基于物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器的智能聲控搬運車系統(tǒng)

成薇 胡書晨 邱俊輝 李嘉隆 甄俊濤

（湖北經(jīng)濟學院信息與通信工程學院 湖北省武漢市 430205）

1 引言

當今中國在工業(yè)運輸方面的工業(yè)搬運車經(jīng)歷了四代發(fā)展。其中，第一代手動搬運車在工業(yè)搬運車市場仍占有一定份額。而目前國內(nèi)最先進的搬運車是自動無人搬運車，這種搬運車路徑導引方式主要是光導引和磁導引，需要在路徑上安裝相應的發(fā)光裝置或是磁性物體。這兩種引導方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無人搬運功能，但只適用于較大規(guī)模的工廠、倉庫等特定場景，而且安裝路徑成本較大，路徑環(huán)境易受到外界環(huán)境的干擾。以聲音為介質(zhì)，通過語音控制搬運車理論上可以彌補這些不足，并可以實現(xiàn)搬運車的無接觸式控制，適用于醫(yī)院隔離病區(qū)醫(yī)用物品的運輸。

本文研究并設計的是一種基于物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器的智能聲控搬運車系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種工作模式，分別為自由驅(qū)動模式和定位導航模式，均以語音命令進行控制。自由驅(qū)動模式下，語音命令可實時控制搬運車的運行狀態(tài)；定位導航模式下，通過語音輸入目的地，搬運車即可自動導航前往。同時該系統(tǒng)具備避障功能、人機語音交互功能，并可以在手機端查看搬運車的實時位置、環(huán)境與狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

智能聲控搬運車系統(tǒng)主要研究以聲音為導引介質(zhì)來引導搬運車的運行，并通過聲音來控制搬運車的運行狀態(tài)與工作模式。其中，智能聲控搬運車基于語音引導有兩種工作模式，分別為自由驅(qū)動模式與定位導航模式。除了兩種基本的工作模式外，智能聲控搬運車系統(tǒng)通過藍牙與手機端連接，通過多種傳感器采集搬運車的環(huán)境與狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在手機端查看搬運車實時位置、環(huán)境狀態(tài)信息的功能。

2.1.1 自由驅(qū)動模式

用戶可以通過語音命令控制搬運車的啟動、右轉(zhuǎn)彎、后退、停止、前進、左轉(zhuǎn)彎等基本運行狀態(tài)。搬運車實時監(jiān)測障礙物，當監(jiān)測到障礙物時將自動繞開障礙物，可以避免碰撞以及其他類似情況發(fā)生。自由驅(qū)動模式的功能框圖如圖1所示。

自由驅(qū)動模式下，用戶需輸入正確的一級語音命令并被系統(tǒng)成功識別后方可輸入二級語音命令改變搬運車的運行狀態(tài)，該系統(tǒng)設定的一級語音命令為“小智”。用戶輸入了一級語音命令并且系統(tǒng)進行語音響應后，系統(tǒng)預留10秒鐘的時間等待用戶輸入二級語音命令，若輸入超時，用戶則需重新輸入一級語音命令。每條指令被成功識別后，系統(tǒng)會產(chǎn)生相應的語音響應進行提示。當輸入的二級指令為“模式切換”時，搬運車將切換到定位導航模式。

2.1.2 定位導航模式

定位導航模式主要實現(xiàn)用戶通過語音命令搬運車自動前往指定目的地的功能。定位導航模式的功能框圖如圖2所示。

圖1：自由驅(qū)動模式功能框圖

在定位導航模式下，通過語音向搬運車傳達目的地信息，搬運車根據(jù)GPS定位功能對目的地及自身位置進行定位，計算運行方向，并自動前往指定位置。在這種模式下搬運車運行的過程中也可以檢測障礙物，繞開障礙物，并重新調(diào)整、規(guī)劃路徑。當搬運車到達目的地后停止運行，并切換成自由驅(qū)動模式。

2.1.3 連接手機端

智能聲控搬運車系統(tǒng)設計開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的智能手機APP，用于搬運車數(shù)據(jù)信息的顯示，并對搬運車的基本運行狀態(tài)進行控制。手機APP主要顯示的數(shù)據(jù)信息有：搬運車當前負載重量、速度與加速度、搬運車當前位置、環(huán)境的溫度與濕度。手機APP對搬運車的控制主要為控制搬運車的啟動、停止、轉(zhuǎn)彎、后退等基本運行狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)總框架設計

