多模式可載兒童智能行李箱裝置優(yōu)化設(shè)計

葉偉慧， 舒秀蘭， 林桂盛， 聶華鋒

(廣東海洋大學(xué) 寸金學(xué)院, 廣東 湛江 524094)

0 引 言

隨著自動化控制技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行智能控制系統(tǒng)設(shè)計，能有效改善人們的生活方式，提高生活的智能化水平。行李箱作為人們出行的必要工具，研究一種能遠(yuǎn)程智能控制的行李箱，能大大提高出行的便捷性，例如，在2014年，國內(nèi)就出現(xiàn)了一款載人行李箱，其不僅是一個小型“小車”可儲物、可載1～2個人，充一次電可跑50～60公里。結(jié)合人工智能控制技術(shù)，進(jìn)行多智能多模式的可載兒童智能行李箱設(shè)計，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)和Android平臺開發(fā)，實現(xiàn)對行李箱的智能控制，研究多模式可載兒童智能行李箱裝置具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

本文結(jié)合嵌入式控制技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱裝置的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計是基于普通的行李箱改造而來，在行李箱上加裝了兒童座椅，可實現(xiàn)載兒童的功能。同時通過單片機(jī)控制行李箱的速度，加之可以利用藍(lán)牙進(jìn)行對行李箱的控制，這樣就省去了用手拉行李箱的不便。在行李箱的智能控制系統(tǒng)設(shè)計中，加入了單片機(jī)進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)智能化控制[2]。采用Android平臺進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱的APP開發(fā)設(shè)計，將手機(jī)與智能設(shè)備相結(jié)合，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ZigBee通信協(xié)議[3]，實現(xiàn)行李箱的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制，提高出行中使用行李箱的便捷性。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模塊包括電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙無線通信模塊、總線模塊和人機(jī)交互模塊等。行李箱裝置分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2部分，硬件設(shè)計采用STC12C5A60S2芯片作為控制核心，首先進(jìn)行了行李箱控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進(jìn)行功能技術(shù)指標(biāo)分析和功能模塊分析，在集成DSP環(huán)境下進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱裝置的硬件開發(fā)設(shè)計，最后進(jìn)行系統(tǒng)測試，展示了本文設(shè)計的多模式可載兒童的智能行李箱的智能控制性能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的多模式可載兒童智能行李箱裝置主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2部分，對多模式可載兒童智能行李箱自動控制采用單片機(jī)和DSP聯(lián)合控制方法，采用51單片機(jī)進(jìn)行行李箱的遠(yuǎn)程智能轉(zhuǎn)換控制，將控制算法采用程序加載和交叉編譯方法加載到智能行李箱控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序中，實現(xiàn)多模式可載兒童智能行李箱自動控制設(shè)計。首先進(jìn)行多模式可載兒童的智能行李箱的總體設(shè)計構(gòu)架分析，多模式可載兒童智能行李箱裝置由上、下機(jī)位2部分組成，多模式可載兒童智能行李箱的自動控制模塊采用分布式控制方案，采用藍(lán)牙遠(yuǎn)程收發(fā)裝置進(jìn)行行李箱的遙感智能控制[4]。行李箱在手柄處有旋動開關(guān)，該行李箱多了個手柄，上面安裝了多功能操縱按鈕和旋動開關(guān)，可以實現(xiàn)行李箱的遠(yuǎn)程控制和轉(zhuǎn)動。行李箱裝置系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)層、控制層和應(yīng)用層3層體系，在應(yīng)用層實現(xiàn)對行李箱的電機(jī)驅(qū)動和總線控制，設(shè)計藍(lán)牙模塊進(jìn)行行李箱的APP控制和遠(yuǎn)程信息傳輸。采用C語言編程設(shè)計，進(jìn)行行李箱裝置控制系統(tǒng)的集成控制算法設(shè)計，硬件模塊采用STC12C5A60S2芯片作為控制核心，在PCB中進(jìn)行硬件集成設(shè)計[5]。根據(jù)上述總體設(shè)計描述，得到本文設(shè)計的電動行李箱的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 多模式可載兒童智能行李箱裝置的總體結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Generalstructureofintelligentluggagedevicesformulti-modeloadablechildren

