基于物聯(lián)網(wǎng)的激光測(cè)距系統(tǒng)

摘 要：文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的激光測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由STM32F103單片機(jī)、ATK-MS53L1M激光測(cè)距模塊和ATK-HC05藍(lán)牙通信模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)利用ATK-MS53L1M模塊對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)程序進(jìn)行處理，最終通過(guò)ATK-HC05模塊將目標(biāo)距離信息傳輸?shù)揭苿?dòng)終端。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在室內(nèi)和室外的測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，取得了較好的測(cè)距效果，為人們研究和開(kāi)發(fā)更加智能化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：STM32；ATK-HC05藍(lán)牙通信模塊；激光測(cè)距；物聯(lián)網(wǎng)；ATK-MS53L1M；STM32F103RCT6

中圖分類號(hào)：TP39；TN835 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-00-03

0 引 言

激光測(cè)距應(yīng)用范圍廣泛，目前大部分激光測(cè)距儀器使用的是專用集成電路，但專用集成電路成本高、功能相對(duì)單

一[1]。隨著測(cè)量環(huán)境日益復(fù)雜，對(duì)激光測(cè)距儀測(cè)量功能的要求也在不斷增加，這對(duì)專用集成電路的挑戰(zhàn)無(wú)疑是巨大的。傳統(tǒng)的人工激光測(cè)距不僅精度低、誤差大，而且耗時(shí)費(fèi)力[2]。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的信息科學(xué)技術(shù)[3]。其按照約定的協(xié)議，通過(guò)使用RFID、紅外傳感器、激光掃描器等設(shè)備將物體之間的信息進(jìn)行互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)ξ锱c物間各自的信息進(jìn)行交換和分析處理，人們可以對(duì)物品進(jìn)行快速識(shí)別、全面定位、跟蹤以及管理[4]。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理等，都大大為現(xiàn)代化測(cè)量節(jié)省了人力與物力。引入物聯(lián)網(wǎng)后，可以極大拓展激光測(cè)距儀的使用范圍。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。該激光測(cè)距系統(tǒng)采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制芯片，采用ATK-MS53L1M模塊進(jìn)行測(cè)距，具有高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)0～4 m測(cè)距范圍內(nèi)的高精度測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)±1 mm[5]。

紅外測(cè)距模塊采用標(biāo)準(zhǔn)串口，可以和單片機(jī)、主控板實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的串口通信。液晶屏顯示模塊采用TFTLCD，可顯示藍(lán)牙狀態(tài)和測(cè)量的目標(biāo)距離。藍(lán)牙模塊采用HC-05芯片實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，該芯片與單片機(jī)通過(guò)串口通信，單片機(jī)將測(cè)量的目標(biāo)距離通過(guò)串口發(fā)送給HC-05，HC-05再通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)或電腦等上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)距。

2 激光測(cè)距模塊

本研究計(jì)劃使用ATK-MS53L1M以及相關(guān)電路通過(guò)串口與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。激光測(cè)距模塊是一款自帶鏡片光學(xué)過(guò)濾，支持串口通信，具有高分辨率，精度在+3%～+7%之間的半導(dǎo)體激光測(cè)距儀，可以對(duì)4 m范圍內(nèi)的物體進(jìn)行距離測(cè)量[6]。該模塊不但滿足了實(shí)驗(yàn)的測(cè)量要求，還能在保證測(cè)量精度的前提下穩(wěn)定測(cè)量距離數(shù)據(jù)。激光測(cè)距模塊電路如圖2所示。

ATK-MS53L1M模塊通過(guò)1×6排線同外部相連。該封裝有6個(gè)引腳，分別為SDA、SCL、RXD、TXD、GND和VCC，各引腳功能見(jiàn)表1所列。

ATK-MS53L1M與單片機(jī)連接時(shí)，需要將TXD、RXD分別和單片機(jī)的I/O口連接，ATK-MS53L1M 與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

3 主控模塊

單片機(jī)是激光測(cè)距系統(tǒng)的核心控制部件，它負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)距模塊的控制和數(shù)據(jù)處理，以及將測(cè)距模塊采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，單片機(jī)還可與外部設(shè)備如藍(lán)牙模塊通信，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)APP進(jìn)行顯示和處理。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)扮演著控制、顯示、傳輸?shù)戎匾巧?。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)需至少具備4個(gè)I/O口、TXD、RXD、液晶屏、晶振、定時(shí)器、中斷、I2C總線等。在選擇單片機(jī)時(shí)，需要考慮現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保、綠色的要求，優(yōu)先選擇功耗低、精度高的單片機(jī)，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

綜合考慮各方面因素后，我們發(fā)現(xiàn)STM32F103RCT6單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時(shí)能夠更加高效地節(jié)約能源，而且集成度也更加優(yōu)越。STM32F103RCT6引腳如圖4所示，該單片機(jī)可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

4 藍(lán)牙模塊

HC-05藍(lán)牙模塊是一種基于藍(lán)牙2.0協(xié)議的串口透?jìng)髂K，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信功能。它由主板與藍(lán)牙芯片組成，支持藍(lán)牙串口協(xié)議傳輸，可以簡(jiǎn)單和單片機(jī)、主控板及其他設(shè)備進(jìn)行串口通信[7]。

