對(duì)基于STM32的智能小車的應(yīng)用研究

摘 要：近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，智能設(shè)備在各行各業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛?；赟TM32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(diǎn)，在多領(lǐng)域、多場合都有一些創(chuàng)新性的應(yīng)用。本文主要論述了STM32智能小車的基本框架結(jié)構(gòu)及硬件組成，并探討了智能小車在消防、旅游、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：STM32 智能小車 應(yīng)用研究

STM32智能小車是基于STM32微處理器的智能移動(dòng)平臺(tái)。它通過各類傳感器獲取被測(cè)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(guī)劃路徑做行進(jìn)運(yùn)動(dòng)，繼而完成設(shè)定功能的智能系統(tǒng)。它集中運(yùn)用了單片機(jī)、傳感器、信息融合、通信接口、導(dǎo)航控制、人工智能以及自動(dòng)控制等一系列高新技術(shù)。智能小車所具有的高性價(jià)比、豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力，使它成為在一些領(lǐng)域的重點(diǎn)研究和開發(fā)對(duì)象[1]。

1 智能小車基本框架概述

1.1 硬件系統(tǒng)

一臺(tái)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(tǒng)組成如圖1所示。

1.1.1 主控制器

對(duì)于智能小車而言，主控制器是最關(guān)鍵的組成，起著至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)其他硬件的選擇都需與它所對(duì)應(yīng)?？萍家恢痹谶M(jìn)步、在發(fā)展，主控制器的性能在各方面都有很大的提升，能夠?qū)崿F(xiàn)的控制類型也越來越復(fù)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(jī)控制等任務(wù)，使整個(gè)控制系統(tǒng)有條不紊地完成設(shè)定的任務(wù)。

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(wěn)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(wěn)壓模塊電路，可以用三端集成穩(wěn)壓器LM7805來實(shí)現(xiàn)；3.3 V穩(wěn)壓模塊電路，可以采用線性降壓穩(wěn)壓器LM317來實(shí)現(xiàn)。LM7805可提供5V的輸出電壓，內(nèi)部具有過流保護(hù)和過載保護(hù)；LM317是可調(diào)節(jié)三端正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.2V～37V間可調(diào)，能夠提供超過1.5A的電流，輸出具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)。

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(yōu)點(diǎn)。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(nèi)部的液晶顯示包括了國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形[3]，可以顯示行點(diǎn)陣的漢字，也可以完成圖形顯示，可構(gòu)成友好的人機(jī)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(shù)。通常由一對(duì)紅外發(fā)射管和接收管組成，發(fā)射管發(fā)射紅外線，接收管接收反射回來的紅外線。主控制器對(duì)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)一步處理，進(jìn)而判斷小車當(dāng)下的位置情況、偏離情況，控制小車做出一定的調(diào)整后，繼續(xù)沿著事先設(shè)定好的路線行進(jìn)。

1.1.5 避障模塊

避障模塊包含對(duì)障礙物的識(shí)別檢測(cè)與避開。為了使障礙物的檢測(cè)更加精準(zhǔn)，通常采用超聲波傳感器和紅外光電傳感器相結(jié)合的方式，用數(shù)據(jù)融合法獲取信息。智能小車在行進(jìn)中，傳感器要檢測(cè)到障礙物、小車與其間的距離信息，然后將結(jié)果反饋給主控制器，經(jīng)過信息的處理、避障算法等規(guī)劃小車的避障路徑。

1.1.6 驅(qū)動(dòng)模塊

用來完成小車左、右兩側(cè)車輪動(dòng)力電機(jī)的控制，將STM32發(fā)出的速度控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)功能?？刂菩盘?hào)可以采用PWM調(diào)速方式，完成對(duì)小車左右輪的速度差異控制[4]。

1.1.7 測(cè)速模塊

用來測(cè)量智能小車運(yùn)動(dòng)過程中，左、右兩側(cè)車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速，可以使用光電編碼器和STM32內(nèi)置的計(jì)數(shù)器結(jié)合的方式，檢測(cè)車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速[5]。