根據(jù)圖1的總體設(shè)計構(gòu)建，進(jìn)行行李箱智能控制裝置的功能結(jié)構(gòu)分析，行李箱的主控系統(tǒng)選擇了邏輯PLC控制器進(jìn)行交叉編譯，提高多模式可載兒童智能行李箱裝置的智能性，行李箱式自動控制裝置的下位機(jī)模塊是實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制指令傳輸功能，將采集的環(huán)境信息和行李箱動態(tài)信息通過藍(lán)牙和ZigBee進(jìn)行遠(yuǎn)程收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，提高行李箱對環(huán)境的自適應(yīng)感知能力[6]。

1.2 開發(fā)環(huán)境描述和功能模塊分析

根據(jù)上述總體設(shè)計構(gòu)架，進(jìn)行開發(fā)環(huán)境描述和功能模塊分析，行李箱裝置系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)層、控制層和應(yīng)用層3層體系，行李箱裝置分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2部分，采用ISA/EISA/Micro Channel擴(kuò)充總線進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱自動控制的指令加載，結(jié)合離散分布式控制方法進(jìn)行程序的交叉編譯，主控芯片采用TMS320VC5509A，通過2路PWM實現(xiàn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動以及電機(jī)的調(diào)速，對DSP提出如下要求。

(1)運算量要求。DSP具有IVI-C、IVI-COM二種運算模式，對行李箱的電機(jī)驅(qū)動和自動測試的最低速度應(yīng)>500 MHz，VXI總線系統(tǒng)的處理速度應(yīng)≥600 MHz。

(2)精度要求。本文設(shè)計的行李箱的智能系統(tǒng)采用16位DSP和32位DSP的雙通道兼容性測試機(jī)制，采用SCPI標(biāo)準(zhǔn)(Standard Commands forProgramming Instruments，可程控儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令)進(jìn)行行李箱的遙感測試和高精度控制，因此采用16位定點DSP才可滿足要求。

(3)功耗要求。為了提高行李箱裝置控制系統(tǒng)的平臺兼容性和續(xù)航能力，對功耗有特別要求，采用2個4GB SCSI總線硬盤進(jìn)行功耗控制，整機(jī)功耗不大于12 W。

根據(jù)上述設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行多模式可載兒童的智能行李箱裝置的功能組件開發(fā)，總線模塊實現(xiàn)VIX總線傳輸和控制指令的加載功能，以邏輯可編程的51單片機(jī)為計算核心芯片，采用ADSP21160處理器系統(tǒng)實現(xiàn)行李箱智能裝置的集成開發(fā)，行李箱智能裝置的控制系統(tǒng)的上位機(jī)模塊采用ADSP-BF537BBC-5A進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和藍(lán)牙控制。采用AD模塊的擴(kuò)充總線進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱自動控制指令加載，程序加載具有60位全通道多模式加載能力[7-9]，構(gòu)建多模式可載兒童智能行李箱自動化裝置的功能組件如圖2所示。

圖2 智能行李箱自動化裝置的功能組件

Fig.2Functionalcomponentsofintelligentluggageautomationdevice

2 行李箱智能裝置的硬件開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

本文設(shè)計的多模式可載兒童智能行李箱自動控制系統(tǒng)采用局部總線控制方法，在上述進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析和3層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計描述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行功能模塊分析，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模塊包括電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙無線通信模塊、總線模塊和人機(jī)交互模塊等。對各個功能模塊設(shè)計描述如下。

(1)電機(jī)驅(qū)動模塊。使用直流電機(jī)作為行李箱運行的載體，通過單片機(jī)的PWM輸出調(diào)節(jié)占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、加減速、轉(zhuǎn)彎等動作。電機(jī)驅(qū)動模塊采用3電平整流耦合驅(qū)動模式，電機(jī)整流耦合的輸出經(jīng)3級主頻放大器放大15倍，主頻放大后，主頻保持穩(wěn)壓狀態(tài)，采用三相永磁小電機(jī)作為多模式可載兒童智能行李箱的電機(jī)動力輸出裝置[10]，得到電機(jī)驅(qū)動模塊的電路如圖3所示。