HC-05模塊的工作電壓為3.3 V，支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，可使用AT命令配置，具有自動(dòng)連接、自動(dòng)配對(duì)、多點(diǎn)連接等功能。該模塊外形小巧，安裝方便，廣泛應(yīng)用于無(wú)線控制、藍(lán)牙音頻、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域[8]。

HC-05藍(lán)牙模塊可以使用的模式有兩種，命令響應(yīng)工作模式（AT）和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作模式[9]。

（1）AT命令模式

在AT命令模式下，用戶可以通過(guò)串口向HC-05模塊發(fā)送AT指令來(lái)配置模塊參數(shù)。用戶可以通過(guò)更改這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如更改藍(lán)牙名稱、配對(duì)密碼、接收數(shù)據(jù)速率等。需要將藍(lán)牙模塊的EN引腳與VCC相連才能進(jìn)入AT命令模式。

（2）自動(dòng)連接工作模式

在自動(dòng)連接工作模式下，HC-05模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谳敵鲆_，用戶可以直接通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給其他設(shè)備，并且通過(guò)串口接收其他設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)紿C-05模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線串口傳輸功能。根據(jù)自動(dòng)連接工作模式在不同情況下的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)主從藍(lán)牙設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

HC-05模塊默認(rèn)為自動(dòng)連接工作模式，需要輸入AT指令，將模塊切換到AT命令模式下進(jìn)行參數(shù)配置。HC-05模塊可以通過(guò)AT+C命令將自動(dòng)連接工作模式與AT命令模式進(jìn)行切換。

一旦STM32F103RCT6主控模塊和上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊建立了藍(lán)牙通道，雙方即可傳遞采集的數(shù)據(jù)，或者上位機(jī)發(fā)送指令讓STM32F103RCT6主控模塊識(shí)別并發(fā)送該數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。通過(guò)藍(lán)牙通道可以使數(shù)據(jù)傳輸更加方便、靈活，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性[10]。

HC-05藍(lán)牙模塊與STM32上位機(jī)連接如圖5所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件控制介紹

基于藍(lán)牙的激光測(cè)距系統(tǒng)軟件包括以下部分：

（1）嵌入式軟件：嵌入式軟件以STM32F103RCT6單片機(jī)為核心，使用Keil等工具編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)激光控制、返回信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等核心功能。

（2）激光傳感器驅(qū)動(dòng)軟件：使用ATK-MS53L1M激光測(cè)距傳感器，需要編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，運(yùn)用STM32F103RCT6的GPIO、外部中斷等功能，通過(guò)SPI總線與主控單片機(jī)通信，并讀取傳感器返回的距離數(shù)據(jù)。

（3）通信軟件：采用HC-05藍(lán)牙模塊需要編寫(xiě)相應(yīng)的通信軟件，運(yùn)用STM32F103RCT6提供的UART通信功能和AT指令集，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的配置和數(shù)據(jù)傳輸功能。

（4）上位機(jī)軟件：上位機(jī)程序可以通過(guò)藍(lán)牙模塊與STM32F103RCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。

5.2 軟件設(shè)計(jì)流程

單片機(jī)軟件采用C語(yǔ)言STM32的HAL庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)，其流程如圖6所示。在按鍵KEY0的控制下采集激光測(cè)距的值，采集的值通過(guò)藍(lán)牙模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。按鍵KEY1可以用來(lái)控制測(cè)距模塊的工作模式。

6 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢測(cè)本系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，文中設(shè)計(jì)了準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)，我們選擇可以精確到毫米后兩位的電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行對(duì)比，用游標(biāo)卡尺設(shè)置測(cè)量距離70 mm、140 mm、210 mm、

270 mm，使用激光測(cè)距儀測(cè)量。測(cè)量3次取平均值并將數(shù)據(jù)記錄在測(cè)量結(jié)果表中，對(duì)比分析這3種測(cè)距結(jié)果的差距，并計(jì)算誤差率。通過(guò)改變測(cè)試目標(biāo)的距離，測(cè)得的測(cè)距誤差率見(jiàn)表2所列。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，測(cè)量存在一定誤差，為2.415%。同時(shí)可以看出，測(cè)試距離越遠(yuǎn)測(cè)試所得的誤差值越小，誤差存在的可能原因是測(cè)距模塊自身存在測(cè)量誤差，且測(cè)量環(huán)境中環(huán)境光線的影響同樣會(huì)對(duì)測(cè)量工具產(chǎn)生影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)的測(cè)距系統(tǒng)雖然存在誤差但基本符合預(yù)期要求。

7 結(jié) 語(yǔ)

文中介紹了一種基于藍(lán)牙的激光測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度較高、簡(jiǎn)單小巧，可通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)目標(biāo)的距離，可應(yīng)用于電子技術(shù)、建筑、軍事等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：廣西醫(yī)科大學(xué)“未來(lái)學(xué)術(shù)之星-大學(xué)生課外創(chuàng)新科研課題”（WLXSZX23077）