1.2 軟件系統(tǒng)

為了使系統(tǒng)有更好的靈活性和可擴(kuò)展性，軟件部分可按功能采用模塊化設(shè)計(jì)，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(xié)議和外設(shè)接口，如USB、UART、SPI等，這大大提高了開發(fā)效率和易用性。智能小車基本功能系統(tǒng)主要由尋跡子程序、避障子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、速度檢測(cè)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(shí)，在此框架基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)的功能模塊，編寫相關(guān)的子程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

2 智能小車的應(yīng)用

2.1 智能小車在消防系統(tǒng)的應(yīng)用

我國的城市化一直在穩(wěn)步有序地發(fā)展，伴隨著的就是大量的工礦企業(yè)、石油化工企業(yè)及典型的商業(yè)綜合體的蓬勃發(fā)展，但是這些地方如果發(fā)生普通火災(zāi)，而相關(guān)人員卻沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)造成不可估量的嚴(yán)重后果。通常，火災(zāi)的發(fā)生都是依托一定的現(xiàn)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(xiàn)象事先檢測(cè)出來，則有利于遏制火災(zāi)；同時(shí)，通過智能小車對(duì)滅火器的控制，實(shí)現(xiàn)滅火，將火災(zāi)的災(zāi)情降到最低。由此可見，智能小車可以監(jiān)測(cè)火災(zāi)隱情并采取相應(yīng)的措施，以防造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

為實(shí)現(xiàn)該功能，需在智能小車的基本框架基礎(chǔ)上，再增加一些與火災(zāi)隱情有關(guān)的檢測(cè)和報(bào)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(bào)警模塊等[6]。這些模塊保障了智能小車的火情監(jiān)測(cè)功能、滅火功能和報(bào)警功能。壓力傳感器模塊用來檢測(cè)滅火器的重量，保證滅火器的可用性，沒有發(fā)生漏氣、老化等現(xiàn)象，以防在滅火時(shí)出現(xiàn)問題；煙霧傳感器模塊用來檢測(cè)空氣是否有煙霧，主要是可燃顆粒，從而判斷是否有發(fā)生火災(zāi)的潛在性因素；火焰?zhèn)鞲衅髂K用來檢測(cè)周圍空間是否有火焰，利用紅外線對(duì)火焰的敏感性，使用特制的紅外線接收管來檢測(cè)火焰，從而判斷是否有發(fā)生火災(zāi)的明火；無線通信模塊用來傳遞火災(zāi)信息，如向發(fā)生火災(zāi)苗頭區(qū)域的保衛(wèi)處等提供火災(zāi)信息，使相關(guān)人員采取行動(dòng)；溫度傳感器模塊用來檢測(cè)周圍空間的溫度，根據(jù)設(shè)定的溫度值，從而判定是否存在火災(zāi)隱患；蜂鳴器模塊用來報(bào)警，可以給出兩種警示，用不同的報(bào)警聲，一種是有火災(zāi)隱患，另一種是已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)。