智能聲控搬運車系統(tǒng)使用STM32F103ZET6型號的微處理器，該種型號的微處理器有5個通信串口，而智能聲控搬運車系統(tǒng)需要9個串口進行通信，因此系統(tǒng)采用雙處理器模式，即使用兩個STM32F103作為系統(tǒng)的主控模塊，兩個微處理器之間通過串口通信交換數(shù)據(jù)。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，將兩個微處理器分為中心控制節(jié)點和信息匯聚與通信節(jié)點。

表1：L298N邏輯真值表

圖2：定位導航模式功能框圖

圖3：智能聲控搬運車系統(tǒng)框架圖

中心控制節(jié)點主要控制并協(xié)調(diào)智能聲控搬運車的兩個基本工作模式，即自由驅(qū)動模式和定位導航模式。中心控制節(jié)點控制搬運車的驅(qū)動模塊、GPS定位模塊、語音播報模塊、語音識別模塊和避障模塊。

信息匯聚與通信節(jié)點主要進行數(shù)據(jù)信息的處理與傳輸，通過藍牙通信實現(xiàn)智能聲控搬運車與手機端APP的數(shù)據(jù)交換。信息匯聚與通信節(jié)點控制藍牙模塊、壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、速度傳感器模塊。智能聲控搬運車的系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

智能聲控搬運車在自由驅(qū)動模式下，語音識別模塊先檢測并識別用戶輸入的語音命令，將識別出來的語音命令通過串口發(fā)送給中心控制節(jié)點，中心控制節(jié)點控制語音播報模塊發(fā)生相應的語音響應，并根據(jù)語音命令通過控制驅(qū)動模塊來改變搬運車的運行狀態(tài)。在搬運車的運行過程中，避障模塊不斷檢測前面有沒有障礙物，如果避障模塊檢測到了障礙物，則向中心控制節(jié)點發(fā)送信號，中心控制節(jié)點則控制避障模塊尋找無障礙物的路徑從而繞開障礙物。當工作模式為定位導航模式時，語音識別模塊識別用戶輸入的目的地信息并發(fā)送給中心控制節(jié)點，GPS定位模塊對搬運車自身位置進行定位，并將搬運車的經(jīng)緯度信息發(fā)送給中心控制節(jié)點，節(jié)點根據(jù)目的地和搬運車當前位置的經(jīng)緯度信息計算運行方向，并控制驅(qū)動模塊驅(qū)動搬運車前往目的地。

信息匯聚與通信節(jié)點主要接收壓力傳感器模塊、速度傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和中心控制節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)信息，并將所有數(shù)據(jù)信息按照一定的時序通過藍牙模塊發(fā)送給手機端。同時藍牙模塊接收手機端藍牙設備發(fā)送過來的指令信息，然后通過串口發(fā)送給信息匯聚與通信節(jié)點，最后將指令信息發(fā)送給中心控制節(jié)點進行執(zhí)行。

3 系統(tǒng)模塊設計

智能聲控搬運車系統(tǒng)采用分模塊設計研究的方法，系統(tǒng)分為7個分模塊，分別為：驅(qū)動模塊、避障模塊、語音播報模塊、語音識別模塊、GPS定位模塊、藍牙模塊和傳感器模塊。

3.1 驅(qū)動模塊

智能聲控搬運車驅(qū)動模塊的硬件部分由驅(qū)動板、直流電機、輪子和電池組成。驅(qū)動板使用的是雙H橋電機驅(qū)動模塊，該模塊的主控芯片為L298N芯片，每個模塊可以同時控制兩個直流電機，智能聲控搬運車使用四輪直流驅(qū)動，需要用到兩個雙H橋電機驅(qū)動模塊。L298N芯片的工作電壓為5V，驅(qū)動電壓為12V。每個驅(qū)動板驅(qū)動直流電機的邏輯真值表如表1所示。

ENA和ENB分別為左右電機的使能端，IN1與IN2控制左電機的反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)和停止，IN3與IN4控制右電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

3.2 避障模塊

智能聲控搬運車避障模塊的硬件部分主要由超聲波模塊和舵機組成。超聲波模塊用于測距，工作電壓為5V，射程范圍為2cm-4m。舵機用于控制超聲波模塊的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為180°。搬運車在行駛的過程中超聲波模塊不斷檢測前方是否有障礙物，當測量距離小于閾值30cm時，則進入避障程序，具體過程如圖4所示。

3.3 語音識別模塊

智能聲控搬運車系統(tǒng)的語音識別模塊采用的是LD3320語音識別芯片，該型號芯片集成了語音采集和識別算法。語音識別模塊可以識別50條語音，識別距離最大為2米，識別率約為90%。系統(tǒng)采用兩級語音口令，一級口令為“小智”，一級口令驗證成功后方可進行二級指令的輸入。

