基于單片機的智能跟隨箱包設計

夏夢琴 陳煜 周毛毛 張紀 趙玉榮

摘? 要：行李箱是生活中被廣泛使用的日用品，文章針對普通行李箱耗費體力的問題，對可跟隨智能箱包進行研究，智能化普通的箱包，并對單片機在箱包中的應用加以分析。可自動跟隨智能箱包以單片機為控制中心，運用GPS、藍牙、PID控制等技術(shù)，能夠?qū)崟r檢測和追蹤運動中的目標，具有自動跟隨、助力行走等功能，是一種新型智能箱包。其具有穩(wěn)定性高、成本低、方便省力、實時性好等特點，具有一定的應用價值和市場前景。

關(guān)鍵詞：自動跟隨;GPS定位;藍牙;PID控制

Abstract：Luggage is widely used in daily life as daily necessities. Aiming at the problem of ordinary luggage consuming physical strength，the following smart luggage is researched to make ordinary luggage intelligent，and the application of single-chip microcomputer in luggage is analyzed. The smart luggage can automatically follow the single-chip microcomputer as the control center，using the GPS，Bluetooth，PID control technology，can detect and track the target in motion in real time，have the functions of automatic follow，assist walking，etc.，is a new type of smart luggage. The luggage has the characteristics of high stability，low cost，convenience and labor saving，and good real-time performance. It has certain application value and market prospects.

Keywords：automatic following;GPS positioning;Bluetooth;PID control

0? 引? 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，自動化、智能化已經(jīng)成為研究熱點。在日常生活中，長途旅行的人們通常需要攜帶大量行李，出行十分不便。傳統(tǒng)行李箱的前進僅靠人為的推拉拖拽，易磨損，且容易丟失，通常會使人們感到十分疲勞。為了解決這個問題，本設計將單片機控制系統(tǒng)和GPS等技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崟r檢測并追蹤移動目標，實現(xiàn)自動跟隨，此外該箱包可自動提供動力，使用者僅需通過拉桿控制箱包運動，為使用者減輕大部分負擔、節(jié)省體力，在生產(chǎn)生活中具有一定的使用價值。

1? 智能行李箱的工作原理

智能箱包與普通箱包不同，研究難點在于如何準確地定位目標位置，在箱包與目標之間建立實時穩(wěn)定的通信。關(guān)鍵問題在于箱包接收到目標的位置坐標后，如何根據(jù)自身的位置坐標信息和目標位置信息，設計出合理的最優(yōu)路徑，完成有效準確的自動跟隨。

本項目采用定位模塊、無線通信模塊實時接收和發(fā)送目標位置，箱包可以得到目標的實時位置，根據(jù)目標坐標位置與自身坐標位置信息進行科學的計算，判斷目標的方向及目標與箱包之間的距離，實現(xiàn)智能箱包對目標的實時跟隨。同時在拉桿上設置速度檔位，實現(xiàn)對使用者的助力;此外還有避障模塊，箱包在自主跟隨過程中如若遇到障礙物，可自動避開障礙物，避免智能箱包與障礙物之間發(fā)生碰撞，造成磨損，或發(fā)生一些不安全的事件。

2? 智能跟隨箱包的主要技術(shù)

智能跟隨箱包的研究主要包括四大技術(shù)：GPS（Global Positioning System）定位技術(shù)、藍牙無線通信技術(shù)、PID控制技術(shù)和紅外避障技術(shù)。

2.1? GPS定位技術(shù)

定位的方式多種多樣，如采用SLAM與多傳感器相結(jié)合的方式精度較高，缺點是成本高、效率較低;或者采用圖像定位和需在地面貼上磁條的磁導航定位，但這兩種定位方式的精度不高。隨著GPS技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應用，GPS系統(tǒng)起到了至關(guān)緊要的作用，為提高人類的生活質(zhì)量做出了重要的貢獻。GPS模塊的工作原理：首先由天線獲取衛(wèi)星信號，之后對獲取的衛(wèi)星信號進行各種變化和處理，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤;再根據(jù)傳播的速度與時間，較為準確地定位天線的位置。用戶可以通過輸入和輸出的接口，采取異步串行的通信方式與GPS接收模塊交換信息，獲得最優(yōu)的定位結(jié)果。GPS主要由衛(wèi)星模塊、監(jiān)控模塊、接收模塊三部分組成。衛(wèi)星模塊主要作用是定位信號，監(jiān)控模塊主要用于檢測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，接收模塊用來收集GPS的信號。GPS接收模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2? 藍牙無線通信技術(shù)

采用藍牙技術(shù)可以使箱包與手機通過藍牙進行配對，為每個箱包識別特定的1個主人或多個主人;其通過接收到的信號判斷箱包與主人之間的距離。藍牙連接的范圍在8米內(nèi)較為穩(wěn)定，藍牙技術(shù)是無線通信技術(shù)發(fā)展的重點，本設計選用的藍牙模塊支持UART、USB、SPI等接口，此模塊具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點，適合移動設備和便攜設備，可以快速地完成短距離間數(shù)據(jù)+的無線傳輸。藍牙模塊電路圖如圖2所示。

2.3? PID控制技術(shù)