一直以來，火災(zāi)頻繁發(fā)生，大量的火災(zāi)都是由于沒有良好的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，最后引發(fā)了非常嚴(yán)重的后果，造成了無法估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，利用智能小車來完成消防系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)警，恰好解決了這一問題。黑龍江省黑河市愛輝區(qū)就是應(yīng)用了這一方式，居民樓安裝的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，利用消防智能小車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍空氣中的煙霧、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)。一旦檢測(cè)到異常，系統(tǒng)會(huì)迅速通過無線通信模塊向監(jiān)控中心發(fā)送警報(bào)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(yè)的應(yīng)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(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，大家越來越注重精神世界。人們對(duì)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(yǎng)，使大家更愿意去發(fā)現(xiàn)美、體驗(yàn)美、享受美，這又進(jìn)一步促進(jìn)了各地旅游業(yè)的發(fā)展，于是，旅游的重要性愈發(fā)突出，而且，文化生活品位的提高使人們已經(jīng)不再滿足于單一地去“發(fā)現(xiàn)美”，相反，更多的人想知道名勝古跡、歷史典籍、古代文物所對(duì)應(yīng)的一個(gè)又一個(gè)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(qū)的導(dǎo)游可以給大家提供這一服務(wù)，但是也存在一些問題，比如，導(dǎo)游一直進(jìn)行著重復(fù)的語言工作，難免會(huì)有對(duì)工作的乏味；當(dāng)有好幾個(gè)導(dǎo)游同時(shí)解說時(shí)，就會(huì)顯得嘈雜，導(dǎo)致人們聽不清楚；有的人可能對(duì)景區(qū)的某一游覽區(qū)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(dǎo)游走。以上這些問題，完全可以用一臺(tái)導(dǎo)游智能小車來解決。導(dǎo)游智能小車的導(dǎo)游功能可以分情況，一種是首先提前設(shè)定好游覽路線，然后在該游覽路線上所涉及的景點(diǎn)的詳細(xì)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(diǎn)，由智能小車帶領(lǐng)到目的地，并作詳細(xì)介紹。

為實(shí)現(xiàn)該功能，需在智能小車的基本框架基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加語音播報(bào)模塊、按鍵模塊[7]。語音播報(bào)模塊用來在對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)為游客講解。按鍵模塊用于游客來靈活選擇景點(diǎn)，游客可以根據(jù)自己的喜好，從中選擇更想了解、更感興趣的景點(diǎn)，并由智能小車引導(dǎo)，到達(dá)目的地后由智能小車介紹景點(diǎn)[8]。

2.3 智能小車在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

2.3.1 智能測(cè)溫

眾所周知，傳染病的防控是世界公認(rèn)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(fā)燒，體溫明顯會(huì)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(xiàn)如今，密集場所測(cè)溫主要采用紅外測(cè)溫法。紅外測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)有響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全方便等，紅外測(cè)溫儀廣泛用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、建筑、環(huán)保、食品安全等領(lǐng)域。目前普遍使用的紅外測(cè)溫裝置有手持式紅外測(cè)溫儀和紅外熱成像儀系統(tǒng)。手持式測(cè)溫儀除了用于醫(yī)療領(lǐng)域，如在醫(yī)院、診所等醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，它可用來快速篩查出發(fā)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(cè)，另外在學(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)也可用來篩出體溫異常者；在食品安全方面也有應(yīng)用，如在食品加工和餐飲行業(yè)，可用來監(jiān)測(cè)食品的存儲(chǔ)和烹飪溫度，確保食品安全；在建筑檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。紅外熱成像儀因其獨(dú)特的非接觸式檢測(cè)能力和對(duì)溫度變化的高度敏感性，在多個(gè)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，以上兩種方式也存在一定的缺點(diǎn)，如紅外測(cè)溫儀易受測(cè)量環(huán)境的溫度影響，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，測(cè)得的數(shù)據(jù)不可靠；紅外熱成像儀的測(cè)溫準(zhǔn)確性會(huì)受到環(huán)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(huì)受到限制。

測(cè)溫智能小車，能夠?qū)⒓t外測(cè)溫技術(shù)和智能小車技術(shù)相融合，從人體識(shí)別、體溫測(cè)量、報(bào)警實(shí)現(xiàn)測(cè)控過程的一體化，能夠?qū)δ繕?biāo)自動(dòng)測(cè)溫，并在溫度高于正常值時(shí)報(bào)警，起到警示作用。這種測(cè)量體溫的方式在具有疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以降低傳播風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)該功能，需在智能小車的基本框架基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加人體感應(yīng)模塊、測(cè)溫模塊、報(bào)警模塊。人體感應(yīng)模塊是當(dāng)人體出現(xiàn)在感應(yīng)器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到人體的熱量并發(fā)出信號(hào)。測(cè)溫模塊用來測(cè)量感應(yīng)到的人體的體溫，如果超出設(shè)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。這種測(cè)量方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量準(zhǔn)確度高，測(cè)量速度快，操作簡單等。與人工測(cè)量體溫相比，其優(yōu)勢(shì)很大，除了在疫情防控工作中可以發(fā)揮作用外，也可以用于其他領(lǐng)域。

