對基于STM32的智能小車的應用研究

摘 要：近年來，隨著物聯網、人工智能等技術的快速發展，智能設備在各行各業中的應用日益廣泛。基于STM32嵌入式微處理器的智能小車，憑借高性能、低功耗和多功能性等特點，在多領域、多場合都有一些創新性的應用。本文主要論述了STM32智能小車的基本框架結構及硬件組成，并探討了智能小車在消防、旅游、醫療、工業等領域的應用。

關鍵詞：STM32 智能小車 應用研究

STM32智能小車是基于STM32微處理器的智能移動平臺。它通過各類傳感器獲取被測量信息、智能小車自身信息，在有障礙物的場合中按照一定的規劃路徑做行進運動，繼而完成設定功能的智能系統。它集中運用了單片機、傳感器、信息融合、通信接口、導航控制、人工智能以及自動控制等一系列高新技術。智能小車所具有的高性價比、豐富的外設和強大的處理能力，使它成為在一些領域的重點研究和開發對象[1]。

1 智能小車基本框架概述

1.1 硬件系統

一臺智能小車，需要具備的基本功能模塊，有主控制器模塊、電源模塊、顯示模塊、尋跡模塊和避障模塊，硬件系統組成如圖1所示。

1.1.1 主控制器

對于智能小車而言，主控制器是最關鍵的組成，起著至關重要的作用，系統其他硬件的選擇都需與它所對應。科技一直在進步、在發展，主控制器的性能在各方面都有很大的提升，能夠實現的控制類型也越來越復雜[2]。一般來說，智能小車選擇STM32F103系列微處理器，完成各種傳感器的信息處理、電機控制等任務，使整個控制系統有條不紊地完成設定的任務。

1.1.2 電源模塊

智能小車的所有電源由該模塊提供。需要的直流穩壓電源類型有兩種，一種是3.3 V的電源，用來為CPU供電，一種是5 V電源，用來給其他器件供電。5V穩壓模塊電路，可以用三端集成穩壓器LM7805來實現；3.3 V穩壓模塊電路，可以采用線性降壓穩壓器LM317來實現。LM7805可提供5V的輸出電壓，內部具有過流保護和過載保護；LM317是可調節三端正電壓穩壓器，輸出電壓為1.2V～37V間可調，能夠提供超過1.5A的電流，輸出具有短路保護、過流保護和過熱保護。

1.1.3 顯示模塊

顯示模塊可采用LCD12864液晶顯示器，它具有靈活的接口方式、便捷的操作指令、低電壓、低功耗等優點。它的接口方式具有多樣性，有4位/8位并行、2線或3線串行等，內部的液晶顯示包括了國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形[3]，可以顯示行點陣的漢字，也可以完成圖形顯示，可構成友好的人機交互界面。

1.1.4 尋跡模塊

尋跡模塊主要依賴紅外線傳感技術。通常由一對紅外發射管和接收管組成，發射管發射紅外線，接收管接收反射回來的紅外線。主控制器對傳感器接收的信號進一步處理，進而判斷小車當下的位置情況、偏離情況，控制小車做出一定的調整后，繼續沿著事先設定好的路線行進。

1.1.5 避障模塊

避障模塊包含對障礙物的識別檢測與避開。為了使障礙物的檢測更加精準，通常采用超聲波傳感器和紅外光電傳感器相結合的方式，用數據融合法獲取信息。智能小車在行進中，傳感器要檢測到障礙物、小車與其間的距離信息，然后將結果反饋給主控制器，經過信息的處理、避障算法等規劃小車的避障路徑。

1.1.6 驅動模塊

用來完成小車左、右兩側車輪動力電機的控制，將STM32發出的速度控制信號轉換為動力信號驅動電機運行，進而實現小車的運動功能。控制信號可以采用PWM調速方式，完成對小車左右輪的速度差異控制[4]。

1.1.7 測速模塊

用來測量智能小車運動過程中，左、右兩側車輪的實際轉速，可以使用光電編碼器和STM32內置的計數器結合的方式，檢測車輪實時轉速[5]。

1.2 軟件系統

為了使系統有更好的靈活性和可擴展性，軟件部分可按功能采用模塊化設計，在KEIL MDK中編寫程序，它提供了豐富的中間件庫和API，支持多種通信協議和外設接口，如USB、UART、SPI等，這大大提高了開發效率和易用性。智能小車基本功能系統主要由尋跡子程序、避障子程序、電機驅動子程序、速度檢測子程序、LCD顯示子程序等組成。

