yù)定地點(diǎn),相比其它傳統(tǒng)偵察系統(tǒng)和裝備,主要有以下優(yōu)點(diǎn)[6]:(1)全域信息獲取和融合處理。 運(yùn)用各類傳感器對(duì)任務(wù)區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)進(jìn)行感知,對(duì)采集到的圖片進(jìn)行優(yōu)化處理,輸出標(biāo)準(zhǔn)圖像或視頻信號(hào),實(shí)現(xiàn)晝夜全時(shí)域、全方位獲取信息。 (2)實(shí)時(shí)傳輸與分發(fā)。 利用無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)傳輸模塊,實(shí)現(xiàn)魔方之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)2～20 km 遠(yuǎn)距離、2 Mbps～20 Mbps 高帶寬信號(hào)的傳輸。 (3)自適應(yīng)能力。 魔方具有極強(qiáng)的抗過載和抗干擾能力,體積小,構(gòu)件強(qiáng)度高。 (4)自供電功能。 配置高效率太陽(yáng)能發(fā)電裝置,利用光角獨(dú)立性以及高轉(zhuǎn)換效率,實(shí)現(xiàn)較高的功率重量比。