PID（Proportion Integral Differential）是工業(yè)中常用的控制器，PID調(diào)節(jié)中P表示比例、I表示積分、D表示微分，根據(jù)輸入的偏差值，計算比例、微積分一系列的數(shù)學函數(shù)變化，得到最終的輸出結(jié)果。通過PID調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可以控制箱包移動的速度、轉(zhuǎn)向等。經(jīng)典的PID控制技術(shù)穩(wěn)定性較高，應用廣泛。PID控制模塊電路圖如圖3所示。

2.4? 紅外避障技術(shù)

應用紅外避障技術(shù)的行李箱自帶紅外探測器，可檢測前方障礙物，并快速處理紅外檢測裝置以及信號接收器的輸入結(jié)果，通過系統(tǒng)分析后，可實現(xiàn)對兩部電機的實時控制，如前進、后退、停止等。

3? 系統(tǒng)硬件設計

單片機最小系統(tǒng)是控制整個電路的核心，是能使單片機工作的最小硬件單元。本設計的最小系統(tǒng)電路包含必備的內(nèi)部時鐘方式的時鐘電路、按鍵復位電路，另外還增加了液晶顯示接口等電路，支持功耗較低時的兩種節(jié)電工作模式，即空閑模式和掉電保持模式，同時還可實現(xiàn)掉電模式下的中斷恢復功能。

根據(jù)總體的設計方案，基于單片機的智能跟隨箱包，其硬件電路設計主要包括GPS模塊、藍牙模塊、PID控制模塊、紅外避障模塊、控制芯片STC89C52單片機、報警模塊和液晶顯示模塊、電源模塊、復位模塊組成。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

報警器模塊設計包括二氧化錫蜂鳴器、電阻、傳感器和PNP驅(qū)動程序構(gòu)成，該電路蜂鳴器對低電平有效，通過電阻和PNP型三極管進行驅(qū)動。當P1.0引腳為低電平時，蜂鳴器就會報警。當主人與智能箱包的距離超過設定的閾值時，會收到一個低電平信號，此時蜂鳴器發(fā)出報警聲，表示此時箱包與主人距離較遠，超出之前設定的安全距離。障礙物通常分為兩大類，一種是固定障礙物，如機場、汽車站、火車站內(nèi)的咨詢臺、椅子、柱子、商鋪等，其位置是不發(fā)生變化的，智能跟隨箱包能有效避開;另一種是移動障礙物具有突發(fā)性和隨機性，例如突然闖入的行人，智能箱包對其無法做到100%避開。如果智能跟隨箱包與障礙物發(fā)生碰撞，此時蜂鳴器也會發(fā)出警報，提醒主人注意安全。

液晶顯示模塊采用LCD1602，顯示屏內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）集成了一百多個常見的字符，可根據(jù)的其位置進行訪問調(diào)用，控制簡單。該智能箱包可選用2.8寸的TFT液晶屏，其帶有觸摸功能，分辨率320*240、16位色顯示支持，比較美觀、清晰度高，其工作電壓是3.3 V或者5 V。根據(jù)用戶的需求，液晶屏會顯示一些用戶所需的信息，如當前的電量、智能跟隨箱包與目標之間的實時距離，智能箱包當前的運動速度等。此外LCD1602的功能齊全，可以提供各種控制命令。

復位模塊的基本作用是使智能箱包恢復到默認的初始狀態(tài)。復位控制的方法多種多樣，如電容是一種記憶性的元件，采用換路定律，即利用電容上的電壓不能突變這一特性，可將電容與電阻串聯(lián)。在剛剛開始上電的時刻，假設上電前0-時刻電容上的電壓為0;在上電的一瞬間，即上電后0+時刻電容上的電壓仍為0，此時所有上電的電壓全部施加到電阻上，產(chǎn)生一個高電平復位信號，使其恢復到初始狀態(tài)。

根據(jù)實際中所需的模塊考慮，本設計適宜采用直流電壓源直接供電，采用低壓供電的主要原因是能使智能箱包在整個使用過程中更加安全、可靠。

主程序的作用就是實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，包括系統(tǒng)的復位模塊、定位模塊、藍牙模塊、電源模塊、液晶顯示模塊及報警模塊等。單片機的復位電路設計的科學性、合理性直接影響著整個箱包系統(tǒng)的有效性和可靠性。本設計的主程序流程圖如圖5所示。

4? 設計效果

筆者設計完成的智能跟隨箱包以單片機STC89C52為控制核心，具有藍牙模塊、GPS模塊、液晶顯示模塊等，智能跟隨箱包框架模型圖如圖6所示。

5? 結(jié)? 論

本設計是以智能跟隨為核心，通過GPS定位技術(shù)、PID控制等技術(shù)實現(xiàn)自動跟隨、助力行走功能，通過過藍牙技術(shù)實現(xiàn)人與箱包之間短距離的通信，同時配有報警防丟失的功能，為人們的安全、輕便出行提供保障。該智能跟隨箱包的智能化及人性化設計，具有非常廣闊的市場前景。

智能箱包為人們的出行提供了方便，但仍存在較大的改進空間。

（1）智能箱包與目標之間的通信，除了使用藍牙模塊，可考慮采用其他無線通信方式，如Wi-Fi模塊，增加傳輸?shù)挠行Ь嚯x，實現(xiàn)箱包與目標之間較長距離的可靠通信。

（2）要使箱包更加準確地跟隨目標，需優(yōu)化跟隨的算法，這將是智能跟隨箱包進一步設計和研究的重點和難點。

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作者簡介：夏夢琴（1990.11—），女，漢族，安徽六安人，教師，助教，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。