將智能小車用于不同的場合時，在此框架基礎上，添加相應的功能模塊，編寫相關的子程序，即可實現對應的功能。

2 智能小車的應用

2.1 智能小車在消防系統的應用

我國的城市化一直在穩步有序地發展，伴隨著的就是大量的工礦企業、石油化工企業及典型的商業綜合體的蓬勃發展，但是這些地方如果發生普通火災，而相關人員卻沒有及時發現，就會造成不可估量的嚴重后果。通常，火災的發生都是依托一定的現象的，如煙霧、火光、溫度變化、有毒氣體等，如果利用傳感器將這些現象事先檢測出來，則有利于遏制火災；同時，通過智能小車對滅火器的控制，實現滅火，將火災的災情降到最低。由此可見，智能小車可以監測火災隱情并采取相應的措施，以防造成人員傷亡和財產損失。

為實現該功能，需在智能小車的基本框架基礎上，再增加一些與火災隱情有關的檢測和報警模塊，如光敏、壓力、溫度、火焰、煙霧、通信等傳感器模塊和聲光報警模塊等[6]。這些模塊保障了智能小車的火情監測功能、滅火功能和報警功能。壓力傳感器模塊用來檢測滅火器的重量，保證滅火器的可用性，沒有發生漏氣、老化等現象，以防在滅火時出現問題；煙霧傳感器模塊用來檢測空氣是否有煙霧，主要是可燃顆粒，從而判斷是否有發生火災的潛在性因素；火焰傳感器模塊用來檢測周圍空間是否有火焰，利用紅外線對火焰的敏感性，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，從而判斷是否有發生火災的明火；無線通信模塊用來傳遞火災信息，如向發生火災苗頭區域的保衛處等提供火災信息，使相關人員采取行動；溫度傳感器模塊用來檢測周圍空間的溫度，根據設定的溫度值，從而判定是否存在火災隱患；蜂鳴器模塊用來報警，可以給出兩種警示，用不同的報警聲，一種是有火災隱患，另一種是已經發生火災。

一直以來，火災頻繁發生，大量的火災都是由于沒有良好的火災預警系統，最后引發了非常嚴重的后果，造成了無法估量的經濟損失和人員傷亡，利用智能小車來完成消防系統的火災預警，恰好解決了這一問題。黑龍江省黑河市愛輝區就是應用了這一方式，居民樓安裝的火災預警系統，利用消防智能小車實時監測周圍空氣中的煙霧、溫度等關鍵指標。一旦檢測到異常，系統會迅速通過無線通信模塊向監控中心發送警報信息，若有必要，將操控智能小車初步滅火。

2.2 智能小車在旅游行業的應用

隨著全球化的加速、人民大眾的生活水平的提升，以及消費觀念的轉變，大家越來越注重精神世界。人們對于精神生活的追求，使得大家不再拘泥于生活基本的需求，越來越注重精神修養，使大家更愿意去發現美、體驗美、享受美，這又進一步促進了各地旅游業的發展，于是，旅游的重要性愈發突出，而且，文化生活品位的提高使人們已經不再滿足于單一地去“發現美”，相反，更多的人想知道名勝古跡、歷史典籍、古代文物所對應的一個又一個的或使人嘆惋，或使人悲傷，或使人捧腹大笑的歷史故事。景區的導游可以給大家提供這一服務，但是也存在一些問題，比如，導游一直進行著重復的語言工作，難免會有對工作的乏味；當有好幾個導游同時解說時，就會顯得嘈雜，導致人們聽不清楚；有的人可能對景區的某一游覽區更加感興趣一些，想多停留一陣，多作一些了解，但還是得跟著導游走。以上這些問題，完全可以用一臺導游智能小車來解決。導游智能小車的導游功能可以分情況，一種是首先提前設定好游覽路線，然后在該游覽路線上所涉及的景點的詳細的語音介紹，可以支持多種語言，游客跟著智能小車游覽；另一種是游客可以自己選擇景點，由智能小車帶領到目的地，并作詳細介紹。

為實現該功能，需在智能小車的基本框架基礎上，繼續增加語音播報模塊、按鍵模塊[7]。語音播報模塊用來在對應的景點為游客講解。按鍵模塊用于游客來靈活選擇景點，游客可以根據自己的喜好，從中選擇更想了解、更感興趣的景點，并由智能小車引導，到達目的地后由智能小車介紹景點[8]。

2.3 智能小車在醫療行業的應用

2.3.1 智能測溫

眾所周知，傳染病的防控是世界公認的難題之一，在人員極度密集的場所更加突出，如車站、地鐵、大型商場等場所。如甲流、乙流、新冠肺炎等，其傳染性較高，防控難度較大。這些傳染性疾病都有的共同癥狀之一就是發燒，體溫明顯會高于正常水平。由此，如何將這些人篩選出來就顯得尤為重要。

