基于STM32的自跟隨智能旅行箱

西北民族大學電氣工程學院 李京昊 鐵一凡 孫浩瑜 胡嘉慧 呂鑫洋

本項目是對傳統只有推拉功能的旅行箱存在的不方便以及安全問題進行改善，自跟隨旅行箱可實現自動跟隨、短距離報警、指紋開鎖，實時測重等基本功能，極大程度方便了人們的使用，為人們解決了旅途中關于旅行箱的煩惱。隨著嵌入式控制技術和電子信息技術的發展，自動控制的機器已經滲透到了生活中的各個方面。近年來已經出現了具有定位功能的智能旅行箱，這種旅行箱結合相對應的軟件可以提供基于位置服務的防盜、丟失尋找等功能，但這種智能旅行箱功能較為單一。而自動跟隨、智能防丟的旅行箱在市場上很少，且價格高昂、局限性多。基于傳統的只有推拉功能的旅行箱，本文設計的自跟隨旅行箱可以實現自動跟隨、短距離報警、定位追尋、指紋開鎖、實時測重、箱體可拆卸等基本功能。

1 系統總設計

在整個系統的控制上，使用處理速度更強、硬件資源更豐富的Cortex-M4內核的STM32系列芯片。Cortex-M4內核的芯片使用ARM架構，該架構設計的合理性使微控制器的功能非常強大同時還可以滿足功耗低的要求，在供電上STM32微控制器只需要5V電源便可以進行驅動，使用非常方便。在程序編寫上，STM32可以使用我們最熟悉的C語言，對于本項目來說Cortex-M4內核的STM32系列芯片是最好的選擇。在本項目中使用到的功能有I/O口復用、IIC通訊、PWM波的輸出、串口通訊、定時器中斷、外部中斷、定時器等，這些功能的正確使用必須基于對于STM32系列微控制器的熟練掌握。

本項目的主要目的是解決旅行箱使用者在旅途中碰到的各種問題。例如：旅行者推拉過程中由于旅行箱太重導致的問題、旅行者和旅行箱的距離過遠存在的安全問題、旅行者不幸丟失行李箱后難尋回等問題，而自跟隨智能旅行箱可以結合各種模塊，完成在不同場景下解決旅行者出行過程中的各種問題。

2 主要硬件設計

2.1 硬件總體布局

本系統以自跟隨智能旅行箱為研究對象，該自跟隨智能旅行箱使用了以STM32 Cortex-M4為內核的主控芯片，其中包含電機驅動模塊、短距離測距模塊、GPS定位模塊、指紋識別模塊、語音播放模塊、稱重模塊等模塊構成了一個完整的自跟隨智能旅行箱系統，具體硬件系統設計流程圖如圖1所示。

本系統為了實現自跟隨系統以及測重系統采用箱體可拆卸的模式，即分別制作旅行箱底座和箱體。本系統將不同模塊分別安裝在底座和箱體上來共同完成自跟隨智能旅行箱的不同的基礎功能。該系統中最重要功能是實現自跟隨系統，本項目通過使用短距離測距模塊來實現該功能。在自跟隨智能旅行箱安裝測距模塊，用芯片處理測距模塊返回的信息，得到此時旅行者相對旅行箱的相對位置，根據距離角度在結合算法控制電機驅動，調節PWM波的占空比來控制輪子速度來實現自跟隨的功能。基于安全方面，通過指紋模塊、短距離測距模塊和語音播放模塊實現一級安全系統，只有正確的指紋才可以打開旅行箱，并且旅行者和旅行箱之間的距離一旦超出規定范圍便會自動警報提醒旅行者。二級安全系統由GPS定位模塊實現，如果發生旅行箱不幸丟失的情況，其便對旅行箱精準定位，利用短信獲取旅行箱的當前位置，進行尋回。通過一級安全系統和二級安全系統徹底解決了旅行者在外擔心自己財產問題，同時旅行者也可隨時了解旅行箱的重量，判斷是否超出飛機等運輸設備的規定范圍。

圖1 硬件系統設計圖

2.2 控制系統電路穩定性及其合理性

本項目設計中由于使用了多個模塊，對于不同模塊使用了不用的通訊協議，所以在電路設計上必須根據不同的I/O口所具有的硬件資源將不同的模塊與合適的I/O口連接到一起，以達到硬件資源利用最大化。

由于不同模塊的工作電壓不同，電機的驅動需要的電壓最高12V左右，所以使用12V的電池作為總的電源輸入并直接用電源電壓對電機驅動供電；對STM32F4微控制器的供電需要5V的電壓，所以需要在電路中加入穩壓模塊并引出5V的引腳口，分別對不同模塊進行供電。

3 主要軟件設計

本設計中使用的編程語言是大家都比較熟悉C語言，使用的編譯器為Keil 5。Keil編譯器完美的支持使用C語言對STM32系列芯片的驅動，該編譯器功能非常強大，支持在線仿真功能，可以通過觀察窗看到每一個寄存器的值，可以更加直觀的看到程序設計時出現的錯誤并及時改正，對于程序的調試非常有幫助。程序編寫時使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅動過程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實現調用的過程，不同文件中函數的調用通過對相應.h文件的引用來實現。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀閱比較強，編程思路體現得更加清晰，對于程序的分模塊調試以及程序修改也非常方便。其中使用的短距離測距模塊可實現自動跟隨，自跟隨系統采用兩個短距離測距模塊獲得使用者的當前具體位置。如果只采用單一的測距模塊，芯片得到的數據可能存在誤差，使用此類數據必然會使系統的精度和實時性降低，因此利用同類測距模塊分別安裝在底座的兩側，獲取兩側分別到使用者的實時距離，根據三個已知長度L1、L2、L3，模擬出一個三角形，再根據三角函數公式得到此時旅行箱與旅行者之間的實時距離L和實時角度α的值，然后利用PID算法配合電機驅動模塊實現自跟隨系統。程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 程序設計流程圖

4 實驗結果

本項目實現了在模擬情景中自動跟隨旅行者的功能，但是目前只限于平地環境，在斜坡或者是樓梯情景中功能仍有待改善。在安全系統方面，功能已全部完成，旅行者可以錄入、刪除指紋庫內指紋，并且可以通過手機短信得到旅行箱的實時位置，通過現有的地圖查找軟件獲取具體位置路線，且當旅行箱和旅行者之間距離差距過大，旅行箱會持續報警提醒旅行者。

總結：本設計硬件結構設計較為合理，具有較強的環境適應力和穩定性。相對于常見的傳統旅行箱，其具有移動速度快、使用更簡單、節省旅行者體力、安全系數高等特點，對傳統的只能推拉的行李箱存在的不便捷之處進行改良，實現了旅行箱自動跟隨。使用Cortex-M4內核ARM架構的STM32F4微控制器，具有處理速度更快、功能更強大、功耗更低等特性。本項目設計的旅行箱應用方便，實用性非常強，對于安全系統可以通過APP來獲取旅行箱的具體位置，以便應對各種情況，可有效地保護旅行者的重要物品。測重系統極大程度的解決了旅行者放入物品的重量超出飛機等運輸設備規定的范圍的情況，當超出范圍后具有報警功能；同時，可實現指紋開鎖、實時測量重量的基本功能，方便了使用者，解決了許多旅途中的煩惱。