3.4 語音播報模塊

語音播報模塊使用的是TTS-V5模塊，該芯片可以將漢字、英文字母、數(shù)字轉(zhuǎn)換成語音信號。中心控制節(jié)點通過串口將需要進行播報的字符串發(fā)送給該芯片，即可實現(xiàn)語音播報的功能。

3.5 GPS定位模塊

智能聲控搬運車系統(tǒng)GPS定位模塊的硬件部分由GPS模塊和GY-85傳感器組成。GPS模塊用于對搬運車的位置進行定位，通過串口向中心控制節(jié)點返回搬運車位置的經(jīng)緯度信息。根據(jù)已知目的地的經(jīng)緯度與搬運車位置的經(jīng)緯度可以計算出兩點方向與N極方向的夾角。計算過程為：設搬運車自身位置的經(jīng)緯度為（x1,y1），已知目的地經(jīng)緯度為（x2,y2），則兩點方向與N極方向的反正切值為：

GY-85傳感器模塊包括三軸加速度傳感器ADXL345、三軸陀螺儀ITG-3205、三軸數(shù)字羅盤HMC5885L等三個部分，主要功能是測量計算搬運車前進的方向與N級的角度差。GY-85傳感器的工作原理為：任何一個物體在空中的姿態(tài)都可用圖5表示，將物體的中心為原點建立坐標軸，Level X與LevelY分別表示水平面的方向，定義α為物體的x方向與水平面方向的夾角，定義β為物體的y方向與水平面方向的夾角。

通過三軸加速度傳感器檢測并計算出ɑ和β，由三軸數(shù)字羅盤測出地磁場在X、Y、Z三軸的分矢量數(shù)據(jù)。最后根據(jù)公式計算出物體的x方向與N極的角度差的正切值θ2：

最后根據(jù)（θ1-θ2）計算出搬運車需要調(diào)整的角度。

圖4：避障程序流程圖

圖5：物體在空間的姿態(tài)

3.6 藍牙模塊

智能聲控搬運車系統(tǒng)的藍牙模塊是型號為HC-05的主從一體藍牙模塊。通過AT指令將藍牙模塊設置為主從模式，主要作用是實現(xiàn)智能聲控搬運車系統(tǒng)與手機之間的串口通信。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類別較多，為了準確分辨數(shù)據(jù)類別，將藍牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)第一位或第一、第二位設置為數(shù)據(jù)識別碼。數(shù)據(jù)類別識別碼定義的格式如圖6所示。

圖6：藍牙數(shù)據(jù)類別識別碼

3.7 傳感器模塊

智能聲控搬運車系統(tǒng)的傳感器模塊包括壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和速度傳感器模塊。傳感器模塊的主要功能是測量搬運車的運行速度、加速度和負載重點，檢測搬運車所處環(huán)境的溫濕度。傳感器模塊的所有測量數(shù)據(jù)傳送給信息匯聚與通信節(jié)點，節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行處理與格式化，通過藍牙模塊發(fā)送到手機端進行顯示。

壓力傳感器模塊中，壓力敏感元件為電阻應變片，量程為40kg，信號處理單元使用的是HX711模塊，該模塊為電子秤專用的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將檢測到電壓的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

溫濕度傳感器模塊使用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，測量得到的溫濕度數(shù)據(jù)從溫濕度傳感器的DATA引腳輸出，然后傳送給信息匯聚與通信節(jié)點進行處理。

速度傳感器模塊使用的是進口槽型光耦傳感器，當槽中有遮擋物時，模塊的D0引腳輸出高電平。在搬運車的輪子上安裝遮擋片，設輪子的半徑為r，則輪子轉(zhuǎn)一圈，搬運車行駛的距離為2rπ，運行時間為D0引腳連續(xù)兩次輸出高電平間隔的時間。將距離除以時間，得到搬運車的速度。多次測量獲取數(shù)據(jù)后用速度差除以時間差，得到搬運車的加速度。

4 結(jié)語

智能聲控搬運車系統(tǒng)實現(xiàn)了通過語音命令控制搬運車的運行以及自動定位導航的功能。通過對該系統(tǒng)的研究與設計，明確了語音識別是一種實現(xiàn)無接觸式控制的有效方式。無接觸控制的方式在醫(yī)院的隔離病區(qū)可以起到很大的作用，如果將智能聲控搬運車應用于隔離病區(qū)醫(yī)用物品的運輸，可以避免醫(yī)生與病人的間接接觸，在一定程度上可以降低交叉感染的風險。但GPS技術無法實現(xiàn)室內(nèi)精準定位，未來可嘗試安裝攝像頭，通過視覺圖像識別處理技術提高定位的精準程度。