現如今，密集場所測溫主要采用紅外測溫法。紅外測溫的優點有響應時間快、非接觸、使用安全方便等，紅外測溫儀廣泛用于醫療、工業生產、建筑、環保、食品安全等領域。目前普遍使用的紅外測溫裝置有手持式紅外測溫儀和紅外熱成像儀系統。手持式測溫儀除了用于醫療領域，如在醫院、診所等醫療機構中，它可用來快速篩查出發熱患者，尤其是在疫情期間，它們被廣泛用于公共場所的體溫檢測，另外在學校、培訓機構也可用來篩出體溫異常者；在食品安全方面也有應用，如在食品加工和餐飲行業，可用來監測食品的存儲和烹飪溫度，確保食品安全；在建筑檢測、工業生產等領域都有應用。紅外熱成像儀因其獨特的非接觸式檢測能力和對溫度變化的高度敏感性，在多個領域也有著廣泛的應用前景。但是，以上兩種方式也存在一定的缺點，如紅外測溫儀易受測量環境的溫度影響，會產生較大的誤差，測得的數據不可靠；紅外熱成像儀的測溫準確性會受到環境溫度、空氣中的灰塵等因素的影響，在夜間或惡劣天氣條件下，其性能也會受到限制。

測溫智能小車，能夠將紅外測溫技術和智能小車技術相融合，從人體識別、體溫測量、報警實現測控過程的一體化，能夠對目標自動測溫，并在溫度高于正常值時報警，起到警示作用。這種測量體溫的方式在具有疫情傳播風險時，可以降低傳播風險。

為實現該功能，需在智能小車的基本框架基礎上，繼續增加人體感應模塊、測溫模塊、報警模塊。人體感應模塊是當人體出現在感應器的檢測范圍內時，傳感器會檢測到人體的熱量并發出信號。測溫模塊用來測量感應到的人體的體溫，如果超出設定值時，就會發出報警聲。這種測量方法具有一定的優點，如測量準確度高，測量速度快，操作簡單等。與人工測量體溫相比，其優勢很大，除了在疫情防控工作中可以發揮作用外，也可以用于其他領域。

2.3.2 智能送藥

隨著各行業智能設備的應用與智能化水平的提高，送藥智能小車在醫療領域也有了一些應用，醫院采用智能小車來送藥的優勢主要有，可以減輕醫護人員的工作量，降低醫護與病患的交叉感染，提高藥物配送的效率和準確率。智能送藥小車是人工智能技術在醫療領域的創新性發展，有助于智慧醫療系統的發展。

智能送藥小車在單片機控制下，在設定好的醫療區域內，可自動識別、尋徑、避障，將藥品送到指定病房后，返回藥房。

為實現該功能，需在智能小車的基本框架基礎上，繼續增加視覺模塊、藥品檢測模塊。視覺模塊完成加載模型、初始化攝像頭、預處理攝像頭，最終顯示檢測結果，并發送給主控制器；藥品檢測模塊是傳感器將檢測到的藥品信息發送給單片機。

2.4 智能小車在工業自動化的應用

工業自動化是在工業生產中大量采用自動化的控制方式、自動化裝置等，來自動操作機器完成加工任務的一種趨勢。隨著工業4.0的發展，許多工廠都朝著智能化、網絡化和數字化的方向靠近。工業4.0是指綜合性的理念，利用智能技術，包括大數據、人工智能、物聯網等技術，來提高制造和供應鏈的效率。這是工業領域的轉型，有利于方便快捷地生產產品，產品形式多樣。在這種轉型下，所有工業領域的界限將模糊化，直至消失，隨之而來的便是新的模式，即新的合作模式的出現，新的重組方式也將出現。

應用于工業自動化的智能小車，正是工業轉型下的智能化的體現之一。智能小車的優勢是提升了工業生產的效率，降低了企業的人力資源成本，并且提高了生產過程中的安全性和可靠性。在倉儲物流方面，使用智能小車可以完成物料的分揀、搬運與存儲，相比于人工作業，出錯率大幅度較低；在生產線物料搬運方面，使用智能小車可以在裝配線運輸零部件、搬運精密元件、支持小批量多品種生產；另外，在比較特殊的工業場合，也可以使用智能小車，如高危場合、冷鏈物流、重型物流等場合。工業4.0的智能制造，不只是工業技術上的升級，更是工業生產方式的革新。基于數據驅動的決策、實時互聯的設備和極度靈活的生產線，再度形成全球制造業競爭力。

3 總結

未來STM32智能小車將更加智能化和自主化，能夠在復雜環境中獨立完成任務。隨著人機交互技術的進步，智能小車將更好地與人類協作，提升工作效率。隨著環保意識增強，低功耗、環保材料的應用將成為趨勢。STM32智能小車在技術、應用和市場方面都有廣闊的發展前景，隨著技術進步和應用場景的擴展，未來將在更多的領域發揮重要作用。

基金項目：2023年甘肅省教育科技創新項目（項目編號：2023B-279）。

參考文獻：

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