2.3.2 智能送藥

隨著各行業(yè)智能設(shè)備的應(yīng)用與智能化水平的提高，送藥智能小車在醫(yī)療領(lǐng)域也有了一些應(yīng)用，醫(yī)院采用智能小車來送藥的優(yōu)勢(shì)主要有，可以減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量，降低醫(yī)護(hù)與病患的交叉感染，提高藥物配送的效率和準(zhǔn)確率。智能送藥小車是人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新性發(fā)展，有助于智慧醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展。

智能送藥小車在單片機(jī)控制下，在設(shè)定好的醫(yī)療區(qū)域內(nèi)，可自動(dòng)識(shí)別、尋徑、避障，將藥品送到指定病房后，返回藥房。

為實(shí)現(xiàn)該功能，需在智能小車的基本框架基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加視覺模塊、藥品檢測(cè)模塊。視覺模塊完成加載模型、初始化攝像頭、預(yù)處理攝像頭，最終顯示檢測(cè)結(jié)果，并發(fā)送給主控制器；藥品檢測(cè)模塊是傳感器將檢測(cè)到的藥品信息發(fā)送給單片機(jī)。

2.4 智能小車在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用

工業(yè)自動(dòng)化是在工業(yè)生產(chǎn)中大量采用自動(dòng)化的控制方式、自動(dòng)化裝置等，來自動(dòng)操作機(jī)器完成加工任務(wù)的一種趨勢(shì)。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，許多工廠都朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的方向靠近。工業(yè)4.0是指綜合性的理念，利用智能技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，來提高制造和供應(yīng)鏈的效率。這是工業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，有利于方便快捷地生產(chǎn)產(chǎn)品，產(chǎn)品形式多樣。在這種轉(zhuǎn)型下，所有工業(yè)領(lǐng)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(xiàn)，新的重組方式也將出現(xiàn)。

應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的智能小車，正是工業(yè)轉(zhuǎn)型下的智能化的體現(xiàn)之一。智能小車的優(yōu)勢(shì)是提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率，降低了企業(yè)的人力資源成本，并且提高了生產(chǎn)過程中的安全性和可靠性。在倉儲(chǔ)物流方面，使用智能小車可以完成物料的分揀、搬運(yùn)與存儲(chǔ)，相比于人工作業(yè)，出錯(cuò)率大幅度較低；在生產(chǎn)線物料搬運(yùn)方面，使用智能小車可以在裝配線運(yùn)輸零部件、搬運(yùn)精密元件、支持小批量多品種生產(chǎn)；另外，在比較特殊的工業(yè)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(yè)4.0的智能制造，不只是工業(yè)技術(shù)上的升級(jí)，更是工業(yè)生產(chǎn)方式的革新?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策、實(shí)時(shí)互聯(lián)的設(shè)備和極度靈活的生產(chǎn)線，再度形成全球制造業(yè)競爭力。

3 總結(jié)

未來STM32智能小車將更加智能化和自主化，能夠在復(fù)雜環(huán)境中獨(dú)立完成任務(wù)。隨著人機(jī)交互技術(shù)的進(jìn)步，智能小車將更好地與人類協(xié)作，提升工作效率。隨著環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，低功耗、環(huán)保材料的應(yīng)用將成為趨勢(shì)。STM32智能小車在技術(shù)、應(yīng)用和市場方面都有廣闊的發(fā)展前景，隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用場景的擴(kuò)展，未來將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

基金項(xiàng)目：2023年甘肅省教育科技創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2023B-279）。

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