圖3 智能行李箱的電機(jī)驅(qū)動模塊的電路圖

Fig.3Equivalentcircuitdiagramofmotordrivingmoduleinintelligentluggage

(2)單片機(jī)控制模塊。單片機(jī)控制模塊是整個智能行李箱設(shè)計的核心，采用51單片機(jī)進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱的控制系統(tǒng)設(shè)計。采用DSP控制SEL1電平實現(xiàn)多模式可載兒童智能行李箱自動控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集和信號處理，AD模塊建立在RAM中，通過邏輯可編程的DSP實現(xiàn)邏輯控制和應(yīng)用程序的實時加載，在AD模塊的前置電路中通過51單片機(jī)控制智能行李箱實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退等操作，得到智能行李箱的單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計如圖4所示。

(3)藍(lán)牙無線通信模塊。通過藍(lán)牙與單片機(jī)進(jìn)行通訊，使用者可以通過手機(jī)終端對行李箱的速度進(jìn)行控制，提高了人們的出行效率。藍(lán)牙無線通信模塊采用ZigBee通信協(xié)議實現(xiàn)行李箱的藍(lán)牙傳輸控制，行李箱的藍(lán)牙控制器選用PCI9054作為PCI的橋接芯片。

圖4 單片機(jī)控制模塊

在藍(lán)牙通信設(shè)計中，上、下位機(jī)通信模塊通過DMA方式輸入到DSP中進(jìn)行程序讀寫，得到藍(lán)牙無線通信模塊電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙無線通信模塊電路設(shè)計

(4)總線模塊?？偩€模塊電路板使用STC12C5A60S2芯片作為控制核心，通過2路PWM輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動以及電機(jī)的調(diào)速控制，采用VIX總線技術(shù)進(jìn)行行李箱自動控制裝置的指令傳輸和串口總線設(shè)計，總線模塊的接口設(shè)計如圖6所示。

圖6 總線模塊接口設(shè)計

綜上模塊化設(shè)計，在集成RS232數(shù)據(jù)線的總線傳輸協(xié)議下，實現(xiàn)智能行李箱裝置系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計，結(jié)合嵌入式技術(shù)進(jìn)行多模式可載兒童智能行李箱裝置的優(yōu)化設(shè)計，得到整個裝置的集成電路設(shè)計如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試實驗

為了測試本文設(shè)計的多模式可載兒童智能行李箱的實際應(yīng)用效能，進(jìn)行系統(tǒng)測試，系統(tǒng)測試建立在控制芯片STC12C5A60S2基礎(chǔ)上，在控制系統(tǒng)中，安裝藍(lán)牙模塊，通過手機(jī)藍(lán)牙和行李箱通訊，控制行李箱的速度，使行李箱運行在安全的范圍之內(nèi)，設(shè)計的智能行李箱控制芯片的實物圖如圖8所示。

在實際環(huán)境中，測試行李箱的控制穩(wěn)定性，測試控制性能曲線如圖9所示。測試結(jié)果表明，設(shè)計的多模式可載兒童智能行李箱的人工智能性較好，可靠性水平較高。

圖7 智能行李箱控制系統(tǒng)的集成電路設(shè)計

圖8 控制裝置的實物圖

圖9 行李箱的控制性能曲線測試

4 結(jié)束語

結(jié)合人工智能控制技術(shù)，進(jìn)行多智能多模式的可載兒童智能行李箱設(shè)計，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)和Android平臺開發(fā)，實現(xiàn)對行李箱的智能控制，本文提出一種多模式可載兒童智能行李箱裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。行李箱裝置系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)層、控制層和應(yīng)用層3層體系。對系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙無線通信模塊、總線模塊和人機(jī)交互模塊等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計描述。采用STC12C5A60S2芯片作為控制核心，通過2路PWM輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動以及電機(jī)調(diào)速，采用51單片機(jī)進(jìn)行行李箱的集成控制，通過藍(lán)牙與單片機(jī)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)智能行李箱裝置系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計和軟件開發(fā)。研究得知，本文設(shè)計的多模式可載兒童智能行李箱的人工智能性較好，可靠性水平較高，具有一定的應(yīng)用價值。